ubuntu alsa2

ALSA是Advanced Linux Sound Architecture简称。它包含一组kernel 驱动，一个应用编程接口(API)库以及一组工具函数。本文中，我们会向读者展示ALSA项目和组成部件的概况。后面会重点介绍ALSA PCM接口的编程。

ALSA不仅仅是sound API。选择ALSA可以让你最大程度的控制和执行执行低级的audio函数，或者使用其它sound API不支持的特定功能。如果你已经写了一个audio应用程序，那么你可能希望为它增加ALSA sound驱动支持。如果你的主要兴趣不是audio，仅仅是想播放声音，那么你最好使用高级的sound toolkits，比如SDL，OpenAL或者桌面环境提供的其他开发包。如果你想使用ALSA，那么要确保你的Linux系统支持ALSA。

History of ALSA

ALSA项目的出现是因为Linux kernel sound driver OSS/Free
drivers不能得到很好的维护，而导致驱动无法支持新的sound技术。Jaroslav Kysela最初为一个sound
card写了一个驱动，启动了这个项目，随着时间的推移越来越多的开发者加入进来，重新定义了API以支持更多的声卡。

在Linux kernel 2.5的开发过程中，ALSA被merged到官方内核中。随着kernel2.6的发布，ALSA成为稳定版内核的一部分，并且得到了广泛使用。

Digital Audio Basics

声音由空气压力变化的波形组成，被转换器（如麦克风）转换为电信号。一个模数转换器（ADC）把模拟电压信号转换为离散值，称为采样，采样是按照固定时间间隔进行的，称为采样率。发送这些采样到数模转换器（DAC），再输出到loudspeaker，原始的声音就被重现了。

采样的位数大小，是决定声音数字精度的一个因素，另外一个主要因素是采样率。奈奎斯特理论指出当信号带宽小于1/2采样率时，可通过采样信号还原出原始信号。

ALSA Basics

ALSA包括支持各种声卡的Kernel设备驱动，API库libasound。应用开发者应该使用API而不是kernel系统调用接口。API库函数提供了高层次，编程友好的接口，开发者使用逻辑设备名而不需要考虑低级细节（如设备文件）。

与ALSA相反，OSS/Free要求应用在kernel系统调用级进行编程，这就需要开发者指定设备文件名并且使用ioctl来完成功能。为了兼容OSS，ALSA提供了内核模块来模拟OSS/Free声音驱动，所以大部分现存的audio应用都无须修。libaoss是模拟包装库，可以用来模拟OSS/Free
API而不需要内核模块的模拟。

ALSA还提供了plugins能力，允许扩展一个新设备，甚至包括完全用软件实现的虚拟设备。ALSA提供了一组命令行工具，包括mixer，声音文件播放，以及对特定声卡特定功能的控制。

ALSA Architecture

ALSA API可以分为以下几个主要部分：

• Control接口：一个通用的功能，用来管理声卡的寄存器以及查询可用设备。
• PCM 接口：管理数字audio capture和playback的接口，本文的其余部分将主要介绍着个接口，因为这是audio应用最常用的接口
• Raw MIDI接口：支持MIDI(Musical Instrument DIgital Interface，电子音乐设备的标准)。这个API提供了对声卡MIDI bus的访问。Raw接口由MIDI events驱动，程序负责管理协议和计时
• Timer 接口：提供对声卡上计时硬件的访问，用于同步声音事件。
• Sequencer interface：一个MIPI编程和声音同步接口，比raw MIDI接口级别更高，它管理大部分MIDI协议和计时。
• Mixer接口：控制声卡上的信号路由和音量调节的设备。它是建立在control接口之上的。

Device Naming

API操作的是逻辑设备名而不是设备文件，设备名可以是真正的硬件设备或者插件。硬件设备使用hw:i,j这种格式，i是卡号而j是在这个卡上的设备。第一个声音设备是hw:0,0。第一个sound设备的别名为defalut，本文后面的例子都使用default。Plugins使用另外一种命名模式：例如plughw:是一个插件除了提供对硬件设备的访问还提供某种功能，比如软件实现采样率转换，因为硬件不支持这种操作。dmix插件允许合成几路数据
dshare插件允许把单路数据动态分配到不同的应用中。

Sound Buffers and Data Transfer

声卡有一个硬件buffer。在录音时(capture)存储录音的采样值，当buffer填满后声卡生成一个中断，kernel
sound驱动使用DMA传输采样数据到内存buffer。类似的在playback时，应用buffer数据通过DMA传输给sound
card的硬件buffer

这个硬件buffer是一个ring
buffers，意味着当到达buffer末端后，就会重新回到起始端。一个指针用来维护硬件buffer和应用buffer的当前位置。在内核外部，仅能访问application
buffer，所以在这里我们主要讨论application buffer。

buffer的尺寸可以通过ALSA库函数调用指定。buffer可以非常的大，一次传输完整个buffer的数据可能导致无法接收的延迟，所以，ALSA把这个buffer分割为一系列periods，以period做为传输数据的单位。

Period由多个frames组成，每一个frames包含在一个时间点的采样值，对于立体声设备来说，一个frames包含两个channels的采用，图1演示了一个buffer，

period，sample之间的关系，在这里，左右声道的数据存储在一帧中，这种模式称为interleaved。对于non-interleaved
模式，所有的左声道数据存放在一起，然后所有的右声道保存在一起。

Over and Under Run

当一个声音设备被激活，数据持续的在硬件和应用buffer间传送。在录音情况下（capture），如果应用没有快速的从buffer中读取数据，环状buffer将被新到的数据覆盖，导致数据丢失，我们称之为overrun。在playback情况下，如果应用无法快速传送数据到buffer中，那么导致hardware无数据可播放，这种情况我们称之为underrun。ALSA文档有时把这两种情况统称为XRUN。正确设计的应用最小化XRUN的发生并且在XRUN发生后能够恢复操作。

A typical Sound Application

通常可以用下面伪代码表示PCM接口编程模式

    open interface for capture or playback
    set hardware parameters(access mode, data format, channels, rate, etc.)
    while there is data to be processed:
        read PCM data(capture) or write PCM data(playback)
    close interface  

我们先看看一些示例代码。我推荐你在linux系统编译运行它们，观察输出然后尝试一些修改。这些测试代码的完整列表可以从以下地址下载：ftp.linuxjournal.com/pub/lj/listings/issue126/6735.tgz

Listing 1. Display Some PCM Types and Formats

    #include <alsa/asoundlib.h>    

    int main() {
        int val;    

        printf("ALSA library version: %s\n", SND_LIB_VERSION_STR);    

        printf("PCM stream types:\n");
        for (val = ; val <= SND_PCM_STREAM_LAST; val++) {
            printf(" %s\n", snd_pcm_stream_name((snd_pcm_stream_t)val));
        }    

        printf("PCM access types:\n");
        for (val = ; val <= SND_PCM_ACCESS_LAST; val++) {
            printf(" %s\n", snd_pcm_access_name((snd_pcm_access_t)val));
        }    

        printf("PCM formats:\n");
        for (val = ; val <= SND_PCM_STREAM_LAST; val++) {
            if (snd_pcm_format_name((snd_pcm_format_t)val) != NULL) {
                printf(" %s (%s)\n",
                      snd_pcm_format_name((snd_pcm_format_t)val),
                      snd_pcm_format_description((snd_pcm_format_t)val));
            }
       }    

       printf("\nPCM subformats:\n;);
       for (val = ; val <= SND_PCM_SUBFORMAT_LAST; val++) {
           printf(" %s (%s)\n", snd_pcm_subformat_name((snd_pcm_subformat_t)val),
               snd_pcm_subformat_description((snd_pcm_subformat_t)val));
       }
       return ;
    }  

gcc -o test test.c -lasound

编译为可执行文件，程序必须链接ALSA库，libasound。有些ALSA库函数需要使用dlopen功能和浮点运算，所以有时需要增加-ldl和-lmgcc -o listing1 listing1.c -lasound在我的机器上，运行结果如下

    ALSA library version: 1.0.    

    PCM stream types:
     PLAYBACK
     CAPTURE    

    PCM access types:
     MMAP_INTERLEAVED
     MMAP_NONINTERLEAVED
     MMAP_COMPLEX
     RW_INTERLEAVED
     RW_NONINTERLEAVED    

    PCM formats:
     S8 (Signed  bit)
     U8 (Unsigned  bit)    

    PCM subformats:
     STD (Standard)  

listing1 展示了一些ALSA使用的PCM数据类型和参数。需要包含头文件alsa/asoundlib.h，ALSA库函数以及常用宏都在这个文件中定义。这个程序的其余部分重复的打印了PCM数据类型。

Listing 2. Opening PCM Device and Setting Parameters

执行结果为

[cpp] view plain copy

    PCM handle name = 'default'
    PCM state = PREPARED
    format = 'S16_LE'(Signed  bit Little Endian)
    subformat = 'STD' (Standard)
    channels=
    rate =  bps
    period time =  us
    period size =  frames
    buffer time =  us
    buffer size =  frames
    periods per buffer =  frames
    exact rate=/ bps
    significant bits =
    tick time =  us
    is batch =
    is block transfer =
    is double =
    is half duplex =
    is joint duplex =
    can overrange =
    can mmap =
    can overrange =
    can sync start =   

List2打开缺省的PCM设备，设置一些参数，然后显示大部分的硬件参数。这个测试程序不会执行playback和recording。调用snd_pcm_open打开缺省的PCM设备，打开模式为PLAYBACK。这个函数通过第一个参数返回一个句柄，后续的操作使用这个句柄操作这个PCM设备。像大部分ALSA库函数调用，snd_pcm_open返回一个整数表示调用状态，负数指明出错原因。为了使测试代码更简洁，我忽略了大部分的函数返回值。在产品级应用中，开发者应该检查每一个API调用，以便提供相应的出错处理。

为了设置流的硬件参数，我们需要分配一个snd_pcm_hw_param_t变量，首先调用macro
snd_pcm_hw_params_alloca，接下来使用snd_pcm_hw_params_any来初始化这个变量。接下来使用ALSA提供的API设置PCM
流的硬件参数，这些API的参数形式为(PCM handle, snd_pcm_hw_param_t *,
val)。我们设置流为interleaved mode，16 bit sample size，2
channels和44100Hz采样率。对于采样率，声卡硬件不一定支持指定的采样率。我们使用函数snd_pcm_hw_params_set_rate_near请求设置指定值附近的采样率。在调用snd_pcm_hw_params函数之前，所有设置的硬件参数并不会被激活。

这个程序的其他部分获得并显示PCM 流的参数，包括周期和buffer sizes。显示结果依赖于测试机器的硬件。

在你的机器上运行这个程序，并尝试做一些修改。比如把device名从defalut改为hw:0,0或者plughw：查看结果是否改变。修改硬件参数的值，查看显示部分的变化。

Listing 3. SImple Sound Playback

/*
     * This example reads standard from input and writes to
     * the default PCM device for 5 seconds of data.
     */
    /* Use the newer ALSA API */
    #define ALSA_PCM_NEW_HW_PARAMS_API    

    #include <alsa/asoundlib.h>
    int main()
    {
        long loops;
        int rc;
        int size;
        snd_pcm_t *handle;
        snd_pcm_hw_params_t *params;
        unsigned int val;
        int dir;
        snd_pcm_uframes_t frames;
        char *buffer;    

        /* Open PCM device for playback */
        rc = snd_pcm_open(&handle, "default", SND_PCM_STREAM_PLAYBACK, );
        if (rc < ) {
            printf("unable to open pcm device: %s\n", snd_strerror(rc));
            exit();
        }    

        snd_pcm_hw_params_alloca(¶ms);    

        snd_pcm_hw_params_any(handle, params);    

        snd_pcm_hw_params_set_access(handle, params, SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED);    

        snd_pcm_hw_params_set_format(handle, params, SND_PCM_FORMAT_S16_LE);    

        snd_pcm_hw_params_set_channels(handle, params, );    

        val = ;
        snd_pcm_hw_params_set_rate_near(handle, params, &val, &dir);    

        frames = ;
        snd_pcm_hw_params_set_period_size_near(handle, params, &frames, &dir);    

        rc = snd_pcm_hw_params(handle, params);
        if (rc < ) {
            printf("unable to set hw parameters: %s\n", snd_strerror(rc));
            exit();
        }    

        snd_pcm_hw_params_get_period_size(params, &frames, &dir);    

        size = frames * ;
        buffer = (char *)malloc(size);    

        snd_pcm_hw_params_get_period_time(params, &val, &dir);
        loops =  / val;    

        while (loops > ) {
            loops--;
            rc = read(, buffer, size);    

            rc = snd_pcm_writei(handle, buffer, frames);
            if (rc == -EPIPE) {
                printf("underrun occured\n");
            }
            else if (rc < ) {
                printf("error from writei: %s\n", snd_strerror(rc));
            }
        }    

        snd_pcm_drain(handle);
        snd_pcm_close(handle);
        free(buffer);    

        return ;
    }  

Listing 3扩展了前面的例子，写了一些随机的采样数据到声卡的playback。在这个例子中，我们从标准输入获取数据，当获取的数据达到一个period时，就把采样数据写入声卡。

这个程序的开始部分和前面的例子一样：打开PCM设备并设置硬件参数。我们使用ALSA选择的period size作为储存采样数据buffer的大小。通过这个period time我们就可以计算出5秒钟大概需要多少个periods。

在循环中我们从标准输入读取数据填充一个period的采样数据到buffer。我们检查并处理文件结束以及读取字节数和期望数不一致的情况。

使用snd_pcm_write函数发送数据到PCM设备。这个操作很像内核的write系统调用，除了size的单位是frames。检查返回的错误码，错误码EPIPE表示underrun错误发生，这会导致PCM

流进入了XRUN状态，停止处理数据。从这种状态恢复的标准方法是调用snd_pcm_prepare，使得流进入PREPARED状态，这样我们就可以再次向流中写入数据了，如果接收的是其他的错误码，那么我们显示错误码，并且继续执行。

这个程序循环执行5秒或者到达输入文件的结束符。我们调用snd_pcm_drain使得所有pending的采样数据被传输，然后关闭这个流。释放分配的buffer并退出。

执行这个程序，并使用/dev/urandom作为输入

Listing 4. Simple Sound Recording

    /*
      This example reads from the default PCM device
      and writes to standard output for 5 seconds of data.
     */    

    /* Use the newer ALSA ALI */
    #define ALSA_PCM_NEW_HW_PARAMS_API    

    #include <alsa/asoundlib.h>    

    int main()
    {
        long loops;
        int rc;
        int size;
        snd_pcm_t *handle;
        snd_pcm_hw_params_t *params;
        unsigned int val;
        int dir;
        snd_pcm_uframes_t frames;
        char *buffer;    

        rc = snd_pcm_open(&handle, "default", SND_PCM_STREAM_CAPTURE, );
        <pre name="code" class="programlisting">    if (rc < ) {
            fprintf(stderr,
                "unable to open pcm device: %s\n",
                snd_strerror(rc));
            exit();
        }    

        /* Allocate a hardware parameters object. */
        snd_pcm_hw_params_alloca(¶ms);    

        /* Fill it in with default values. */
        snd_pcm_hw_params_any(handle, params);    

        /* Set the desired hardware parameters. */    

        /* Interleaved mode */
        snd_pcm_hw_params_set_access(handle, params,
                          SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED);    

        /* Signed 16-bit little-endian format */
        snd_pcm_hw_params_set_format(handle, params,
                                  SND_PCM_FORMAT_S16_LE);    

        /* Two channels (stereo) */
        snd_pcm_hw_params_set_channels(handle, params, );    

        /* 44100 bits/second sampling rate (CD quality) */
        val = ;
        snd_pcm_hw_params_set_rate_near(handle, params,
                                      &val, &dir);    

        /* Set period size to 32 frames. */
        frames = ;
        snd_pcm_hw_params_set_period_size_near(handle,
                                  params, &frames, &dir);    

        /* Write the parameters to the driver */
        rc = snd_pcm_hw_params(handle, params);
        if (rc < ) {
            fprintf(stderr,
                "unable to set hw parameters: %s\n",
                snd_strerror(rc));
            exit();
        }    

        /* Use a buffer large enough to hold one period */
        snd_pcm_hw_params_get_period_size(params,
                                          &frames, &dir);
        size = frames * ; /* 2 bytes/sample, 2 channels */
        buffer = (char *) malloc(size);    

        /* We want to loop for 5 seconds */
        snd_pcm_hw_params_get_period_time(params,
                                             &val, &dir);
        loops =  / val;    

        while (loops > ) {
            loops--;
            rc = snd_pcm_readi(handle, buffer, frames);
            if (rc == -EPIPE) {
                /* EPIPE means overrun */
                fprintf(stderr, "overrun occurred\n");
                snd_pcm_prepare(handle);
            } else if (rc < ) {
            fprintf(stderr,
                  "error from read: %s\n",
                  snd_strerror(rc));
            } else if (rc != (int)frames) {
                fprintf(stderr, "short read, read %d frames\n", rc);
            }
            rc = write(, buffer, size);
            if (rc != size)
                fprintf(stderr,
                  "short write: wrote %d bytes\n", rc);
        }    

        snd_pcm_drain(handle);
        snd_pcm_close(handle);
        free(buffer);    

        return ;
    }  

Listing 4和Listing3很相像，除了执行了PCM capture。在我们打开PCM流时，我们指定了操作模式为SND_PCM_STREAM_CAPTURE。主循环中，使用snd_pcm_readi从本地声音硬件读取samples，然后把采样输出到标准输出。如果你有一个microphone连接到声卡，使用mixer程序设置录音源和级别。相应的，你可以运行一个CD player程序然后设置录音源为CD。如果你把listing4的输出重定向到一个文件，那么你可以用listing3来播放listing4的录音数据：

    ./listing4 > sound.raw
    ./listing3 < sound.raw  

如果你的声卡支持全双工，那么你可以通过管道把这个执行命令连接起来，可以播放录音数据

./listing4 | ./listing3  

通过修改PCM参数，你可以体验采样率和格式变化的效果。

Advanced Features

在前面的例子中，PCM流工作在阻塞模式，也就是说，在数据传输结束完之前不会函数不会返回。在一个交互式为主导的应用中，这种情况将使得应用长时间无响应。ALSA允许非阻塞模式操纵流，这种方式下read/write操作立刻返回，如果数据传输无法立刻进行，那么read/write立刻返回一个EBUSY错误码。
有些图形界面应用使用事件callback机制。ALSA支持异步PCM stream，当一个period的采样数据完成以后，注册的callback被调用。
snd_pcm_readi和snd_pcm_writei调用类似于linux的read/write系统调用。字母i表示帧是interleaved；相对的是non-interleaved模式。Linux下的一些设备也支持mmap系统调用，ALSA支持mmap模式打开PCM
channel，应用层不需要数据copy就可以有效访问声音数据。

Conclusion

我希望这篇文章能够成为你使用ALSA的动力。当2.6 kernel被大部分发行版使用后，ALSA的使用更加广泛，它的高级features应该能帮助linux audio应用开发者。
感谢Jaroslav Kysela和Takashi Iwai reviewing本文的初稿并提供了有用的反馈。