第 15 章声音子系统

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2023-12-01

15.1. 简介

FreeBSD声音子系统清晰地将通用声音处理问题与设备特定的问题分离开来。这使得更容易加入对新设备的支持。

pcm(4)框架是声音子系统的中心部分。它主要实现下面的组件：

一个到数字化声音和混音器函数的系统调用接口（read, write, ioctls）。ioctl命令集合兼容老的OSS 或Voxware接口，允许一般多媒体应用程序不加修改地移植。
处理声音数据的公共代码（格式转换，虚拟通道）。
一个统一的软件接口，与硬件特定的音频接口模块接口
对某些通用硬件接口（ac97）或共享的硬件特定代码（例如：ISA DMA例程）的额外支持。

对特定声卡的支持是通过硬件特定的驱动程序来实现的，这些驱动程序提供通道和混音器接口，插入到通用pcm代码中。

本章中，术语pcm将指声音驱动程序的中心，通用部分，这是对比硬件特定的模块而言的。

预期的驱动程序编写者当然希望从现有模块开始，并使用那些代码作为最终参考。但是，由于声音代码十分简洁漂亮，这也基本上免除了注释。本文档试图给出框架接口的一个概览，并回答改写现有代码时可能出现的一些问题。

作为另外的途径，或者说除了从一个可工作的范例开始的办法之外，你可以从 http://people.FreeBSD.org/~cg/template.c找到一个注释过的驱动程序模板。

15.2. 文件

除/usr/src/sys/sys/soundcard.h中的公共 ioctl接口定义外，所有的相关代码当前(FreeBSD 4.4)位于 /usr/src/sys/dev/sound/。

在/usr/src/sys/dev/sound/下面， pcm/目录中保存着中心代码，而isa/和pci/目录中有 ISA和PCI板的驱动程序。

15.3. 探测，连接等

声音驱动程序使用与任何硬件驱动程序模块相同的方法探测和连接（设备）。你可能希望浏览一下手册中ISA或PCI章节的内容来获取更多信息。

然而，声音驱动程序在某些方面又有些不同：

他们将自己声明为pcm类设备，带有一个设备私有结构struct snddev_info：
```
  static driver_t xxx_driver = {
      "pcm",
      xxx_methods,
      sizeof(struct snddev_info)
  };

  DRIVER_MODULE(snd_xxxpci, pci, xxx_driver, pcm_devclass, 0, 0);
  MODULE_DEPEND(snd_xxxpci, snd_pcm, PCM_MINVER, PCM_PREFVER,PCM_MAXVER);
```
大多数声音驱动程序需要存储关于其设备的附加私有信息。私有数据结构通常在连接例程中分配。其地址通过调用 pcm_register()和 mixer_init()传递给 pcm。后面pcm 将此地址作为调用声音驱动程序接口时的参数传递回来。
声音驱动程序的连接例程应当通过调用mixer_init()向pcm声明它的MIXER或AC97 接口。对于MIXER接口，这会接着引起调用 xxxmixer_init()。
声音驱动程序的连接例程通过调用 pcm_register(dev, sc, nplay, nrec) 向pcm声明其通用CHANNEL配置，其中 sc是设备数据结构的地址，在pcm以后的调用中将会用到它， nplay和nrec是播放和录音通道的数目。
声音驱动程序的连接例程通过调用 pcm_addchan()声明它的每个通道对象。这会在 pcm中建立起通道合成，并接着会引起调用 xxxchannel_init() （译注：请参考原文）。
声音驱动程序的分离例程在释放其资源之前应当调用 pcm_unregister()。

有两种可能的方法来处理非PnP设备：

使用device_identify()方法（范例：sound/isa/es1888.c）。 device_identify()方法在已知地址探测硬件，如果发现支持的设备就会创建一个新的pcm设备，这个pcm设备接着会被传递到probe/attach。
使用定制内核配置的方法，为pcm设备设置适当的hints（范例： sound/isa/mss.c）。

pcm驱动程序应当实现 device_suspend， device_resume和 device_shutdown例程，这样电源管理和模块卸载就能正确地发挥作用。

15.4. 接口

pcm核心与声音驱动程序之间的接口以术语内核对象的叫法来定义。

声音驱动程序通常提供两种主要的接口： CHANNEL以及 MIXER或AC97。

AC97是一个很小的硬件访问（寄存器读/写）接口，由驱动程序为带AC97编码解码器的硬件来实现。这种情况下，实际的 MIXER接口由pcm中共享的AC97代码提供。

15.4.1. CHANNEL接口

15.4.1.1. 函数参数的通常注意事项

声音驱动程序通常用一个私有数据结构来描述他们的设备，驱动程序所支持的播放和录音数据通道各有一个。

对于所有的CHANNEL接口函数，第一个参数是一个不透明的指针。

第二个参数是指向私有的通道数据结构的指针， channel_init()是个例外，它的指针指向私有设备结构（并返回由pcm以后使用的通道指针）。

15.4.1.2. 数据传输操作概览

对于声音数据传输，pcm核心与声音驱动程序是通过一个由struct snd_dbuf描述的共享内存区域进行通信的。

struct snd_dbuf是 pcm私有的，声音驱动程序通过调用访问者函数（sndbuf_getxxx()）来获得感兴趣的值。

共享内存区域的大小等于 sndbuf_getsize()，并被分割为大小固定，且等于 sndbuf_getblksz()字节的很多块。

当播放时，常规的传输机制如下（将意思反过来就是录音）：

pcm开始时填充缓冲区，然后以参数PCMTRIG_START调用声音驱动程序的 xxxchannel_trigger() 。
声音驱动程序接着安排以 sndbuf_getblksz()字节大小为块，重复将整个内存区域（sndbuf_getbuf()， sndbuf_getsize()）传输到设备。对于每个传输块回调pcm函数 chn_intr()（这通常在中断时间发生）。
chn_intr()安排将新数据拷贝到那些数据已传输到设备（现在空闲）的区域，并对 snd_dbuf结构进行适当的更新。

15.4.1.3. channel_init

调用xxxchannel_init()来初始化每个播放和录音通道。这个调用从声音驱动程序的连接例程中发起。（参看探测和连接一节）。

  static void *
  xxxchannel_init(kobj_t obj, void *data,
     struct snd_dbuf *b, struct pcm_channel *c, int dir)
  {
      struct xxx_info *sc = data;
      struct xxx_chinfo *ch;
       ...
      return ch;
   }

b为通道 struct snd_dbuf的地址。它应当在函数中通过调用sndbuf_alloc()来初始化。所用的缓冲区大小通常是设备'典型'传输大小的一个较小的倍数。

c为 pcm通道控制结构的指针。这是个不透明指针。函数应当将它保存到局部通道结构中，在后面调用 pcm函数（例如： chn_intr(c)）时会使用它。

dir指示通道方向（PCMDIR_PLAY或 PCMDIR_REC）。

函数应当返回一个指针，此指针指向用于控制此通道的私有区域。它将作为参数被传递到对其他通道接口的调用。

15.4.1.4. channel_setformat

xxxchannel_setformat()应当按特定通道，特定声音格式设置硬件。

  static int
  xxxchannel_setformat(kobj_t obj, void *data, u_int32_t format)
  {
      struct xxx_chinfo *ch = data;
       ...
      return 0;
   }

format为 AFMT_XXX value值之一（soundcard.h）。

15.4.1.5. channel_setspeed

xxxchannel_setspeed()按指定的取样速度设置通道硬件，并返回返回可能调整过的速度。

  static int
  xxxchannel_setspeed(kobj_t obj, void *data, u_int32_t speed)
  {
      struct xxx_chinfo *ch = data;
       ...
      return speed;
   }

15.4.1.6. channel_setblocksize

xxxchannel_setblocksize()设置块大小，这是pcm与声音驱动程序，以及声音驱动程序与设备之间的传输单位的大小。传输期间，每次传输这样大小的数据后，声音驱动程序都应当调用pcm的 chn_intr()。

大多数驱动程序只注意这儿的块大小，因为当实际传输开始时应该使用这个值。

  static int
  xxxchannel_setblocksize(kobj_t obj, void *data, u_int32_t blocksize)
  {
      struct xxx_chinfo *ch = data;
...
      return blocksize;
   }

函数返回可能调整过的块大小。如果块大小真的变化了，这种情况下应当调用sndbuf_resize()调整缓冲区的大小。

15.4.1.7. channel_trigger

xxxchannel_trigger()由 pcm来控制驱动程序中的实际传输操作。

  static int
  xxxchannel_trigger(kobj_t obj, void *data, int go)
  {
      struct xxx_chinfo *ch = data;
       ...
      return 0;
   }

go定义当前调用的动作。可能的值为：

PCMTRIG_START：驱动程序应当启动从/到通道缓冲区的数据传输。如果需要，应当通过 sndbuf_getbuf()和 sndbuf_getsize()检取缓冲区的基地址和大小。
PCMTRIG_EMLDMAWR / PCMTRIG_EMLDMARD：告诉驱动程序，输入或输出缓冲区可能已被更新过了。大多数驱动程序只是忽略这些调用。
PCMTRIG_STOP / PCMTRIG_ABORT：驱动程序应当停止当前的传输。

注意:

如果驱动程序使用ISA DMA，则应当在设备上执行动作前调用sndbuf_isadma()，并处理DMA芯片一方的事情。

15.4.1.8. channel_getptr

xxxchannel_getptr()返回传输缓冲区中当前的缓冲。它通常由chn_intr()调用，而且这也是为什么pcm知道它应当往哪儿传送新数据。

15.4.1.9. channel_free

调用xxxchannel_free()来释放通道资源，例如当驱动程序卸载时，并且如果通道数据结构是动态分配的，或者如果不使用sndbuf_alloc()进行缓冲区分配，则应当实现这个函数。

15.4.1.10. channel_getcaps

  struct pcmchan_caps *
  xxxchannel_getcaps(kobj_t obj, void *data)
  {
      return &xxx_caps;
   }

这个例程返回指向（通常静态定义的） pcmchan_caps结构的指针（在 sound/pcm/channel.h中定义）。这个结构保存着最小和最大采样频率和被接受的声音格式。任何声音驱动程序都可以作为一个范例。

15.4.1.11. 更多函数

channel_reset(), channel_resetdone()和 channel_notify()用于特殊目的，未与权威人士 (Cameron Grant)进行探讨之前不应当在驱动程序中实现它。

不赞成使用channel_setdir().

15.4.2. MIXER接口

15.4.2.1. mixer_init

xxxmixer_init()初始化硬件，并告诉 pcm什么混音器设备可用来播放和录音。

  static int
  xxxmixer_init(struct snd_mixer *m)
  {
      struct xxx_info   *sc = mix_getdevinfo(m);
      u_int32_t v;

      [初始化硬件]

      [为播放混音器设置v中适当的位]
      mix_setdevs(m, v);
      [为录音混音器设置v中适当的位]
      mix_setrecdevs(m, v)

      return 0;
  }

设置一个整数值中的位，并调用 mix_setdevs()和 mix_setrecdevs()来告诉 pcm存在什么设备。

混音器的位定义可以在soundcard.h中找到。（SOUND_MASK_XXX值和 SOUND_MIXER_XXX移位）。

15.4.2.2. mixer_set

xxxmixer_set()为混音器设备设置音量级别 (level)。

  static int
  xxxmixer_set(struct snd_mixer *m, unsigned dev,
   unsigned left, unsigned right)
  {
      struct sc_info *sc = mix_getdevinfo(m);
      [设置音量级别(level)]
      return left | (right << 8);
  }

设备被指定为 SOUND_MIXER_XXX 值

在范围[0-100]之间指定音量值。零值应当让设备静音。

由于硬件(音量)级别(level)可能不匹配输入比例，会出现某些圆整，例程返回如上面所示的实际级别值（范围0-100内）。

15.4.2.3. mixer_setrecsrc

xxxmixer_setrecsrc()设定录音源设备。

  static int
  xxxmixer_setrecsrc(struct snd_mixer *m, u_int32_t src)
  {
      struct xxx_info *sc = mix_getdevinfo(m);

      [查看src中的非零位, 设置硬件]

      [更新src反映实际动作]
      return src;
   }

	期望的录音设备由一个位域指定.
	返回设置用来录音的实际设备。一些驱动程序只能设置一个录音设备。如果出现错误，函数应当返回-1。

15.4.2.4. mixer_uninit, mixer_reinit

xxxmixer_uninit()应当确保不会发出任何声音，并且如果可能则应当让混音器硬件断电。

xxxmixer_reinit()应当确保混音器硬件加电，并且恢复所有不受mixer_set()或 mixer_setrecsrc()控制的设置。

15.4.3. AC97接口

AC97由带有AC97编码解码器的驱动程序实现。它只有三个方法：

xxxac97_init()返回找到的 ac97编码解码器的数目。
ac97_read()与 ac97_write()读写指定的寄存器。

The AC97接口由 pcm中的AC97代码来执行高层操作。参看 sound/pci/maestro3.c或 sound/pci/下很多其他内容作为范例。

第 15 章 声音子系统