從零寫一個ALSA聲卡驅動學習(1)

前言：

本文檔描述了如何編寫 ALSA（高級 Linux 音頻架構）驅動程序。文檔主要聚焦于 PCI 聲卡的實現。對于其他類型的設備，可能會使用不同的 API。不過，至少 ALSA 的內核 API 是一致的，因此本文檔在編寫這些驅動時仍然具有一定的參考價值。 本指南面向那些已經具備足夠 C 語言技能并且掌握基本 Linux 內核編程知識的開發者。本文檔不會講解 Linux 內核編程的一般性內容，也不會涉及底層驅動實現的細節。它僅介紹在 ALSA 框架下編寫 PCI 聲卡驅動的標準方法。

內容參考學習鏈接文檔：

https://kernel.org/doc/html/latest/sound/kernel-api/writing-an-alsa-driver.html#header-files

File Tree Structure：

下面的文件結構是Linux內核關于sound目錄下的介紹：

sound/core/oss/seq/oss/include/drivers/mpu401/opl3/i2c/synth/emux/pci/(cards)/isa/(cards)/arm/ppc/sparc/usb/pcmcia /(cards)/soc/oss

  • core 目錄 ： 該目錄包含 ALSA 驅動的中間層，是 ALSA 驅動的核心。此目錄中存放的是 ALSA 的原生模塊。其子目錄包含了不同的模塊，并依賴于內核配置選項。

  • core/oss ?： 該目錄存放 OSS PCM 和混音器（mixer）仿真模塊的代碼。由于 OSS 的 rawmidi 仿真部分非常小，因此被直接包含在 ALSA 的 rawmidi 代碼中。序列器（sequencer）相關的 OSS 仿真代碼則位于 core/seq/oss 目錄（見下文）。

  • core/seq ?： 該目錄及其子目錄存放 ALSA 序列器（sequencer）相關代碼。它包含了序列器核心以及主要模塊，如 snd-seq-midi、snd-seq-virmidi 等。這些模塊僅在內核配置中啟用了 CONFIG_SND_SEQUENCER 時才會被編譯。

  • core/seq/oss ?： 此目錄包含 OSS 序列器仿真代碼。

  • include 目錄 ?： 該目錄用于存放 ALSA 驅動對用戶空間公開的頭文件，或供多個不同目錄中的文件共享使用。一般來說，私有頭文件不應放在這個目錄中，但你仍可能會在其中看到一些私有頭文件，這是歷史遺留問題所致。:)

  • drivers 目錄 ?：該目錄包含在不同平臺間共享的驅動代碼，因此它們不應具有架構相關性。例如，dummy PCM 驅動和串口 MIDI 驅動都位于此目錄。其子目錄中存放的是與總線或 CPU 架構無關的組件代碼。 drivers/mpu401 包含 MPU401 和 MPU401-UART 模塊。 drivers/opl3 與 opl4 包含 OPL3 和 OPL4 FM 合成器相關代碼。

  • i2c 目錄 ?：該目錄包含 ALSA 的 i2c 相關組件。雖然 Linux 系統本身有標準的 i2c 層，但某些聲卡只需要簡單的操作，而標準的 i2c API 過于復雜，因此 ALSA 對某些聲卡實現了自己的 i2c 代碼。

  • synth 目錄 ?：此目錄包含中間層的合成器模塊。目前，只有 Emu8000/Emu10k1 合成器驅動存放在 synth/emux 子目錄中。

  • pci 目錄 ?：此目錄及其子目錄存放 PCI 聲卡的頂層驅動模塊，以及與 PCI 總線相關的專用代碼。如果驅動只包含單個源文件，則直接放在 pci 目錄下；如果驅動包含多個源文件，則會單獨創建子目錄（例如 emu10k1、ice1712）。

  • isa 目錄 ?： 此目錄及其子目錄存放 ISA 聲卡的頂層驅動模塊。

  • arm、ppc 和 sparc 目錄 ?： 這些目錄用于存放特定于某一架構的頂層聲卡驅動模塊。

  • usb 目錄 ?： 該目錄包含 USB 音頻驅動。USB MIDI 驅動已經整合進了 USB 音頻驅動中。

  • pcmcia 目錄 ?： 該目錄用于存放 PCMCIA（尤其是 PCCard）驅動。由于 CardBus 的 API 與標準 PCI 卡相同，因此其驅動位于 pci 目錄中。

  • soc 目錄 ?： 該目錄包含 ASoC（ALSA SoC，系統級芯片）層的代碼，包括 ASoC 核心、編解碼器（codec）和 machine 驅動等。

  • oss 目錄 ?： 該目錄包含 OSS/Lite 代碼。截止目前，除了 m68k 架構下的 dmasound 之外，其他代碼均已被移除。

basic Flow for PCI Drivers:

PCI 聲卡驅動的最小實現流程如下：

  1. 定義 PCI ID 表（參見“PCI 條目”部分）。

  2. 創建 probe 回調函數（用于設備檢測和初始化）。

  3. 創建 remove 回調函數（用于設備移除時的清理操作）。

  4. 創建一個 struct pci_driver 結構體，包含上述三個函數指針（即：PCI ID 表、probe 和 remove 函數）。

  5. 創建初始化函數，該函數調用 pci_register_driver() 來注冊上面定義的 pci_driver 表。

  6. 創建退出函數，該函數調用 pci_unregister_driver() 來注銷該驅動。

Full Code Example：

下面展示了一個代碼示例。目前有些部分尚未實現，但會在接下來的章節中補充完成。 在 snd_mychip_probe() 函數中的注釋行里標注的數字，對應的是下一節中將詳細解釋的內容。

#include <linux/init.h>
#include <linux/pci.h>
#include <linux/slab.h>
#include <sound/core.h>
#include <sound/initval.h>/* module parameters (see?"Module Parameters") */
/* SNDRV_CARDS: maximum number of cards supported by this module */
static int index[SNDRV_CARDS] = SNDRV_DEFAULT_IDX;
static char *id[SNDRV_CARDS] = SNDRV_DEFAULT_STR;
static bool?enable[SNDRV_CARDS] = SNDRV_DEFAULT_ENABLE_PNP;/* definition of the chip-specific record */
struct mychip {struct snd_card *card;/* the rest of the implementation will be?in?section*?"PCI Resource Management"*/
};/* chip-specific destructor* (see?"PCI Resource Management")*/
static int snd_mychip_free(struct mychip *chip)
{.... /* will be implemented later... */
}/* component-destructor* (see?"Management of Cards and Components")*/
static int snd_mychip_dev_free(struct snd_device *device)
{return?snd_mychip_free(device->device_data);
}/* chip-specific constructor* (see?"Management of Cards and Components")*/
static int snd_mychip_create(struct snd_card *card,struct pci_dev *pci,struct mychip **rchip)
{struct mychip *chip;int err;static const struct snd_device_ops ops = {.dev_free = snd_mychip_dev_free,};*rchip = NULL;/* check PCI availability here* (see?"PCI Resource Management")*/..../* allocate a chip-specific data with zero filled */chip = kzalloc(sizeof(*chip), GFP_KERNEL);if?(chip == NULL)return?-ENOMEM;chip->card = card;/* rest of initialization here; will be implemented* later, see?"PCI Resource Management"*/....err = snd_device_new(card, SNDRV_DEV_LOWLEVEL, chip, &ops);if?(err < 0) {snd_mychip_free(chip);return?err;}*rchip = chip;return?0;
}/* constructor -- see?"Driver Constructor"?sub-section */
static int snd_mychip_probe(struct pci_dev *pci,const struct pci_device_id *pci_id)
{static int dev;struct snd_card *card;struct mychip *chip;int err;/* (1) */if?(dev >= SNDRV_CARDS)return?-ENODEV;if?(!enable[dev]) {dev++;return?-ENOENT;}/* (2) */err = snd_card_new(&pci->dev, index[dev], id[dev], THIS_MODULE,0, &card);if?(err < 0)return?err;/* (3) */err = snd_mychip_create(card, pci, &chip);if?(err < 0)goto error;/* (4) */strcpy(card->driver,?"My Chip");strcpy(card->shortname,?"My Own Chip 123");sprintf(card->longname,?"%s at 0x%lx irq %i",card->shortname, chip->port, chip->irq);/* (5) */.... /* implemented later *//* (6) */err = snd_card_register(card);if?(err < 0)goto error;/* (7) */pci_set_drvdata(pci, card);dev++;return?0;error:snd_card_free(card);return?err;
}/* destructor -- see the?"Destructor"?sub-section */
static void snd_mychip_remove(struct pci_dev *pci)
{snd_card_free(pci_get_drvdata(pci));
}

驅動構造函數：

PCI 驅動的真正構造函數是 probe 回調函數。由于 PCI 設備可能是熱插拔設備，因此 probe 回調函數及其調用的其他組件構造函數不能使用 __init 前綴。 在 probe 回調函數中，通常會使用以下流程：

  • 1）檢查并遞增設備索引。

static int dev;
....
if?(dev >= SNDRV_CARDS)return?-ENODEV;
if?(!enable[dev]) {dev++;return?-ENOENT;
}

其中 enable[dev] 是模塊參數選項。 每次調用 probe 回調時，都要檢查該設備是否可用。如果不可用，則只需遞增設備索引并返回。dev 變量稍后（在第 7 步）也會繼續遞增。

  • 2）創建一個 sound card 實例

struct snd_card *card;
int err;
....
err = snd_card_new(&pci->dev, index[dev], id[dev], THIS_MODULE,0, &card);

詳細內容將在“聲卡與組件的管理”章節中進行說明。

  • 3）創建主組件 在這一部分，將分配 PCI 資源

struct mychip *chip;
....
err = snd_mychip_create(card, pci, &chip);
if?(err < 0)goto error;

詳細內容將在“PCI 資源管理”章節中進行說明。 當出現錯誤時，probe 函數需要進行錯誤處理。在本示例中，我們采用統一的錯誤處理路徑，該路徑被放置在函數的末尾：

error:snd_card_free(card);return?err;

于每個組件都可以被正確釋放，因此在大多數情況下，只需調用一次 snd_card_free() 就足夠了。

  • 4）設置驅動的 ID 和名稱字符串。

strcpy(card->driver,?"My Chip");
strcpy(card->shortname,?"My Own Chip 123");
sprintf(card->longname,?"%s at 0x%lx irq %i",card->shortname, chip->port, chip->irq);

driver 字段保存芯片的最小 ID 字符串。這個 ID 會被 alsa-lib 的配置器使用，因此應保持簡潔但唯一。即使是同一個驅動，也可以使用不同的 driver ID 來區分不同類型芯片的功能。 shortname 字段是一個簡短但更具描述性的名稱字符串，用于展示。 longname 字段包含的是將在 /proc/asound/cards 中顯示的信息。

  • 5）創建其他組件，如混音器、MIDI 等 在此步驟中定義基本組件，例如 PCM、混音器（如 AC97）、MIDI（如 MPU-401）以及其他接口。如果需要定義 proc 文件，也應在這里進行。

  • 6）注冊該聲卡實例

err = snd_card_register(card);
if?(err < 0)goto error;

這一部分也將在“聲卡與組件的管理”章節中進行說明。

  • 7） 設置 PCI 驅動的數據，并返回 0

pci_set_drvdata(pci, card);
dev++;
return?0;

在上述步驟中，聲卡記錄被保存了下來。該指針同樣會在 remove 回調函數 和 電源管理回調函數 中使用。

Destructor（析構函數）：

析構函數，即 remove 回調函數，僅需釋放聲卡實例即可。隨后，ALSA 中間層會自動釋放所有附加的組件。 通常只需調用一行代碼即可：

static void snd_mychip_remove(struct pci_dev *pci)
{snd_card_free(pci_get_drvdata(pci));
}

上述代碼的前提是：聲卡指針已通過 PCI 驅動的數據接口（即 pci_set_drvdata()）保存。

Header Files：

對于上述示例，至少需要包含以下頭文件：

#include <linux/init.h>
#include <linux/pci.h>
#include <linux/slab.h>
#include <sound/core.h>
#include <sound/initval.h>

最后一個頭文件（指 <linux/moduleparam.h>）僅在源碼中定義了模塊參數時才是必須的。如果代碼被拆分為多個文件，那么沒有模塊參數定義的文件就不需要包含該頭文件。 除了這些頭文件之外：

  • 如果要處理中斷，需要包含 <linux/interrupt.h>；

  • 如果需要進行 I/O 操作訪問，需要包含 <linux/io.h>；

  • 如果使用了 mdelay() 或 udelay() 延時函數，還需要包含 <linux/delay.h>。

ALSA 接口，例如 PCM 和控制接口（control API），則定義在其他的 <sound/xxx.h> 頭文件中。 這些頭文件必須在 <sound/core.h> 之后包含。

聲卡與組件的管理（Management of Cards and Components）：

  • Card Instance

對于每一塊聲卡，必須分配一個 “card” 記錄。 “card” 記錄是聲卡的核心管理結構，它負責管理該聲卡上的所有設備（組件），例如 PCM、混音器（Mixer）、MIDI、合成器等。同時，該記錄還保存聲卡的 ID 和名稱字符串，管理與之相關的 proc 文件入口，控制電源管理狀態以及處理熱插拔斷開等情況。卡記錄中的組件列表用于在驅動銷毀時正確釋放所有資源。 如前所述，要創建一個聲卡實例，可以調用 snd_card_new() 函數：

struct snd_card *card;
int err;
err = snd_card_new(&pci->dev, index, id, module, extra_size, &card);

該函數接受六個參數：父設備指針、聲卡索引號、ID 字符串、模塊指針（通常為 THIS_MODULE）、額外數據空間的大小，以及用于返回聲卡實例的指針。 其中，extra_size 參數用于為芯片相關的私有數據分配 card->private_data 空間。需要注意的是，這塊私有數據是由 snd_card_new() 函數自動分配的。 第一個參數是 struct device 的指針，用于指定父設備。對于 PCI 設備，通常傳入 &pci->dev

  • Components

在創建好聲卡之后，你可以將各個組件（設備）附加到該聲卡實例上。在 ALSA 驅動中，每個組件由一個 struct snd_device 對象表示。組件可以是一個 PCM 實例、控制接口、Raw MIDI 接口等。每個這樣的實例對應一個組件條目。 組件可以通過 snd_device_new() 函數來創建：

snd_device_new(card, SNDRV_DEV_XXX, chip, &ops);

該函數接收以下參數：聲卡指針、設備級別（SNDRV_DEV_XXX）、數據指針以及回調函數指針（&ops）。

其中，設備級別用于定義組件的類型，并決定其注冊和注銷的順序。對于大多數組件，設備級別已在 ALSA 中預定義。對于用戶自定義的組件，可以使用 SNDRV_DEV_LOWLEVEL。

此函數本身不會分配數據空間，數據需要在調用之前手動分配，并將其指針作為參數傳入。在上述示例中，該指針（如 chip）會作為該實例的標識符使用。

對于 ALSA 中預定義的組件（如 AC97、PCM 等），它們在各自的構造函數內部會調用 snd_device_new()。組件的析構函數由回調函數中的指針指定，因此開發者無需手動調用組件的析構函數。

如果你希望創建自定義組件，需要在 ops 結構中設置 dev_free 回調指針為對應的析構函數，這樣在調用 snd_card_free() 時該組件就能自動被釋放。 接下來的示例將展示如何實現與芯片相關的私有數據結構。

  • Chip-Specific Data

與芯片相關的特定信息，例如 I/O 端口地址、資源指針或中斷號（irq number），會被存儲在芯片專用的數據結構（record）中：

struct mychip {....
};

一般來說，分配芯片記錄有兩種方式。

  • 通過 snd_card_new() 分配。

如前所述，你可以將額外數據的長度作為 snd_card_new() 的第 5 個參數傳入，例如：

err = snd_card_new(&pci->dev, index[dev], id[dev], THIS_MODULE,sizeof(struct mychip), &card);

struct mychip 是芯片記錄的結構體類型。 作為返回值，分配好的記錄可以通過以下方式訪問：

struct mychip *chip = card->private_data;

使用這種方法，你無需進行兩次內存分配。該記錄會隨著聲卡實例一起被釋放。

  • Allocating an extra device.

在通過 snd_card_new() 分配聲卡實例（第 4 個參數設為 0）之后，調用 kzalloc()：

struct snd_card *card;
struct mychip *chip;
err = snd_card_new(&pci->dev, index[dev], id[dev], THIS_MODULE,0, &card);
.....
chip = kzalloc(sizeof(*chip), GFP_KERNEL);

芯片記錄結構體中至少應包含一個字段用于保存聲卡指針:

struct mychip {struct snd_card *card;....
};

然后，在返回的芯片實例中設置該聲卡指針：

chip->card = card;

接下來，初始化各個字段，并使用指定的 ops 將該芯片記錄作為一個低層設備（low-level device）進行注冊：

static const struct snd_device_ops ops = {.dev_free = ? ? ? ?snd_mychip_dev_free,
};
....
snd_device_new(card, SNDRV_DEV_LOWLEVEL, chip, &ops);

snd_mychip_dev_free() 是設備的析構函數，它將調用真正的析構操作：

static int snd_mychip_dev_free(struct snd_device *device)
{return?snd_mychip_free(device->device_data);
}

其中，snd_mychip_free() 才是真正的析構函數。 這種方法的缺點是：代碼量明顯更大。 但它的優點在于：你可以通過在 snd_device_ops 中設置相關回調函數，在聲卡注冊和斷開連接時觸發自定義的回調操作。 關于聲卡的注冊與斷開連接，請參見下文的子章節。

注冊與釋放

在所有組件都分配完成后，通過調用 snd_card_register() 來注冊聲卡實例。從這一刻起，設備文件的訪問才會被啟用。

也就是說，在調用 snd_card_register() 之前，外部無法訪問這些組件，因此是安全的。

如果該函數調用失敗，應在調用 snd_card_free() 釋放聲卡資源后退出 probe 函數。

要釋放聲卡實例，只需調用 snd_card_free()。

如前所述，該調用會自動釋放所有附加的組件。

對于支持熱插拔的設備，可以使用 snd_card_free_when_closed()。 該函數將在所有設備文件被關閉后，再延遲銷毀聲卡實例。

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