ALSA overview

本文提供有关高级Linux声音体系结构（ALSA）的信息，该体系结构为Linux操作系统提供音频功能。

Purpose

本文的目的是介绍ALSA框架。

ALSA框架为Linux提供了全面的音频功能，包括音频流的录制和播放，模拟或数字格式，以及路由和混合功能。 ALSA还支持音频中间件，如 PulseAudio, Gstreamer或Android。

System overview

Component descriptions

• alsa-utils (用户空间)

Linux社区提供的ALSA实用程序包包含用于ALSA项目的命令行实用程序(aplay, arecord, amixer, alsamixer ...). 这些工具对于控制声卡很有用。 它们还提供了用于应用程序实现的ALSA API使用示例。

• alsa-lib (User space)

ALSA库软件包包含需要访问ALSA声音接口的程序 (例如alsa-utils程序) 使用的ALSA库。ALSA库在内核模块提供的音频设备上提供了一个抽象级别，例如PCM和控制抽象。

• ALSA framework (Kernel space)

ALSA内核提供了一个API，用于实现音频驱动程序和PCM /控制接口，以在用户区公开音频设备。 PCM接口处理数据流和控制。 该界面管理由ALSA驱动程序导出的控件（音频路径，音量...）。

• ASoC framework (ALSA System On Chip) (Kernel space)

ALSA片上系统（ASoC）层的作用是为了改进 ALSA支持嵌入式片上系统处理器和音频编解码器。 ASoC框架提供了一个DMA引擎，该引擎与DMA框架接口以处理音频样本的传输。ASoC还通过DAPM驱动程序支持音频路径的动态电源管理。 ASoC充当ALSA驱动程序，它将嵌入式音频系统分为三种与平台无关的驱动程序：CPU DAI，编解码器和机器驱动程序。

• ASoC drivers (Kernel space)

ASoC驱动程序允许为ASoC驱动程序类实现与硬件相关的代码：

• Codec drivers:

这些驱动程序是后端音频组件的驱动程序。 （请参阅下面的编解码器外围设备）

• CPU DAI drivers:

每个STM32音频外设都有一个特定的CPU DAI驱动程序（请参阅下面的CPU DAI外围设备） 每个CPU DAI至少支持以下协议之一：I2S，PCM或S / PDIF。

• Machine drivers:

机器驱动程序将CPU DAI和编解码器驱动程序描述并绑定在一起，以创建DAI链接和ALSA声卡。 ASoC框架提供了一种机器驱动程序，用于实现称为“ audio-graph-card”. 该通用机器驱动程序用于STM32 MPU声卡。

下面的示意图说明了ASoC声卡的总体布局。 请参阅 soundcard configuration 以查看STM32 MPU板的声卡实现示例。

• CPU DAI外围设备 (硬件)

ST微处理器外围设备提供CPU音频接口。 音频内部外围设备列表可在Audio peripherals section中找到。

• 编解码器外围设备 (硬件)

编解码器外设是外部（无CPU）硬件音频I / O设备 (即音频编解码器IC，数字麦克风，放大器，简单的IO连接器...).

API descriptions

• 用户空间接口:

ALSA库参考 记录了userland API库。

• 内核驱动程序接口:

ALSA内核文档 记录了ASOC和ALSA驱动程序API。

Configuration

• 内核配置

如下所示，必须在内核配置中启用ALSA / ASoC和音频图形卡，以启用声音支持。最重要的是，用户必须根据所选的硬件激活CPU和编解码器驱动程序。 用户可以使用Linux Menuconfig tool 以选择所需的驱动程序：

[*] Device Drivers
    [*] Sound card support
        [*] Advanced Linux Sound Architecture
            [*] ALSA for SoC audio support
                STMicroelectronics STM32 SOC audio support
	             [ ] STM32 SAI interface (Serial Audio Interface) support
	             [ ] STM32 I2S interface (SPI/I2S block) support
	             [ ] STM32 S/PDIF receiver (SPDIFRX) support
                CODEC drivers
	             [ ] ...
                [*] ASoC Audio Graph sound card support

• 设备树配置

通过 device tree中的声卡配置来配置音频子系统。soundcard configuration 文章描述了各种板上可用于STM32MPU的声卡。 本文详细介绍了如何配置用于实现声卡的audio peripherals。

How to use

alsa-utils pakage提供了一组实用程序来管理Linux内核中的音频设备：aplay, arecord, amixer, iecset 和 alsactl。这些实用程序的概述如下：

Playback

• 列出播放设备

Board $> aplay -l

• 在卡[X]设备[Y]上播放wav文件

Board $> aplay -D hw:[X],[Y] <filename.wav>

• 在卡[X]设备[Y]上播放wav文件或生成的信号

Board $> speaker-test -D hw:[X],[Y]

请参阅How to play audio 一文，以查找STM32MPU板上的回放用例示例。

Record

• 列出记录设备

Board $> arecord -l

• 从卡[X]设备[Y]捕获音频

Board $> arecord -D hw:[X],[Y] -f dat <filename.wav>

请参阅 如何录制音频 文章，查找STM32MPU主板的录制用例示例。

Controls

• 列表卡[X]控件

Board $> amixer -c [X] controls

• 将卡[X]的控件[Y]设置为[Z]

Board $> amixer -c [X] cset name='[Y]' '[Z]'

• 存储声卡[X]控制状态

Board $> alsactl store [X]

• 恢复声卡[ x ]控件状态

Board $> alsactl restore [X]

请参阅[ Soundcard configuration 文章，以找到STM32MPU板的控制配置示例。

IEC controls

• 列出iec958参数

Board $> iecset -h

• 将卡[X] iec958参数[Y]设置为值[Z]

Board $> iecset -c [X] cset [Y] [Z]

• 转储卡[X] iec958值

Board $> iecset -c [X] -x

How to trace and debug the framework

本章介绍了可用于调试和监视音频框架和驱动程序的工具。 它是 top命令 文章的扩展。

How to monitor

本节介绍ALSA框架监视方法。 有关更多信息，请参阅Linux monitoring tools文章。

Procfs filesystem

ALSAasound目录 在 procfs 文件系统中， 提供了大量有关声卡的信息。 PCM proc文件提供有用的PCM子流调试信息，例如硬件/软件参数，流状态和缓冲区信息。 示例：

• 列出PCM音频设备：

Board $> cat /proc/asound/pcm

• 获取PCM音频设备的硬件参数(此处为卡0的设备0)：

Board $> cat /proc/asound/card0/pcm0p/sub0/hw_params

Debugfs filesystem

调试文件系统(debugfs)文件系统中的asoc目录提供有关声卡组件的信息。

示例：

• List DAIs

Board $> cat /sys/kernel/debug/asoc/dais

• 列出 "xxx.audio-controller"声卡的 "STM32MP1-EV" CPU DAI的DAPM

Board $> ls /sys/kernel/debug/asoc/STM32MP1-EV/xxx.audio-controller/dapm

How to trace

本节介绍了ALSA框架的跟踪方法。参见 Linux_tracing_tools 文章将进一步。

Dynamic traces

可以使用 dynamic debug 机制将ALSA框架和驱动程序调试跟踪添加到内核日志中。

• 示例：启动SAI Linux驱动的动态跟踪，并将跟踪打印到控制台：

Board $> echo -n 'file stm32_sai.c +p; file stm32_sai_sub.c +p' > /sys/kernel/debug/dynamic_debug/control; 
Board $> dmesg -n8;

Tracing filesystem

Linux内核提供了 tracefs 文件系统，并随Linux内核跟踪框架一起提供。 ALSA和ASoC在此跟踪文件系统中具有自己的跟踪点：

• ASoC的asoc 条目提供了DAPM，插孔和偏置电平跟踪点。
• ALSA的snd_pcm条目，提供了PCM缓冲区和PCM硬件参数跟踪点.

Activate DAPM traces

先决条件：必须首先在 Linux kernel configuration中启用CONFIG_FUNCTION_TRACER配置

• 启用追踪

Board $> echo '1' > /sys/kernel/debug/tracing/events/asoc/enable

• 检查日志:

Board $> cat /sys/kernel/debug/tracing/trace

Activate PCM hardware parameter traces

先决条件：必须首先在 Linux kernel configuration中启用CONFIG_FUNCTION_TRACER和CONFIG_SND_DEBUG配置。

• 启用追踪

Board $> echo '1' > /sys/kernel/debug/tracing/events/snd_pcm/enable

• 检查日志:

Board $> cat /sys/kernel/debug/tracing/trace

Activate PCM buffer state traces (PCM ring buffer overrun/underrun debugging)

先决条件：必须首先在 Linux kernel configuration中启用CONFIG_Function_TRACE、CONFIG_SND_DEBUG、CONFIG_SND_DEBUG_VERBOSE和SND_PCM_XRUN_DEBUG配置

• 设置XRUN跟踪详细程度

# 启用基本调试和堆栈转储
Board $> echo 3 > /proc/asound/card0/pcm0p/xrun_debug

• 启用追踪

Board $> echo '1' > /sys/kernel/debug/tracing/events/snd_pcm/enable

• 检查日志:

Board $> cat /sys/kernel/debug/tracing/trace

How to debug

请参阅 Linux debugging tools 文章。

Source code location

User space

• alsa-lib sources
• alsa-utils sources

Kernel space

• sound/core | |}} ALSA core
• sound/soc | |}} ASoC core
• sound/soc/stm | |}} ASoC STM32 drivers
• sound/soc/codecs | |}} ASoC codecs drivers

References