ALSA驱动抽象：ASoc理解与分析

最近一直在研究 ALSA 驱动，停了一段时间，突然发现Asla 驱动不是一天两天能讲清楚的。

1. ASoC 概述

ASoC (ALSA System on Chip) ，是建立在标准ALSA驱动层上，为了更好地支持嵌入式处理器和移动设备中的音频Codec的一套软件体系。在ASoc出现之前，内核对于SoC中的音频已经有部分的支持，不过会有一些局限性：

Codec驱动与SoC CPU的底层耦合过于紧密，这种不理想会导致代码的重复。

音频事件没有标准的方法来通知用户，例如耳机、麦克风的插拔和检测，这些事件在移动设备中是非常普通的，而且通常都需要特定于机器的代码重新对音频路劲进行配置。

当进行播放或录音时，驱动会让整个codec处于上电状态，这对于PC没问题，但对于移动设备来说，这意味着浪费大量的电量。同时也不支持通过改变过取样频率和偏置电流来达到省电的目的。

ASoC正是为了解决上述种种问题而提出的，目前已经被整合至内核的代码树中：sound/soc。ASoC不能单独存在，他只是建立在标准ALSA驱动上的一个它必须和标准的ALSA驱动框架相结合才能工作。

2. 硬件架构

嵌入式设备的音频系统可以被划分为板载硬件（Machine）、Soc（Platform）、Codec三大部分，如下图所示：

Machine ：是指某一款机器，可以是某款设备，某款开发板，由此可以看出Machine几乎是不可重用的，每个Machine上的硬件实现可能都不一样，CPU不一样，Codec不一样，音频的输入、输出设备也不一样，Machine为CPU、Codec、输入输出设备提供了一个载体。

Platform：一般是指某一个SoC平台，比如s3cxxxx，与音频相关的通常包含该SoC中的时钟、DMA、I2S、PCM等等，只要指定了SoC，那么我们可以认为它会有一个对应的Platform，它只与SoC相关，与Machine无关，这样我们就可以把Platform抽象出来，使得同一款SoC不用做任何的改动，就可以用在不同的Machine中。实际上，把Platform认为是某个SoC更好理解。

Codec：字面上的意思就是编解码器，Codec里面包含了I2S接口、D/A、A/D、Mixer、PA（功放），通常包含多种输入（Mic、Line-in、I2S、PCM）和多个输出（耳机、喇叭、听筒，Line-out），Codec和Platform一样，是可重用的部件，同一个Codec可以被不同的Machine使用。嵌入式Codec通常通过I2C对内部的寄存器进行控制。

注释：对于现在的很多嵌入式平台，内部集成了codec,我们在分析时也可以将其划分到codec 上，不同的Soc 内部Codec 有所不同，同时亦可兼容内部codec 和 外部Codec。

3. 软件架构

在软件层面，ASoC也把嵌入式设备的音频系统同样分为3大部分，Machine，Platform和Codec。

Machine: Machine 驱动负责处理机器特有的一些控件和音频事件（例如，当播放音频时，需要先行打开一个放大器）；单独的Platform 和 Codec驱动是不能工作的，它必须由Machine驱动把它们结合在一起才能完成整个设备的音频处理工作。

Platform：它包含了该SoC平台的音频 DMA 和音频接口的配置和控制（I2S，PCM，AC97等等）；它也不能包含任何与板子或机器相关的代码。

Codec : ASoC 中的一个重要设计原则就是要求Codec驱动是平台无关的，它包含了一些音频的控件（Controls），音频接口，DAMP（动态音频电源管理）的定义和某些Codec IO功能。为了保证硬件无关性，任何特定于平台和机器的代码都要移到 Platform 和Machine驱动中。所有的Codec驱动都要提供以下特性：

Codec DAI 和 PCM的配置信息；Codec的IO控制方式（I2C，SPI等）；Mixer和其他的音频控件；Codec的ALSA音频操作接口；

必要时，也可以提供以下功能：

DAPM描述信息；

DAPM事件处理程序；

DAC数字静音控制

4. ASOC 分析

4.1 硬件抽象

通常一个声卡设备，大概包含以下几个物理设备或者外设：

Codec：音频编解码控制器，可以是内部Codec（soc 集成），也可以是外部Codec. Codec 通过支持音频编解码，包括模拟麦或者spk, 有的甚至支持数字麦。

AMIC/SPK/DMIC：纯硬件电路。麦克风或者spk,软件无需干预。

DMA：对于硬件设备的数据量，大多数情况都是通过dma 搬运来提高效率。

cpu：整个soc 平台，主要提供音频通信接口来实现和codec 传输。比如（I2S/PDM等）

DAI：音频接口，抽象概念，比如I2S等。

Card：抽象概念，声卡。

Capture：抽象概念，表示录音设备

Playback：抽象概念，表示软件设备

对于大多数平台，dma 和 i2s/pdm 等集成在一个soc 上，有些甚至集成了Codec。

4.2 音频数据流

音频数据的数据流，大致如下。我们可以看到，不同的硬件平台，其声卡设备的硬件逻辑和数据流大致一致，故抽象ASoc 很有必要。

4.3 ASoc 软件抽象

如下是笔者根据自己理解划分 Alsa 声卡驱动各个部分：

Machine：驱动顶层和入口，处理声卡操作。包括声卡创建，音频流的传输与控制。

platform：主要负责Soc 平台的DMA 和 CPU_DAI 操作。

Codec：主要负责Codec driver 和 Codec_dai 操作。

可以看到一个ALSA 声卡驱动是十分复杂的，包含了各种复杂驱动。

codec driver：音频配置和传输

dma：dma 处理

dai：i2s等接口配置

pcm：和上层应用交互的中间层

control：和上层应用交互的中间层

其他：比如i2c/spi ,codec 控制操作。

4.4 ASoc 驱动分析

我们以 linux-kernel-4.4.94 为例子来分析 ASoc 驱动。限于篇幅，我们只分析 Machine 驱动框架，对于Codec 驱动和其他设备驱动，有时间再分析。

ASoc Machine 驱动调用如下：

/* ASoC platform driver */
static struct platform_driver soc_driver = {
        .driver         = {  
                .name           = "soc-audio",
                .pm             = &snd_soc_pm_ops,
        },
        .probe          = soc_probe,        .remove         = soc_remove,
};

 

最顶层入口是soc_probe,位于 sound/soc/soc-core.c，不同的Machine 位置可能不同。大部分在soc/xxx/下。

 

/* probes a new socdev */
static int soc_probe(struct platform_device *pdev)
{
        struct snd_soc_card *card = platform_get_drvdata(pdev);

        /*
        ¦* no card, so machine driver should be registering card
        ¦* we should not be here in that case so ret error
        ¦*/
        if (!card)
                return -EINVAL;

        dev_warn(&pdev->dev,
                ¦"ASoC: machine %s should use snd_soc_register_card()
",
                ¦card->name);

        /* Bodge while we unpick instantiation */
        card->dev = &pdev->dev;

        return snd_soc_register_card(card);
}

 

最关键的就是 snd_soc_register_card 这个函数了。详细分析看上图uml 时许图。

4.5 ASoc 数据结构

ASoc 数据结构如上图。最顶层我们构建了snd_soc_card。贯穿整个驱动生命周期中，snd_soc_pcm_runtime，至关重要。

dai_link 关联着dai_driver 和 compoent_driver

snd_soc_codec：codec 相关

snd_soc_paltform：platform 相关

snd_soc_dai：cpu_dai 和 codec_dai 相关操作

snd_soc_component：关联dai_driver 和 component_driver。关联platform_driver 和 component_driver

snd_soc_ops/snd_soc_dai_ops/snd_pcm_ops：比较关键的几个ops

对于刚开始学习ASLA 驱动时，我们先关注这几个结构体就行。后续将从音频流和控制两大块，详细分析整个数据流和控制的调用过程。

5. 总结

本文详细的介绍了ALSA 驱动最关键的一环ASoC ，理解了ASoc 顶层设计框架对于我们后续深入学习ASLA 驱动至关重要。

当我们熟悉了一个平台的驱动框架后，再去看另外一个平台就知道哪些是我们需要关注的，哪些是linux 内核已经实现的，从而达到事半功倍的作用。

希望本文，对读者朋友学习理解Alsa 驱动有所帮助！

　　审核编辑：汤梓红