Linux音频了解

ALPHA I.MX6U 开发板支持音频，板上搭载了音频编解码芯片 WM8960，支持播放以及录音功能！

本章将会讨论如下主题内容。

⚫ Linux 下 ALSA 框架概述；

⚫ alsa-lib 库介绍；

⚫ alsa-lib 库移植；

⚫ alsa-lib 库的使用；

⚫ 音频应用编程之播放；

⚫ 音频应用编程之录音

ALSA概述

ALSA 是 Advanced Linux Sound Architecture（高级的 Linux 声音体系）的缩写，目前已经成为了 linux下的主流音频体系架构，提供了音频和 MIDI 的支持，替代了原先旧版本中的 OSS（开发声音系统）；ALSA 是 Linux 系统下一套标准的、先进的音频驱动框架，那么这套框架的设计本身是比较复杂的，采用分离、分层思想设计而成。

在应用层，ALSA 为我们提供了一套标准的 API，应用程序只需要调用这些 API 就可完成对底层音频硬

件设备的控制，譬如播放、录音等，这一套 API 称为 alsa-lib

对于我们来说，学习音频应用编程其实就是学习 alsa-lib 库函数的使用、如何基于 alsa-lib 库函数开发音频应用程序。

ALSA 提供了关于 alsa-lib 的使用说明文档，其链接地址为：ALSA project - the C library reference: Index, Preamble and License，

sound 设备节点

在 Linux 内核设备驱动层、基于 ALSA 音频驱动框架注册的 sound 设备会在/dev/snd 目录下生成相应的设备节点文件。

我们编写的应用程序，虽然是调用 alsa-lib 库函数去控制底层音频硬件，但最终也是落实到对 sound

设备节点的 I/O 操作，只不过 alsa-lib 已经帮我们封装好了，在 Linux 系统的/proc/asound 目录下，有很多的文件，这些文件记录了系统中声卡相关的信息。

编写一个简单地 alsa-lib 应用程序

对于 alsa-lib 库的使用，ALSA 提供了一些参考资料来帮助应用程序开发人员快速上手 alsa-lib、基于

alsa-lib 进行应用编程，以下笔者给出了链接：

ALSA Programming HOWTO v.0.0.8

ALSA project - the C library reference: Examples

第一份文档向用户介绍了如何使用 alsa-lib 编写简单的音频应用程序，包括 PCM 播放音频、PCM 录音

等，笔者也是参考了这份文档来编写本章教程，对应初学者，建议大家看一看。

第二个链接地址是 ALSA 提供的一些示例代码，如下所示：

一些基本概念

• 样本长度（Sample）
• 声道数（channel）
• 帧（frame）
• 采样率（Sample rate）
• 交错模式（interleaved）
• 周期（period）
• 缓冲区（buffer）

音频设备底层驱动程序使用 DMA 来搬运数据，这个 buffer 中有 4 个 period，每当 DMA 搬运完一个period 的数据就会触发一次中断，因此搬运整个 buffer 中的数据将产生 4 次中断。

数据之间的传输

Over and Under Run

2.编写一个音频应用程序

2.1打开 PCM 设备

需要包含头文件<alsa/asoundlib.h>

int snd_pcm_open(snd_pcm_t **pcmp, const char *name, snd_pcm_stream_t stream, int mode)

⚫ pcmp：snd_pcm_t 用于描述一个 PCM 设备，所以一个 snd_pcm_t 对象表示一个 PCM 设备；

snd_pcm_open 函数会打开参数 name 所指定的设备，实例化 snd_pcm_t 对象，并将对象的指针（也

就是 PCM 设备的句柄）通过 pcmp 返回出来。

⚫ name：参数 name 指定 PCM 设备的名字。alsa-lib 库函数中使用逻辑设备名而不是设备文件名，命名方式为"hw:i,j"，i 表示声卡的卡号，j 则表示这块声卡上的设备号；譬如"hw:0,0"表示声卡 0 上的

PCM 设备 0，在播放情况下，这其实就对应/dev/snd/pcmC0D0p（如果是录音，则对应

/dev/snd/pcmC0D0c）。除了使用"hw:i,j"这种方式命名之外，还有其它两种常用的命名方式，譬如

"plughw:i,j"、"default"等，关于这些名字的不同，本章最后再向大家进行简单地介绍，这里暂时先

不去理会这个问题。

⚫ stream：参数 stream 指定流类型，有两种不同类型：SND_PCM_STREAM_PLAYBACK 和

SND_PCM_STREAM_CAPTURE ； SND_PCM_STREAM_PLAYBACK 表 示 播 放 ，SND_PCM_STREAM_CAPTURE 则表示采集。

⚫ mode：最后一个参数 mode 指定了 open 模式，通常情况下，我们会将其设置为 0，表示默认打开

模式，默认情况下使用阻塞方式打开设备；当然，也可将其设置为 SND_PCM_NONBLOCK，表示

以非阻塞方式打开设备。

关闭PCM设备API

int snd_pcm_close(snd_pcm_t *pcm);

2.2硬件参数设置

打开 PCM 设备之后，接着我们需要对设备进行设置，包括硬件配置和软件配置。软件配置就不再介绍

了，使用默认配置即可！我们主要是对硬件参数进行配置，譬如采样率、声道数、格式、访问类型、period周期大小、buffer 大小等。

snd_pcm_hw_params_t 数据类型描述PCM设备

在配置之前，需要实例化一个snd_pcm_hw_params_t对象。

snd_pcm_hw_params_t *hwparams = NULL;
//创建对象，申请内存
//方法一
snd_pcm_hw_params_malloc(&hwparams);
//方法二
snd_pcm_hw_params_alloca(&hwparams);//释放对象
void snd_pcm_hw_params_free(snd_pcm_hw_params_t *obj)

补充：

malloc和alloca区别

malloc和alloca都是用于动态分配内存的函数，但是它们有一些区别。

malloc是C标准库中的函数，它的作用是在堆上分配一块指定大小的内存区域，并返回该内存区域的地址。使用malloc分配的内存区域在程序运行期间一直存在，直到显式调用free函数释放该内存区域，或者程序结束时操作系统自动回收。

alloca是一个非标准的函数，它通常由编译器提供支持。它的作用是在栈上分配一块指定大小的内存区域，并返回该内存区域的地址。使用alloca分配的内存区域在函数返回时被自动释放，因此不需要显式调用free函数来释放内存。但是，由于alloca分配的内存区域在函数返回时被释放，因此不能在函数外部使用该内存区域。

在使用malloc和alloca时需要注意以下几点：

1. malloc可以分配任意大小的内存区域，而alloca只能分配栈大小范围内的内存区域。
2. malloc分配的内存区域需要手动释放，而alloca分配的内存区域在函数返回时会自动释放。
3. alloca分配的内存是存储在栈中的，而栈的大小是有限的。如果分配的内存区域过大，可能会导致栈溢出。
4. alloca是一个非标准的函数，不是所有的编译器都支持。如果需要在不同的编译器间移植代码，最好不要使用alloca。

因此，malloc和alloca适用于不同的场景。malloc适用于需要动态分配大量内存的场景，而alloca适用于需要动态分配小量内存的场景，并且内存区域的大小可以在编译期间确定。

初始化 snd_pcm_hw_params_t 对象

snd_pcm_hw_params_any(pcm_handle, hwparams);

对硬件参数进行设置

alsa-lib 提供了一系列的 snd_pcm_hw_params_set_xxx 函数用于设置 PCM 设备的硬件参数，同样也提供了一系列的 snd_pcm_hw_params_get_xxx 函数用于获取硬件参数。

(1)设置 access 访问类型：snd_pcm_hw_params_set_access()

int snd_pcm_hw_params_set_access(snd_pcm_t *pcm,
snd_pcm_hw_params_t * params,
snd_pcm_access_t access 
)

(2)设置数据格式：snd_pcm_hw_params_set_format()

(3)设置声道数：snd_pcm_hw_params_set_channels()

(4)设置采样率大小：snd_pcm_hw_params_set_rate()

(5)设置周期大小：snd_pcm_hw_params_set_period_size()

(6)设置 buffer 大小：snd_pcm_hw_params_set_buffer_size()

(7)安装/加载硬件配置参数：snd_pcm_hw_params()

2.3读/写数据

//播放
snd_pcm_sframes_t snd_pcm_writei(snd_pcm_t *pcm,
const void *buffer,
snd_pcm_uframes_t size
)
//录音
snd_pcm_sframes_t snd_pcm_readi(snd_pcm_t *pcm,
void *buffer,
snd_pcm_uframes_t size
)
//注意;参数 buffer 指的是应用程序的缓冲区,不要与驱动层的环形缓冲区搞混了

阻塞与非阻塞

调用 snd_pcm_open()打开设备时，若指定为阻塞方式，则调用 snd_pcm_readi/snd_pcm_writei 以阻塞方式进行读/写。对于 PCM 录音来说，当 buffer 缓冲区中无数据可读时，调用 snd_pcm_readi()函数将会阻塞，直到音频设备向 buffer 中写入采集到的音频数据；同理，对于 PCM 播放来说，当 buffer 缓冲区中的数据满时，调用 snd_pcm_writei()函数将会阻塞，直到音频设备从 buffer 中读走数据进行播放。

若调用 snd_pcm_open()打开设备时，指定为非阻塞方式，则调用 snd_pcm_readi/snd_pcm_writei 以非阻塞方式进行读/写。对于 PCM 录音来说，当 buffer 缓冲区中无数据可读时，调用 snd_pcm_readi()不会阻塞、而是立即以错误形式返回；同理，对于 PCM 播放来说，当 buffer 缓冲区中的数据满时，调用 snd_pcm_writei()函数也不会阻塞、而是立即以错误形式返回。

snd_pcm_readn 和 snd_pcm_writen

snd_pcm_readi/snd_pcm_writei 适用于交错模式（interleaved）读/写数据，如果用户设置的访问类型并不是交错模式，而是非交错模式（non interleaved），此时便不可再使用 snd_pcm_readi/snd_pcm_writei 进行读写操作了，而需要使用 snd_pcm_readn 和 snd_pcm_writen 进行读写。

3.编写播放器代码