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ALSA架構簡介和ALSA學習

阿新 • • 發佈：2019-01-26

ALSA （Advanced Linux Sound Architecture（高階Linux聲音體系）的縮寫）是為音效卡提供驅動的Linux核心元件，以替代原先的OSS（開放聲音系統）。ALSA除了像OSS那樣提供一組核心驅動程式模組以外，還專門為簡化應用程式的編寫提供了相應的庫函式，與OSS提供的基於ioctl的原始程式設計介面相比，ALSA函式庫使用起來要更加方便一點。

ALSA的主要特點如下：

支援多種音效卡裝置。

模組化的核心驅動程式。

支援SMP和多執行緒。

提供應用開發函式庫以簡化應用程式開發。

支援OSS API，相容OSS應用程式。

ALSA具有更加友好的程式設計介面，並且完全兼容於

OSS，對應用程式來講無疑是一個更佳地選擇。ALSA系統包括驅動包alsa-driver,開發包alsa-libs，開發包外掛alsa-libplugins，設定管理工具包alsa-utils，其他聲音相關處理小程式包alsa-tools，特殊音訊韌體支援包alsa-firmware，OSS介面相容模擬層工具alsa-oss共7個子專案，其中只有驅動包是必須的。

alsa-driver指核心驅動程式，包括硬體相關的程式碼和一些公共程式碼，非常龐大。alsa-libs指使用者空間的函式庫，提供給應用程式使用，應用程式應包括標頭檔案asoundlib.h。並使用共享庫libasound.so。

alsa-utils

包含一些基於ALSA的用於控制音效卡的應用程式，如alsaconf（偵測系統中音效卡並寫一個適合的ALSA配置檔案），aplay（基於命令列的聲音檔案播放），arecord（基於命令列的聲音檔案錄製）等。

目前ALSA核心提供給使用者空間的介面有：

資訊介面（proc/asound）

控制介面（dev/snd/controlCX）

混音器介面（dev/snd/mixerCXDX）

PCM介面（dev/snd/pcmCXDX）

Raw迷笛介面（dev/snd/midiCXDX）

音序器介面（dev/snd/seq）

定時器介面（dev/snd/timer）

和OSS類似，上述介面也以檔案的方式被提供，不同的是這些介面被提供給

alsa-lib使用，而不是直接給應用程式使用的。應用程式最好使用alsa-lib，或者更高階的介面。

下圖所示為ALSA音效卡驅動與使用者空間體系結構的簡圖，從中可以看出ALSA核心驅動與使用者空間庫及OSS之間的關係

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

一 . 介紹

      ALSA 標準是一個先進的 linux 聲音體系。它包含核心驅動集合， API 庫和工具對 Linux 聲音進行支援。 ALSA 包含一系列核心驅動對不同的音效卡進行支援，還提供了 libasound 的 API 庫。用這些進行寫程式不需要開啟裝置等操作，所以程式設計人員在寫程式的時候不會被底層的東西困擾。與此相反 OSS/Free 驅動在核心層次呼叫，需要指定裝置名和呼叫 ioctl 。為提供向後相容， ALSA 提供核心模組模仿 OSS/Free 驅動，所以大多數的程式不需要改動。 ALSA 擁有呼叫外掛的能力對新裝置提供擴充套件，包括那些用軟體模擬出來的虛擬裝置。 ALSA 還提供一組命令列工具包括   mixer, sound file player 和工具控制一些特別的音效卡的特別的作用。

二 .ALSA 體系：

ALSA API 被主要分為以下幾種介面：

l控制介面：提供靈活的方式管理註冊的音效卡和對存在的音效卡進行查詢。

lPCM 介面：提供管理數字音訊的捕捉和回放。

l原始 MIDI 介面 : 支援 MIDI (Musical Instrument Digital Interface), 一種標準電子音樂指令集。 這些 API 提供訪問音效卡上的 MIDI 匯流排。這些原始藉口直接工作在 The  MIDI 事件上，程式設計師只需要管理協議和時間。

l記時介面 : 為支援聲音的同步事件提供訪問音效卡上的定時器。

l音序器介面：一個比原始 MIDI 介面高階的 MIDI 程式設計和聲音同步高層介面。它可以處理很多的 MIDI 協議和定時器。

l混音器介面：控制傳送訊號和控制聲音大小的音效卡上的裝置。

三 . 音效卡的快取和資料的傳輸：

一塊音效卡有一個音效卡記憶體用來儲存記錄的樣本。當它被寫滿時就產生中斷。核心驅動就使用 DMA 將資料傳輸到記憶體中。同樣地，當在播放時就將記憶體中的聲音樣本使用 DMA 傳到音效卡的記憶體中！

音效卡的快取是環狀的，這裡只討論應用程式中的記憶體結構： ALSA 將資料分成連續的片段然後傳到按單元片段傳輸。

四：典型的聲音程式結構：

        open interface for capture or playback

        set hardware parameters

        (access mode, data format, channels, rate, etc.)

        while there is data to be processed:

        read PCM data (capture)

         or write PCM data (playback)

        close interface

五 . 一些例子：

1. 顯示一些 PCM 的型別和格式 :

#include <iostream>

#include <alsa/asoundlib.h>

int main()

{

       std::cout << "ALSA library version: " << SND_LIB_VERSION_STR << std::endl;

       std::cout << "PCM stream types: " << std::endl;

       for (int val=0; val <= SND_PCM_STREAM_LAST; ++val)

              std::cout << snd_pcm_stream_name((snd_pcm_stream_t)val) << std::endl;

       std::cout << std::endl;

       std::cout << "PCM access types: " << std::endl;

       for (int val=0; val <= SND_PCM_ACCESS_LAST; ++val)

              std::cout << snd_pcm_access_name((snd_pcm_access_t)val) << std::endl;

       std::cout << std::endl;

       std::cout << "PCM subformats: " << std::endl;

       for (int val=0; val <= SND_PCM_SUBFORMAT_LAST; ++val)

              std::cout << snd_pcm_subformat_name((snd_pcm_subformat_t)val) << " (" << snd_pcm_subformat_description((snd_pcm_subformat_t)val) << ")" << std::endl;

       std::cout << std::endl;

       std::cout << "PCM states: " << std::endl;

       for (int val=0; val <= SND_PCM_STATE_LAST; ++val)

              std::cout << snd_pcm_state_name((snd_pcm_state_t)val) << std::endl;

       std::cout << std::endl;

       std::cout << "PCM formats: " << std::endl;

       for (int val=0; val <= SND_PCM_FORMAT_LAST; ++val)

              std::cout << snd_pcm_format_name((snd_pcm_format_t)val) << " (" << snd_pcm_format_description((snd_pcm_format_t)val) << ")" << std::endl;

       std::cout << std::endl;

}

2. 開啟 PCM 裝置和設定引數

#include <iostream>

#include <alsa/asoundlib.h>

int main()

{

       int                               rc;

       snd_pcm_t*                         handle;

       snd_pcm_hw_params_t*      params;

       unsigned int                  val, val2;

       int                               dir;

       snd_pcm_uframes_t             frames;

       if ( (rc = snd_pcm_open(&handle, "default", SND_PCM_STREAM_PLAYBACK, 0)) < 0)

       {

              std::cerr << "unable to open pcm devices: " << snd_strerror(rc) << std::endl;

              exit(1);

       }

       snd_pcm_hw_params_alloca(&params);

       snd_pcm_hw_params_any(handle, params);

       snd_pcm_hw_params_set_access(handle, params, SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED);

       snd_pcm_hw_params_set_format(handle, params, SND_PCM_FORMAT_S16_LE);

       snd_pcm_hw_params_set_channels(handle, params, 2);

       val = 44100;

       snd_pcm_hw_params_set_rate_near(handle, params, &val, &dir);

       if ( (rc = snd_pcm_hw_params(handle, params)) < 0)

       {

              std::cerr << "unable to set hw parameters: " << snd_strerror(rc) << std::endl;

              exit(1);

       }

       std::cout << "PCM handle name = " << snd_pcm_name(handle) << std::endl;

       std::cout << "PCM state = " << snd_pcm_state_name(snd_pcm_state(handle)) << std::endl;

       snd_pcm_hw_params_get_access(params, (snd_pcm_access_t *)&val);

       std::cout << "access type = " << snd_pcm_access_name((snd_pcm_access_t)val) << std::endl;

       snd_pcm_hw_params_get_format(params, (snd_pcm_format_t*)(&val));

       std::cout << "format = '" << snd_pcm_format_name((snd_pcm_format_t)val) << "' (" << snd_pcm_format_description((snd_pcm_format_t)val) << ")" << std::endl;

      snd_pcm_hw_params_get_subformat(params, (snd_pcm_subformat_t *)&val);

      std::cout << "subformat = '" <<

    snd_pcm_subformat_name((snd_pcm_subformat_t)val) << "' (" << snd_pcm_subformat_description((snd_pcm_subformat_t)val) << ")" << std::endl;

      snd_pcm_hw_params_get_channels(params, &val);

      std::cout << "channels = " << val << std::endl;

       snd_pcm_hw_params_get_rate(params, &val, &dir);

      std::cout << "rate = " << val << " bps" << std::endl;

       snd_pcm_hw_params_get_period_time(params, &val, &dir);

      std::cout << "period time = " << val << " us" << std::endl;

      snd_pcm_hw_params_get_period_size(params, &frames, &dir);

      std::cout << "period size = " << static_cast<int>(frames) << " frames" << std::endl;

       snd_pcm_hw_params_get_buffer_time(params, &val, &dir);

      std::cout << "buffer time = " << val << " us" << std::endl;

       snd_pcm_hw_params_get_buffer_size(params, (snd_pcm_uframes_t *) &val);

      std::cout << "buffer size = " << val << " frames" << std::endl;

      snd_pcm_hw_params_get_periods(params, &val, &dir);

      std::cout << "periods per buffer = " << val << " frames" << std::endl;

       snd_pcm_hw_params_get_rate_numden(params, &val, &val2);

      std::cout << "exact rate = " << val/val2 << " bps" << std::endl;

      val = snd_pcm_hw_params_get_sbits(params);

      std::cout << "significant bits = " << val << std::endl;

      snd_pcm_hw_params_get_tick_time(params, &val, &dir);

      std::cout << "tick time = " << val << " us" << std::endl;

      val = snd_pcm_hw_params_is_batch(params);

      std::cout << "is batch = " << val << std::endl;

      val = snd_pcm_hw_params_is_block_transfer(params);

      std::cout << "is block transfer = " << val << std::endl;

      val = snd_pcm_hw_params_is_double(params);

      std::cout << "is double = " << val << std::endl;

       val = snd_pcm_hw_params_is_half_duplex(params);

      std::cout << "is half duplex = " << val << std::endl;

       val = snd_pcm_hw_params_is_joint_duplex(params);

      std::cout << "is joint duplex = " << val << std::endl;

       val = snd_pcm_hw_params_can_overrange(params);

      std::cout << "can overrange = " << val << std::endl;

      val = snd_pcm_hw_params_can_mmap_sample_resolution(params);

      std::cout << "can mmap = " << val << std::endl;

      val = snd_pcm_hw_params_can_pause(params);

      std::cout << "can pause = " << val << std::endl;

       val = snd_pcm_hw_params_can_resume(params);

      std::cout << "can resume = " << val << std::endl;

      val = snd_pcm_hw_params_can_sync_start(params);

      std::cout << "can sync start = " << val << std::endl;

       snd_pcm_close(handle);

      return 0;

}

3. 一個簡單的聲音播放程式

#include <iostream>

#include <alsa/asoundlib.h>

int main()

{

       long                             loops;

       int                               rc;

       int                                       size;

       snd_pcm_t*                         handle;

       snd_pcm_hw_params_t*      params;

       unsigned int                  val;

       int                               dir;

       snd_pcm_uframes_t             frames;

       char*                                  buffer;

       if ( (rc = snd_pcm_open(&handle, "default", SND_PCM_STREAM_PLAYBACK, 0)) < 0)

       {

              std::cerr << "unable to open pcm device: " << snd_strerror(rc) << std::endl;

              exit(1);

       }

       snd_pcm_hw_params_alloca(&params);

       snd_pcm_hw_params_any(handle, params);

       snd_pcm_hw_params_set_access(handle, params, SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED);

       snd_pcm_hw_params_set_format(handle, params, SND_PCM_FORMAT_S16_LE);

       snd_pcm_hw_params_set_channels(handle, params, 2);

       val = 44100;

       snd_pcm_hw_params_set_rate_near(handle, params, &val, &dir);

       frames = 32;

       snd_pcm_hw_params_set_period_size_near(handle, params, &frames, &dir);

       if ( (rc = snd_pcm_hw_params(handle, params)) < 0)

       {

              std::cerr << "unable to set hw paramseters: " << snd_strerror(rc) << std::endl;

              exit(1);

       }

       snd_pcm_hw_params_get_period_size(params, &frames, &dir);

       size = frames * 4;

       buffer = new char[size];

       snd_pcm_hw_params_get_period_time(params, &val, &dir);

       loops = 5000000 / val;

       while (loops > 0) {

              loops--;

              if ( (rc = read(0, buffer, size)) == 0)

              {

                     std::cerr << "end of file on input" << std::endl;

                     break;

              }

              else if (rc != size)

                     std::cerr << "short read: read " << rc << " bytes" << std::endl;

              if ( (rc = snd_pcm_writei(handle, buffer, frames)) == -EPIPE)

              {

                     std::cerr << "underrun occurred" << std::endl;

                     snd_pcm_prepare(handle);

              }

              else if (rc < 0)

                     std::cerr << "error from writei: " << snd_strerror(rc) << std::endl;

              else if (rc != (int)frames)

                     std::cerr << "short write, write " << rc << " frames" << std::endl;

       }

       snd_pcm_drain(handle);

       snd_pcm_close(handle);

       free(buffer);

       return 0;

}

4. 一個簡單的記錄聲音的程式

#include <iostream>

#include <alsa/asoundlib.h>

int main()

{

       long                             loops;

       int                                       rc;

       int                                       size;

       snd_pcm_t*                         handle;

       snd_pcm_hw_params_t*      params;

       unsigned int                  val;

       int                                       dir;

       snd_pcm_uframes_t             frames;

       char*                                  buffer;

       if ( (rc = snd_pcm_open(&handle, "default", SND_PCM_STREAM_CAPTURE, 0)) < 0)

       {

              std::cerr << "unable to open pcm device: " << snd_strerror(rc) << std::endl;

              exit(1);

       }

       snd_pcm_hw_params_alloca(&params);

       snd_pcm_hw_params_any(handle, params);

       snd_pcm_hw_params_set_access(handle, params, SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED);

       snd_pcm_hw_params_set_format(handle, params, SND_PCM_FORMAT_S16_LE);

       snd_pcm_hw_params_set_channels(handle, params, 2);

       val = 44100;

       snd_pcm_hw_params_set_period_size_near(handle, params, &frames, &dir);

       if ( (rc = snd_pcm_hw_params(handle, params)) < 0)

       {

              std::cerr << "unable to set hw parameters: " << snd_strerror(rc) << std::endl;

              exit(1);

       }

       snd_pcm_hw_params_get_period_size(params, &frames, &dir);

       size = frames * 4;

       buffer = new char[size];

       snd_pcm_hw_params_get_period_time(params, &val, &dir);

       loops = 5000000 / val;

       while (loops > 0)

       {

              loops --;

              rc = snd_pcm_readi(handle, buffer, frames);

              if (rc == -EPIPE)

              {

                     std::cerr << "overrun occurred" << std::endl;

                     snd_pcm_prepare(handle);

              }

              else if (rc < 0)

                     std::cerr << "error from read: " << snd_strerror(rc) << std::endl;

              else if ( rc != (int)frames)

                     std::cerr << "short read, read " << rc << " frames" << std::endl;

              rc = write(1, buffer, size);

              if (rc != size)

                     std::cerr << "short write: wrote " << rc << " bytes" << std::endl;

       }

       snd_pcm_drain(handle);

       snd_pcm_close(handle);

       free(buffer);

       return 0;

}

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