ALSA-DMA

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dma数据传输块的组织和应用

数据类型

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/*
 * info for buffer allocation
 */
struct snd_dma_buffer {
    struct snd_dma_device dev;  /* device type */
    unsigned char *area;    /* virtual pointer */
    dma_addr_t addr;    /* physical address */
    size_t bytes;       /* buffer size in bytes */
    void *private_data; /* private for allocator; don't touch */
};

申请

在通过machine将每一条声卡链路建立完成后.将通过pcm_new申请dma_buffer

申请当前的stream支持的最大的DMA buffer内存空间.

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snd_pcm_lib_preallocate_pages_for_all(pcm, SNDRV_DMA_TYPE_DEV,
    card->dev, buffer_size, buffer_bytes_max);

dma buffer获得后，即是获得了dma操作的源地址，那么目的地址在哪里？

实际使用的DMA buffer空间大小,跟实际的采样率,位宽,通道有关.

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snd_pcm_lib_malloc_pages(substream, params_buffer_bytes(params));

DMA buffer的管理

环形缓冲区正好适合用于这种情景的buffer管理，理想情况下，大小为Count的缓冲区具备一个读指针和写指针，我们期望他们都可以闭合地做环形移动，但是实际的情况确实：缓冲区通常都是一段连续的地址，他是有开始和结束两个边界，每次移动之前都必须进行一次判断，当指针移动到末尾时就必须人为地让他回到起始位置。在实际应用中，我们通常都会把这个大小为Count的缓冲区虚拟成一个大小为n*Count的逻辑缓冲区，相当于理想状态下的圆形绕了n圈之后，然后把这段总的距离拉平为一段直线，每一圈对应直线中的一段，因为n比较大，所以大多数情况下不会出现读写指针的换位的情况（如果不对buffer进行扩展，指针到达末端后，回到起始端时，两个指针的前后相对位置会发生互换）。扩展后的逻辑缓冲区在计算剩余空间可条件判断是相对方便。alsa driver也使用了该方法对dma buffer进行管理：

rang buffer

  1. Period size：周期，每次硬件中断处理音频数据的帧数，对于音频设备的数据读写，以此为单位。

  2. Buffer size：数据缓冲区大小，这里特指runtime的buffer size，而不是snd_pcm_hardware定义的buffer_bytes_max。
    一般来说Buffer size = period_size * period_count(periods)，period_count相当于处理完一个buffer数据所需的硬件中断次数(在DMA传输中,相当于DMA描述符的个数)。

大小:

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runtime->period_size = params_period_size(params);
runtime->periods = params_periods(params);
runtime->buffer_size = params_buffer_size(params);

period_size的大小确认为,sample_rate / channel / frame Byte
frame = channel*bit/8 Byte

snd_pcm_runtime结构中，使用了四个相关的字段来完成这个逻辑缓冲区的管理：

  • snd_pcm_runtime.hw_ptr_base 环形缓冲区每一圈的基地址，当读写指针越过一圈后，它按buffer size进行移动；
  • snd_pcm_runtime.status->hw_ptr 硬件逻辑位置，播放时相当于读指针，录音时相当于写指针；
  • snd_pcm_runtime.control->appl_ptr 应用逻辑位置，播放时相当于写指针，录音时相当于读指针；
  • snd_pcm_runtime.boundary 扩展后的逻辑缓冲区大小，通常是(2^n)*size；

播放

以播放(playback)为例，至少有3个途径可以完成对dma buffer的写入：

  1. 应用程序调用alsa-lib的snd_pcm_writei、snd_pcm_writen函数；
  2. 应用程序使用ioctl：SNDRV_PCM_IOCTL_WRITEI_FRAMES或SNDRV_PCM_IOCTL_WRITEN_FRAMES；
  3. 应用程序使用alsa-lib的snd_pcm_mmap_begin/snd_pcm_mmap_commit;

以上几种方式最终把数据写入dma buffer中，然后修改runtime->control->appl_ptr的值。

播放过程中，通常会配置成每一个period size生成一个dma中断，中断处理函数最重要的任务就是：更新dma的硬件的当前位置，该数值通常保存在runtime->private_data中；
调用snd_pcm_period_elapsed函数，该函数会进一步调用snd_pcm_update_hw_ptr0函数更新上述所说的4个缓冲区管理字段，然后唤醒相应的等待进程；

三个指针

snd_psnd_pcm_period_elapsed

驱动控制器层的数据关系

  • buffer大小: snd_pcm_lib_buffer_bytes(substream) = 32768 = 32KB
  • period : snd_pcm_lib_period_bytes(substream) = 8192 = 8KB
  • DMA描述符的个数: snd_pcm_lib_buffer_bytes(substream) / snd_pcm_lib_period_bytes(substream) = 4

设置运行时的硬件参数

snd_soc_set_runtime_hwparams

DMA buffer 大小

DMA buffer的大小必须时frame和dma burst的倍数,也就是二者大最小公倍数的倍数

限制buffer的大小关系,当然最特定的播放条件可以通过手动设置buffer最大值和周期的大小进行设置.

根本性的解决

数据结构

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struct snd_interval {
    unsigned int min, max;  //最小,最大值
    unsigned int openmin:1, //最小值的开区间,使能,默认闭区间
             openmax:1,
             integer:1,     //使能后取范围内的整数
             empty:1;
};

实现

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int xxx_open()
{

 ret = snd_pcm_hw_constraint_integer(runtime, SNDRV_PCM_HW_PARAM_PERIOD_BYTES);
 if (ret < 0)
     return ret;

 if (as_dma->dma_fth_quirk) {
     snd_pcm_hw_rule_add(substream->runtime, 0,
             SNDRV_PCM_HW_PARAM_PERIOD_BYTES,
             ingenic_as_dma_period_bytes_quirk,
             NULL,
             SNDRV_PCM_HW_PARAM_FRAME_BITS,
             SNDRV_PCM_HW_PARAM_PERIOD_BYTES,
             -1);
 }
}
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static int ingenic_as_dma_period_bytes_quirk(struct snd_pcm_hw_params *params,
        struct snd_pcm_hw_rule *rule)
{
    struct snd_interval *iperiod_bytes = hw_param_interval(params,
            SNDRV_PCM_HW_PARAM_PERIOD_BYTES);
    struct snd_interval *iframe_bits = hw_param_interval(params,
            SNDRV_PCM_HW_PARAM_FRAME_BITS);
    int align_bytes = DCM_TSZ_MAX_WORD << 2; //32 world
    int min_frame_bytes = iframe_bits->min >> 3;
    int max_frame_bytes = iframe_bits->max >> 3;
    int min_period_bytes = iperiod_bytes->min;
    int max_period_bytes = iperiod_bytes->max;
    int min_align_bytes, max_align_bytes;
    struct snd_interval nperiod_bytes;

    snd_interval_any(&nperiod_bytes);
    min_align_bytes = lcm(align_bytes, min_frame_bytes);
    min_period_bytes = (min_period_bytes + min_align_bytes - 1) / min_align_bytes;
    nperiod_bytes.min = min_period_bytes * min_align_bytes;

    max_align_bytes = lcm(align_bytes, max_frame_bytes);
    max_period_bytes = max_period_bytes / max_align_bytes;
    nperiod_bytes.max = max_period_bytes * max_align_bytes;

    DMA_DEBUG_MSG("==> %s %d : align_bytes = %d \n\
            frame_bytes.min (%d)\t\tframe_bytes.max (%d) \n\
            period_bytes.min  [%d]\tperiod_bytes.max  [%d] \n\
            nperiod_bytes.min [%d]\tnperiod_bytes.max [%d]\n",
            __func__, __LINE__, align_bytes,
            min_frame_bytes, max_frame_bytes, iperiod_bytes->min,
            iperiod_bytes->max, nperiod_bytes.min, nperiod_bytes.max);
    return snd_interval_refine(iperiod_bytes, &nperiod_bytes);
}

调用过程

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int snd_pcm_hw_refine(struct snd_pcm_substream *substream,
              struct snd_pcm_hw_params *params)
{
    ...
    changed = r->func(params, r);
    ...
}

sound/core/pcm_native.c

参考

  1. 内核Alsa之pcm
  2. ALSA lib基本概念