Linux内核音频驱动

本文以I2S接口为例介绍Linux内核音频相关知识。

下面是音频调试中常见的名词缩略语。

1、AEC（AcousticEchoCancellor）：回声消除。

2、AGC（AutomaticGainControl）：自动增益补偿，调整MIC收音量。

3、ALSA（AdvancedLinuxSoundArchitecture）：高级Linux声音架构。

4、ANS（AutomaticNoiseSuppression）：背景噪音抑制，ANS可探测出背景固定频率的杂音并消除背景噪音。

5、BCK（BitClockLine）：位时钟，对应数字音频的每一位数据。标准称为SCK（SerialClock），串行时钟。SCK=2x采样频率x采样位数

6、DAI（DigitalAudioInterface）：数字音频接口。

7、DAPM（DynamicAudioPowerManagement）：动态电源管理，DAPM可使基于linux的移动设备上的音频子系统，在任何时候都工作在最小功耗状态。

8、DRC（DynamicRangeControl）：动态压缩，将音频输出控制在一定范围内。

9、EQ（Equaliser）：均衡器，通过对声音某一个或多个频段进行增益或衰减，达到调整音色的目的。

10、I2S（Inter-ICSound）：IC间传输数字音频资料的一种接口标准，采用序列的方式传输2组（左右声道）资料。

11、LRCK（Left-RightClock）：帧时钟，用于切换左右声道数据，0：左声道；1：右声道。标准称为WS(WorldSelect)，声道选择；或称为FS（FrameSync），帧同步；LRCK的频率=采样频率。

12、MCLK（MasterClock）：主时钟，一般MCLK=256*LRCK。不是I2S标准中的一部分，主要用来同步模拟/数字转换器的内部操作。

13、Mono：单声道。

14、OSS(OpenSoundSystem)：开放声音系统。

15、PCM（PulseCodeModulation）：脉冲编码调制，I2S是PCM的子集。

16、ramp：逐步增加或减少音量等级，避免声音急速变化，用于暂停或恢复音乐。

17、Stereo：双声道

18、TDM（TimeDivisionMultiplexing）：时分复用。I2S最多只能传2声道数据，TDM最多支持16通道。

I2S是飞利浦定义的数字音频传输标准，用于数字音频数据在系统内部器件之间传输。

I2S是PCM的一个分支，接口定义相同。I2S的采样率一般为44.1/48KHZ，PCM采样频率一般为8/16KHZ等。

I2S接口有4组信号：SCK(位时钟)、LRCK(帧时钟)、SDI/SDO（数据）。

在I2S总线上，只能同时存在一个主设备和发送设备，主设备可以是发送设备或接收设备。常见的I2S框图如下：

I2S接口常见的协议模式包括：I2S正常模式、I2S左对齐模式和I2S右对齐模式等。

1、I2S正常模式

I2S正常模式属于I2S左对齐中的一种特例，也叫Philips模式。下图是I2S正常模式的波形。

LRCK（i2s_LRCK_rx/i2s_LRCK_tx）信号变低表示左声道，变高表示右声道。

SD（i2s_sdo，i2s_sdi）信号首先传输MSB或LSB，并在LRCK改变后的一个SCLK时钟周期发送第一个bit。

SD信号宽度的范围是从16到32位。

2、I2S左对齐模式

下图是I2S左对齐模式的波形。

LRCK（i2s_LRCK_rx/i2s_LRCK_tx）信号变高表示左声道，变低表示右声道。

SD（i2s_sdo，i2s_sdi）信号首先传输MSB或LSB，并在LRCK改变的同时发送第一个bit。

SD信号宽度的范围是从16到32位。

3、I2S右对齐模式

下图是I2S右对齐模式的波形。

LRCK（i2s_LRCK_rx/i2s_LRCK_tx）信号变高表示左通道，变低表示右通道。

SD（i2s_sdo、i2s_sdi）信号首先传输MSB或LSB，与I2S正常或左对齐模式不同，其数据与LRCK信号的边缘处的最后一位对齐。

SD信号宽度范围从16到32位。

其他协议格式还有：PCMearlymode、PCMlate1mode和PCMlate2mode等。

Linux内核2.6之后，ALSA取代了OSS成为了Linux内核音频子系统是一部分。

ALSA系统包括：

1、alsa-driver：alsa系统驱动。

2、alsa-lib：alsa库，用户空间调用，和内核空间交互。

3、alsa-utils：命令行工具。

4、alsa-plugin：alsa插件。

5、alsa-tools：alsa工具。

ALSA框架组成如下：

alsa-driver中相关功能如下（以rockchip4a单板为例）：

1、Codec：音频芯片共有的部分，包括codec初始化函数，控制接口，寄存器缓存，控件，dapm部件，音频路由，偏置电压设置函数等描述信息。

Rockchip4A单板，Codec选用的是ES8316芯片，该芯片的dts配置如下：

2、CodecDAI：codec上的音频接口驱动描述，包括:时钟配置，格式配置，能力描述等。

CodecDAI相关实现如下：

3、CPUDAI：指SoC的I2S、PCM总线控制器，负责把音频数据从I2StxFIFO搬运到codec。

RK3399CPUDAI的dts相关配置如下：

4、DAILink：音频数据链路，它指定链路用到的codec、codec_dai、cpu_dai和platform。

内核支持两种方式创建声卡：一种是通用的simple-cardframework；一种是传统的编写自定义的machinedriver来创建。

Simplecard是简单通用的machinedriver，如果simple-card框架足够满足需求，可优先选择simplecard框架。

DAILink的dts相关配置如下：

DAILink的相关实现如下：

5、DAPM：动态电源管理，是基于kcontrol改进过后的相应框架，增加了相应的电源管理机制，widget是DAPM的基本单位。

Codec（es8316）中kcontrol、dapmwidget和dapmroutes的相关实现如下：

6、DMA：负责把dmabuffer中的音频数据搬运到I2StxFIFO。

ALSA是Linux处理音频的基本接口，但ALSA只提供基层的接口，操作较为繁复，一般情况下可以直接使用其附带提供的utils工具集，utils工具集是一些封装好了的功能模块，直接以命令的方式提供，用户只需要敲入相关命令和参数即可实现音频操作功能。

1、查看声卡信息

root@xiaotianbsp:~ls-l/dev/snd/total0drwxr-xr-x2rootroot80Aug1614:43by-pathcrw-rw----+1rootaudio116,2Aug1614:43controlC0crw-rw----+1rootaudio116,5Aug1614:43controlC1crw-rw----+1rootaudio116,4Aug1614:43pcmC0D0ccrw-rw----+1rootaudio116,3Aug1614:43pcmC0D0pcrw-rw----+1rootaudio116,6Aug1614:43pcmC1D0pcrw-rw----+1rootaudio116,1Aug1614:43seqcrw-rw----+1rootaudio116,33Aug1614:43timer

controlCx：控制接口，提供灵活的方式管理注册的声卡和对存在的声卡进行查询。

pcmCxDxc：PCM接口，对应录音设备。

pcmCxDxp：PCM接口，对应放音设备。

timer：支持声音的同步事件提供声卡上的定时器。

seq：音序器接口，一个比原始MIDI接口高级的MIDI编程和声音同步高层接口。

2、查看声卡采集、播放PCM信息

root@xiaotianbsp:~cat/proc/asound/

4、查看声卡0的信息

root@xiaotianbsp:~cat/sys/kernel/debug/regmap/1-0011/namees8316root@xiaotianbsp:~cat/sys/kernel/debug/regmap//registers00:0000000f04:0000000f08:00033f3f0c:0000000010:000f001014:01f0000018:XXXXXXXX1c:0000000020:XXXXXXXX28:00000000es8316寄存器root@xiaotianbsp:~cat/sys/kernel/debug/clk/clk_summary|grepi2s0clk_i2s0_div10clk_i2s0_frac111128960000clk_i2s0_mux111128960000clk_i2s0121128960000hclk_i2s01210000000000

7、amixer命令

root@xiaotianbsp:~amixer-c0contentsnumid=16,iface=MIXER,name='ADCDoubleFSMode';type=BOOLEAN,access=rw------,values=1:values=offnumid=14,iface=MIXER,name='ADCSoftRamp';type=BOOLEAN,access=rw------,values=1:values=onnumid=13,iface=MIXER,name='ADCCaptureVolume';type=INTEGER,access=rw---R--,values=1,min=0,max=192,step=0:values=192|dBscale-min=-96.00dB,step=0.50dB,mute=1numid=15,iface=MIXER,name='CapturePolarity';type=ENUMERATED,access=rw------,values=1,items=2;Item1'Invert':values=0

7.2查看和配置某个numid命令

查看root@xiaotianbsp:~amixer-c0csetnumid=16onnumid=16,iface=MIXER,name='ADCDoubleFSMode';type=BOOLEAN,access=rw------,values=1:values=on

8、设备名

root@xiaotianbsp:~0:subdevice0:subdevicearecord-l****ListofCAPTUREHardwareDevices****card0:rockchipes8316c[rockchip,es8316-codec],device0:[]Subdevices:1/1Subdevice0

9、放音

aplay-Dhw:0,0-r44100-c2-fs16_

10、录音

arecord-Dhw:0,0-r16000-c1-fs16_

-D：播放设备，aplay-l或arecord-l列出的设备名

-r：采样率

-c：音频文件通道

-f：采样格式，常用的有S16_LE,S24_LE,S32_LE,cd（可忽略）

也可参考tinyalsa命令，如：tinymix、tinypcminfo、tinyplay和tinycap的用法。

11、mp3转wav