本节学习目的
- 1)分析Linux中的OSS声卡系统
- 2)移植wm9876声卡
- 3)使用madplay应用程序播放mp3
1.声音三要素
采样频率
音频采样率是指录音设备在一秒钟内对声音信号的采样次数, 常用的采样率有:
- 8KHz - 电话所用采样率, 对于人的说话已经足够清除
- 22.05KHz - 无线电广播所用采样率
- 32KHz - miniDV 数码视频、DAT所用采样率
- 44.1KHz - 音频 CD, 也常用于 MPEG-1 音频（VCD, SVCD, MP3）所用采样率
- 48KHz - miniDV、数字电视、DVD、DAT、电影和专业音频所用的数字声音所用采样率
- 50KHz - 商用数字录音机所用采样率
- 96K - BD-ROM（蓝光盘）音轨、和 HD-DVD （高清晰度 DVD）音轨等所用采样率
而2440开发板的采样频率IISRCK最高可以达到96KHz,满足了很多常用的采样场合,如下图所示:
其中CODECLK便是MCLK
量化位数
指每个采样点里传输的数字信号次数,如下图所示, 其中蓝线表示模拟信号,红线表示数字信号,量化位越高,数字信号就越可能接近原始信号,音质越好
一般的量化位数为:
- 8位: 分成 256 次;
- 16位: 分为65536次, 已到 CD 标准;
- 32位: 分为 4294967296次,很少用到
2440的开发板只支持8位，16位,如下图所示:
其中LRCK就是采样频率,当LRCK为低时,表示传输的采样数据是左声道,当LRCK为高时,表示传输的采样数据是右声道,每个采样点,SD(serial data)都可以传输8位,或16位数字信号(从低位到高位传输)
声道数
常有单声道和立体声之分，（有的也处理成两个喇叭输出同一个声道的声音），而立体声更能感受到空间效果，但数据量翻倍
所以,声音的每秒数据量(字节/s)= (采样频率 × 量化位数 × 声道数) / 8;
2. WM9876声卡硬件分析
声卡是负责录音、播音、调节音量和声音合成等的一种多媒体板卡
本节使用的声卡是2440板上自带的WM9876声卡
当我们播放声音时 ,将数字信号传入I2SDO脚,声卡便通过解码,产生模拟信号到喇叭/耳机
录音时,声卡便获取麦克风的模拟信号,编码出数字信号到I2SDI引脚上
WM8976接口分为两种:I2S接口(提供音频接收和发送)、控制接口(控制音量大小,使能各个输出通道等)
IIS接口相关的引脚如下
- MCLK : 主机为编解码芯片提供的系统同步时钟 ( Master/system clock input ) ，在2440中,一般设置为256fs,或者384fs
- BCLK: 编解码芯片提供的串行时钟信号 ( Audio bit clock output ) ,也就是量化位深,比如I2SIRCK=44.1khz,量化位为32位,则BCLK=44.1khz*32*2
- I2SLRCK: 采样频率信号，当为低电平时是采样的是左声道信号，为高电平是右声道信号，常见有44.1Khz(1fs)
- I2SDI : ADC数据输入
- I2SDO :DAC数据输出
如下图所示:
控制接口相关的引脚如下
- CSB/GPIO1: 3线 控制数据使能引脚
- SCLK: 3线/2线 时钟引脚
- SDIN: 3线/2线 数据输入输出引脚
- MODE: 3线/2线 控制选择,当MODE为高,表示为3线控制,MODE位低,表示2线控制,如下图所示:
其它引脚如下:
- R/LOUT1:音频左/右输出通道1,外接耳机插孔
- R/LOUT2:音频左/右输出通道2,未接
- OUT3:单声道输出通道3,未接
- OUT4:单声道输出通道4,未接
- LIP/LIN:音频输入通道,外接麦克风
那么3线和2线的控制引脚又有什么区别？
3线控制:
如下图所示,3线控制,每周期都要传输16位数据(7位寄存器地址+9位寄存器数据),传输完成后,给CSB一个上升沿便完成一次数据的传输
2线控制:
如下图所示,2线控制就是I2C通信方式
本节的WM8976的MODE脚接的高电平,所以是3线控制
3.接下来便来分析linux内核的声卡系统
在linux声卡中存在两种声卡系统，一种是OSS（开放声音系统），一种是ALSA（先
进Linux声音架构）。本节系统以OSS(Open Sound System)为例 ,
内核以linux-2.6.22.6版本为例,位于:linux-2.6.22.6\sound\Sound_core.c
3.1首先进入入口函数
如下图所示:
入口函数里,只注册了一个主设备号为(SOUND_MAJOR)14的“sound”字符设备和class类,这里为什么没有创建设备节点?
是因为, 当注册声卡系统的驱动后，才会有设备节点，此时这里的代码是没有驱动的,后面会分析到
3.2 再来看看“sound”字符设备的file_perations:
这里只有个.open,为什么没有.read,.write函数？
显然在.open函数里做了某些处理,我们进入soundcore_open()来看看
3.2 soundcore_open()代码如下:
int soundcore_open(struct inode *inode, struct file *file) { int chain; int unit = iminor(inode); //获取次设备号,通过次设备号来找声卡驱动 struct sound_unit *s; const struct file_operations *new_fops = NULL; //定义一个新的file_operations chain=unit&0x0F; if(chain==4 || chain==5) /* dsp/audio/dsp16 */ { unit&=0xF0; unit|=3; chain=3; } spin_lock(&sound_loader_lock); s = __look_for_unit(chain, unit); //里面通过chains[chain]数组里找到sound_unit结构体 //一个sound_unit对应一个声卡驱动 if (s) new_fops = fops_get(s->unit_fops); //通过sound_unit,获取对应的file_operations ... ... if (new_fops) { //当找到file_operations int err = 0; const struct file_operations *old_fops = file->f_op;//设上次的file_operations等于当前的 file->f_op = new_fops; //设置系统的file_operations等于s-> unit_fops spin_unlock(&sound_loader_lock); if(file->f_op->open) err = file->f_op->open(inode,file); if (err) { fops_put(file->f_op); file->f_op = fops_get(old_fops); } fops_put(old_fops); return err; } spin_unlock(&sound_loader_lock); return -ENODEV; }
通过上面的代码和注释分析到,系统声卡之所以只有一个open(),里面是通过次设备号来调用__look_for_unit()函数,找到chains[chain]数组里的驱动声卡sound_unit结构体,然后来替换系统声卡的file_operations,实现偷天换日的效果。
__look_for_unit()函数如下图所示:
其中chains[]数组定义如下所示:
其中, chains[0]存放的Mixers,实现调节音量,高音等,就是我们VM8976的控制接口
chains[3]存放的DSP,用来实现音频输入输出,就是我们VM8976的I2S接口
显然VM8976的驱动有2个,需要将2个file_operations放入chains[0]和chains[3]数组里,供给系统的open()来调用
3.3 我们以DSP为例,搜索chains[3]来看看
如上图所示,显然register_sound_dsp()函数就是被我们声卡驱动调用的,用来注册dsp设备节点,继续进入sound_insert_unit()函数看看
3.4 sound_insert_unit()函数如下
static int sound_insert_unit(struct sound_unit **list, const struct file_operations *fops, int index, int low, int top, const char *name, umode_t mode, struct device *dev) { struct sound_unit *s = kmalloc(sizeof(*s), GFP_KERNEL); //分配个新的sound_unit int r; if (!s) return -ENOMEM; spin_lock(&sound_loader_lock); // __sound_insert_unit()里主要实现:将分配的新的s插入到chains[3]里,然后并放入fops操作结构体 r = __sound_insert_unit(s, list, fops, index, low, top); spin_unlock(&sound_loader_lock); if (r < 0) goto fail; else if (r < SOUND_STEP) sprintf(s->name, "sound/%s", name); //s->name="sound/dsp" else sprintf(s->name, "sound/%s%d", name, r / SOUND_STEP); device_create(sound_class, dev, MKDEV(SOUND_MAJOR, s->unit_minor),s->name+6);
//s->name+6="dsp",也就是在/dev下创建"dsp"的设备节点 return r; fail: kfree(s); return r; }
所以,register_sound_dsp()函数用来创建/dev/dsp 设备节点,同时将dsp相关的file_operations放入chains[3]里面
3.5 同样, Mixers的驱动流程也是这样,它的函数是register_sound_mixer(),如下图所示
也是创建/dev/mixer设备节点, 同时将dsp相关的file_operations放入chains[0]里面
3.6 接下来,我们便搜索register_sound_dsp()函数,看看被哪些声卡驱动调用
如下图所示,找到一个支持s3c24xx板卡的声卡驱动uda1341
uda1341声卡和WM8976声卡非常相似,音频都是I2S接口,就只有控制部分不一样
uda1341声卡的硬件,如下图所示:
它的控制引脚只有3个:
L3MODE:模式引脚,为高表示传输的是数据,为低表示传输的是寄存器地址
L3CLOCK:时钟引脚
L3DATA: 数据输入/输出引脚
控制接口的时序如下所示:
和WM8976的控制时序完全不一样,WM8976控制时序如下所示:
所以接下来,便修改S3c2410-uda1341.c的控制部分,来移植为wm8976驱动
4.移植wm8976驱动
首先进入uda1341的probe函数
static int s3c2410iis_probe(struct device *dev) { struct platform_device *pdev = to_platform_device(dev); struct resource *res; unsigned long flags; printk ("s3c2410iis_probe...\n"); /*获取资源*/ res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0); if (res == NULL) { printk(KERN_INFO PFX "failed to get memory region resouce\n"); return -ENOENT; } iis_base = (void *)S3C24XX_VA_IIS ; if (iis_base == 0) { printk(KERN_INFO PFX "failed to ioremap() region\n"); return -EINVAL; } /*获取I2S时钟,并使能*/ iis_clock = clk_get(dev, "iis"); if (iis_clock == NULL) { printk(KERN_INFO PFX "failed to find clock source\n"); return -ENOENT; } clk_enable(iis_clock); /*进入临界区, 禁止中断,并保存中断状态*/ local_irq_save(flags); /*设置管脚功能*/ /* GPB 4: L3CLOCK, OUTPUT */ s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPB4, S3C2410_GPB4_OUTP); s3c2410_gpio_pullup(S3C2410_GPB4,1); /* GPB 3: L3DATA, OUTPUT */ s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPB3,S3C2410_GPB3_OUTP); /* GPB 2: L3MODE, OUTPUT */ s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPB2,S3C2410_GPB2_OUTP); s3c2410_gpio_pullup(S3C2410_GPB2,1); /* GPE 3: I2SSDI */ s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPE3,S3C2410_GPE3_I2SSDI); s3c2410_gpio_pullup(S3C2410_GPE3,0); /* GPE 0: I2SLRCK */ s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPE0,S3C2410_GPE0_I2SLRCK); s3c2410_gpio_pullup(S3C2410_GPE0,0); /* GPE 1: I2SSCLK */ s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPE1,S3C2410_GPE1_I2SSCLK); s3c2410_gpio_pullup(S3C2410_GPE1,0); /* GPE 2: CDCLK */ s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPE2,S3C2410_GPE2_CDCLK); s3c2410_gpio_pullup(S3C2410_GPE2,0); /* GPE 4: I2SSDO */ s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPE4,S3C2410_GPE4_I2SSDO); s3c2410_gpio_pullup(S3C2410_GPE4,0); /*退出临界区,使能中断,并恢复之前保存的flags中断状态*/ local_irq_restore(flags); /*设置2440的I2S寄存器*/ init_s3c2410_iis_bus(); /*初始化uda1341声卡的控制部分*/ init_uda1341(); /*设置DMA输出通道,用来接收声音*/ output_stream.dma_ch = DMACH_I2S_OUT; if (audio_init_dma(&output_stream, "UDA1341 out")) { audio_clear_dma(&output_stream,&s3c2410iis_dma_out); printk( KERN_WARNING AUDIO_NAME_VERBOSE": unable to get DMA channels\n" ); return -EBUSY; } /*设置DMA输入通道,用来接收声音*/ input_stream.dma_ch = DMACH_I2S_IN; if (audio_init_dma(&input_stream, "UDA1341 in")) { audio_clear_dma(&input_stream,&s3c2410iis_dma_in); printk( KERN_WARNING AUDIO_NAME_VERBOSE": unable to get DMA channels\n" ); return -EBUSY; } /*创建/dev/dsp,/dev/mixer两个设备节点,
并将smdk2410_audio_fops和smdk2410_mixer_fops 两个file_operations放入chains[0]和chains[3]里,供给内核的声卡系统调用*/ audio_dev_dsp = register_sound_dsp(&smdk2410_audio_fops, -1); audio_dev_mixer = register_sound_mixer(&smdk2410_mixer_fops, -1); printk(AUDIO_NAME_VERBOSE " initialized\n"); return 0; }
从上面的代码来看, uda1341的管脚和wm8976的管脚连接都是一样的,只有init_uda1341()不一样,里面是初始化uda1341的控制引脚接口,所以需要屏蔽,然后自己来写个init_wm8976()函数
4.1写init_wm8976()函数之前需要先写一个寄存器操作函数
参考wm8976芯片手册时序图:
所以,代码如下:
static void wm8976_write_reg(unsigned char reg, unsigned int data) { int i; unsigned long flags; //对于wm8976来说，数据的高七位表示寄存器地址，低9位表示寄存器的值 unsigned short val = (reg << 9) | (data & 0x1ff);
/*wm8976引脚csb,dat,clk分别对应2440芯片的GPB2,3,4引脚*/ s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB2,1); s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB3,1); s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB4,1); /*退出临界区,使能中断,并恢复之前保存的flags中断状态*/ local_irq_save(flags);
/*把val值写入wm8976,共16位,从高到低传输*/ for (i = 0; i < 16; i++){ if (val & (1<<15)) { s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB4,0); s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB3,1); udelay(1); s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB4,1); } else { s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB4,0); s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB3,0); udelay(1); s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB4,1); } val = val << 1; } //传输完成，需要让csb信号产生低脉冲，写入wm8976 s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB2,0); udelay(1); //引脚恢复到高电平状态 s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB2,1); s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB3,1); s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPB4,1); local_irq_restore(flags); }
4.2.参考wm8976g.pdf第87页,来初始化wm8976,使能输出声道1,2,混响器等
static void init_wm8976(void) { uda1341_volume = 57; // wm8976的音量默认值,后面会讲到 uda1341_boost = 0; /* software reset */ wm8976_write_reg(0, 0); /* BIT[6-5]:使能音频的输出左右通道2 * BIT[3]: 使能mixer混音器的输出右通道 * BIT[2]: 使能mixer混音器的输出右通道 * BIT[1]: 使能DAC传输的右通道 * BIT[0]: 使能DAC传输的左通道 */ wm8976_write_reg(0x3, 0x6f); /* BIT[4]: 使能输出麦克风电压 */ wm8976_write_reg(0x1, 0x1f); wm8976_write_reg(0x2, 0x185);//ROUT1EN LOUT1EN, inpu PGA enable ,ADC enable wm8976_write_reg(0x6, 0x0);//SYSCLK=MCLK wm8976_write_reg(0x4, 0x10); // [4:3]=10:使用I2S接口传输 wm8976_write_reg(0x2B,0x10);//BTL OUTPUT wm8976_write_reg(0x9, 0x50);//Jack detect enable wm8976_write_reg(0xD, 0x21);//Jack detect wm8976_write_reg(0x7, 0x01);//Jack detect }
wm8976初始化修改完成后,还需要修改音量控制等函数,之前就分析了uda1341的probe函数,里面会注册dsp、mixer设备节点:
/dev/dsp
用来播发和录音,由于uda1341和wm8976都用了I2S接口,所以dsp的file_operations不需要修改,
/dev/mixer
用来控制音量,调低音,高音等,由于wm8976的控制接口不一样,所以需要修改mixer的file_operations->ioctl函数
4.3 mixer的file_operations->ioctl函数如下所示:
static int smdk2410_mixer_ioctl(struct inode *inode, struct file *file,unsigned int cmd, unsigned long arg) { int ret; long val = 0; switch (cmd) { case SOUND_MIXER_INFO: //CASE ： 获取声卡的描述信息 { mixer_info info; strncpy(info.id, "UDA1341", sizeof(info.id)); strncpy(info.name,"Philips UDA1341", sizeof(info.name)); info.modify_counter = audio_mix_modcnt; return copy_to_user((void *)arg, &info, sizeof(info)); //上传用户层 } ... ... case SOUND_MIXER_WRITE_VOLUME: //CASE： 写音量,音量值为0~99 ret = get_user(val, (long *) arg); //读用户层的数据,并放在val里 if (ret) return ret; uda1341_volume = 63 - (((val & 0xff) + 1) * 63) / 100; //转换为寄存器音量值 uda1341_l3_address(UDA1341_REG_DATA0); //写入音量的寄存器地址 uda1341_l3_data(uda1341_volume); //写入转换后的寄存器值数据 break; case SOUND_MIXER_READ_VOLUME: //CASE: 读音量,音量值为0~100 val = ((63 - uda1341_volume) * 100) / 63; //将寄存器音量值转换为原始数据 val |= val << 8; return put_user(val, (long *) arg); //上传音量值 case SOUND_MIXER_READ_IGAIN: //CASE： 读(in gain)混音输入增益 val = ((31- mixer_igain) * 100) / 31; return put_user(val, (int *) arg);
case SOUND_MIXER_WRITE_IGAIN: //CASE: 写(in gain)混音输入增益 ret = get_user(val, (int *) arg); if (ret) return ret; mixer_igain = 31 - (val * 31 / 100); /* use mixer gain channel 1*/ uda1341_l3_address(UDA1341_REG_DATA0); uda1341_l3_data(EXTADDR(EXT0)); uda1341_l3_data(EXTDATA(EXT0_CH1_GAIN(mixer_igain))); break; default: DPRINTK("mixer ioctl %u unknown\n", cmd); return -ENOSYS; } return 0; }
从上面的代码来看,显然接下还要修改以下几个与控制接口相关的case:
- case SOUND_MIXER_WRITE_VOLUME: //写音量
- case SOUND_MIXER_READ_VOLUME: //读音量
- case SOUND_MIXER_READ_IGAIN: //读(in gain)混音输入增益
- case SOUND_MIXER_WRITE_IGAIN: //写(in gain)混音输入增益
4.4修改“case SOUND_MIXER_WRITE_VOLUME:”和“case SOUND_MIXER_READ_VOLUME:”
如下图所示(参考wm8976手册的P86页):
其中52,53对应的输出左右通道1的音量,54,55对应的输出左右通道2的音量
而我们耳机位于输出左右通道1,如下图所示,所以我们需要设置52,53的寄存器
接下来,便来看看寄存器,如何读写音量
我们以53通道1寄存器为例:
如上图所示:
- bit8: 为1,表示每次写入音量值,即立刻更新音量
- bit7: 位1,表示通道1的左右声道都静音
- bit6: 位1,表示通道1的右声道静音
- bit5~0: 表示音量大小,默认值为57(111001),最大值为63
所以修改的内容如下所示:
case SOUND_MIXER_WRITE_VOLUME: //音量0~100 ret = get_user(val, (long *) arg); //读取应用数据,存到val里 if (ret) return ret; uda1341_volume = (((val & 0xff)) * 63) / 100; //最大值为63,最小值为0 wm8976_write_reg(52, (1<<8)| uda1341_volume); wm8976_write_reg(53, (1<<8)| uda1341_volume); break; case SOUND_MIXER_READ_VOLUME: val = (uda1341_volume * 100) / 63; //最大值为99 return put_user(val, (long *) arg);
4.5修改“case SOUND_MIXER_READ_IGAIN:”和“case SOUND_MIXER_WRITE_IGAIN:”
参考wm8976手册的P86页,如下图所示:
其中50,51对应的就是左右混音控制寄存器
我们以50左声道混音寄存器为例:
如上图所示:
bit8~6: 混音输入增益,默认值为0,最大值为7
所以修改的内容如下所示:
1)首先修改混音输入增益的初始默认值为0,如下图所示
2)修改“case SOUND_MIXER_READ_IGAIN:”和“case SOUND_MIXER_WRITE_IGAIN:”
case SOUND_MIXER_READ_IGAIN: //混音输入:0~100 val = (mixer_igain* 100) / 7; return put_user(val, (int *) arg); case SOUND_MIXER_WRITE_IGAIN: ret = get_user(val, (int *) arg); if (ret) return ret; mixer_igain = val * 7 / 100; /* use mixer gain channel 1*/ wm8976_write_reg(50, mixer_igain<<6); wm8976_write_reg(51, mixer_igain<<6); break;
5.配置,修改内核文件
5.1 make menuconfig 配置内核
-> Device Drivers
-> Sound
-> Advanced Linux Sound Architecture // 兼容OSS
-> Advanced Linux Sound Architecture
-> System on Chip audio support
<*> I2S of the Samsung S3C24XX chips //*:将/linux-2.6.22.6/sound/soc/s3c24xx下的makefile指定的文件加入内核里
5.2 将修改好的s3c-wm8976.c放入/linux-2.6.22.6/sound/soc/s3c24xx目录下
5.3修改该目录下的makefile
obj-y += s3c2410-uda1341.o
改为:
obj-y += s3c-wm8976.o
5.4 make uImage,如下图所示,可以看到内核已经被编译
最后下载并启动内核,如下图所示,可以看到该两个设备节点
6.测试与运行
6.1使用wav测试声卡
wav是属于一个未经压缩的音频文件,所以可以直接调用给我们声卡播放
播放:
cat Windows.wav > /dev/dsp
录音(还需要修改下驱动才行):
cat /dev/dsp > sound.bin
//然后对着麦克风说话
ctrl+c //退出
cat sound.bin > /dev/dsp // 就可以听到录下的声音
6.2使用madplay应用程序测试声卡
Madplay是一个根据MAD算法写的MP3播放器,而MP3属于高压缩比(11:1)的文件,所以需要madplay解码后才能给我们声卡播放,使用之前,需要先来移植madplay
步骤如下:
1)首先下载并解压3个文件
- libid3tag-0.15.1b.tar.gz //mp3的解码库
- libmad-0.15.1b.tar.gz //madplay的文件库
- madplay-0.15.2b.tar.gz //madplay播放器的源码
2)先创建安装目录mkdir tmp
3)接下来先安装2个库(./configure使用参考: http://www.cnblogs.com/lifexy/p/7866453.html )
cd libid3tag-0.15.1b/ libmad-0.15.1b ./configure --host=arm-linux --prefix=/app/tmp //修改configure,设置编译器,设置安装路径 make //编译 make install //安装到/app/tmp目录下
4)最后安装madplay-0.15.2b
cd madplay-0.15.2b ./configure --host=arm-linux --prefix=/app/tmp CFLAGS="-I/app/tmp/include" LDFLAGS="-L/app/tmp/lib"
// CFLAGS:指定头文件, LDFLAGS:指定库文件 make make install
5)把/app/tmp/bin下的所有文件复制到开发板nfs的bin目录下,
cd /app/tmp/bin /
cp * /work/nfs_root/bin
6)把/app/tmp/lib下的带so文件 复制到开发板nfs的lib目录里：
cd /app/tmp/lib/ cp *so* /work/nfs_root/lib/ -d //带链接复制
7)使用madplay播放mp3
./madplay 1.mp3 2.mp3 3.mp3 //循环播放3首歌
并可以使用热键来控制,常用的有以下几种:
- f 下一首
- b 下一首
- i 获取播放时间和播放歌曲名
- p 播放暂停
- s 停止
- + 音量加
- - 音量减