PCM音频设备的操作(转)

 对音频设备的操作主要是初始化音频设备以及往音频设备发送 PCM（Pulse Code Modulation）数据。为了方便，本文使用 ALSA（Advanced Linux Sound Architecture）提供的库和驱动。在编译和运行本文中的 MP3 流媒体播放器的时候，必须先安装 ALSA 相关的文件。
 本文用到的主要对 PCM 设备操作的函数分为 PCM 设备初始化的函数以及 PCM 接口的一些操作函数。
PCM 硬件设备参数设置和初始化的函数有：

 

int  snd_pcm_hw_params_malloc (snd_pcm_hw_params_t **ptr)
int  snd_pcm_hw_params_any (snd_pcm_t *pcm, snd_pcm_hw_params_t *params)
void snd_pcm_hw_params_free (snd_pcm_hw_params_t *obj)
int  snd_pcm_hw_params_set_access ( snd_pcm_t *pcm,
                                    snd_pcm_hw_params_t *params,
                                    snd_pcm_access_t _access)
int  snd_pcm_hw_params_set_format ( snd_pcm_t *pcm,
                                    snd_pcm_hw_params_t *params,
                                    snd_pcm_format_t val)
int  snd_pcm_hw_params_set_channels(snd_pcm_t *pcm,
                                    snd_pcm_hw_params_t *params,
                                    unsigned int val)
int snd_pcm_hw_params_set_rate_near(snd_pcm_t *pcm,
                                    snd_pcm_hw_params_t *params,
                                    unsigned int *val, int *dir)

PCM 接口函数有：

 

int   snd_pcm_hw_params (snd_pcm_t *pcm, snd_pcm_hw_params_t *params)
int   snd_pcm_prepare (snd_pcm_t *pcm)
int   snd_pcm_open (snd_pcm_t **pcm, const char *name,
                    snd_pcm_stream_t stream, int mode)
int   snd_pcm_close (snd_pcm_t *pcm)
snd_pcm_sframes_t   snd_pcm_writei (snd_pcm_t *pcm,
                    const void *buffer, snd_pcm_uframes_t size)

这些函数用到了 snd_pcm_hw_params_t 结构，此结构包含用来播放 PCM 数据流的硬件信息配置。在往音频设备（声卡）写入音频数据之前，必须设置访问类型、采样格式、采样率、声道数等。

首先使用 snd_pcm_open () 打开 PCM 设备，在 ALSA 中，PCM 设备都有名字与之对应。比如我们可以定义 PCM 设备名字为 char *pcm_name = "plughw:0,0"。 最重要的 PCM 设备接口是“plughw”以及“hw”接口。 使用“plughw”接口，程序员不必过多关心硬件，而且如果设置的配置参数和实际硬件支持的参数不一致，ALSA 会自动转换数据。如果使用“hw”接口，我们就必须检测硬件是否支持设置的参数了。Plughw 后面的两个数字分别表示设备号和次设备（subdevice）号。

snd_pcm_hw_params_malloc( ) 在栈中分配 snd_pcm_hw_params_t 结构的空间，然后使用 snd_pcm_hw_params_any( ) 函数用声卡的全配置空间参数初始化已经分配的 snd_pcm_hw_params_t 结构。snd_pcm_hw_params_set_access ( ) 设置访问类型，常用访问类型的宏定义有：

SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED

交错访问。在缓冲区的每个 PCM 帧都包含所有设置的声道的连续的采样数据。比如声卡要播放采样长度是 16-bit 的 PCM 立体声数据，表示每个 PCM 帧中有 16-bit 的左声道数据，然后是 16-bit 右声道数据。

SND_PCM_ACCESS_RW_NONINTERLEAVED

非交错访问。每个 PCM 帧只是一个声道需要的数据，如果使用多个声道，那么第一帧是第一个声道的数据，第二帧是第二个声道的数据，依此类推。

函数 snd_pcm_hw_params_set_format() 设置数据格式，主要控制输入的音频数据的类型、无符号还是有符号、是 little-endian 还是 bit-endian。比如对于 16-bit 长度的采样数据可以设置为：

SND_PCM_FORMAT_S16_LE      有符号16 bit Little Endian
SND_PCM_FORMAT_S16_BE      有符号16 bit Big Endian
SND_PCM_FORMAT_U16_LE      无符号16 bit Little Endian
SND_PCM_FORMAT_U16_BE      无符号 16 bit Big Endian
比如对于 32-bit 长度的采样数据可以设置为：
SND_PCM_FORMAT_S32_LE      有符号32 bit Little Endian
SND_PCM_FORMAT_S32_BE      有符号32 bit Big Endian
SND_PCM_FORMAT_U32_LE      无符号32 bit Little Endian
SND_PCM_FORMAT_U32_BE      无符号 32 bit Big Endian

函数 snd_pcm_hw_params_set_channels() 设置音频设备的声道，常见的就是单声道和立体声，如果是立体声，设置最后一个参数为2。snd_pcm_hw_params_set_rate_near () 函数设置音频数据的最接近目标的采样率。snd_pcm_hw_params( ) 从设备配置空间选择一个配置，让函数 snd_pcm_prepare() 准备好 PCM 设备，以便写入 PCM 数据。snd_pcm_writei() 用来把交错的音频数据写入到音频设备。

初始化 PCM 设备的例程如下：

初始化 PCM 设备的例程
 

/* open a PCM device */
int open_device(struct mad_header const *header)
{
   int err;
   snd_pcm_hw_params_t *hw_params;
   char  *pcm_name = "plughw:0,0";
   int rate = header->samplerate;
   int channels = 2;

   if (header->mode == 0) {
      channels = 1;
   } else {
      channels = 2;
   }

   if ((err = snd_pcm_open (&playback_handle,
                            pcm_name, SND_PCM_STREAM_PLAYBACK, 0)) < 0) {
      printf("cannot open audio device %s (%s)\n",
      pcm_name,
      snd_strerror (err));
      return -1;
   }

   if ((err = snd_pcm_hw_params_malloc (&hw_params)) < 0) {
      printf("cannot allocate hardware parameter structure (%s)\n",
      snd_strerror (err));
      return -1;
   }

   if ((err = snd_pcm_hw_params_any (playback_handle, hw_params)) < 0) {
      printf("cannot initialize hardware parameter structure (%s)\n",
      snd_strerror (err));
      return -1;
   }


   if ((err = snd_pcm_hw_params_set_access (playback_handle, hw_params,
              SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED)) < 0) {
      printf("cannot set access type (%s)\n",
      snd_strerror (err));
      return -1;
   }


   if ((err = snd_pcm_hw_params_set_format (playback_handle,
              hw_params, SND_PCM_FORMAT_S32_LE)) < 0) {
      printf("cannot set sample format (%s)\n",
      snd_strerror (err));
      return -1;
   }
   if ((err = snd_pcm_hw_params_set_rate_near (playback_handle,
              hw_params, &rate, 0)) < 0) {
      printf("cannot set sample rate (%s)\n",
      snd_strerror (err));
      return -1;
   }

   if ((err = snd_pcm_hw_params_set_channels (playback_handle,
              hw_params, channels)) < 0) {
      printf("cannot set channel count (%s)\n",
      snd_strerror (err));
      return -1;
   }

   if ((err = snd_pcm_hw_params (playback_handle,
              hw_params)) < 0) {
      printf("cannot set parameters (%s)\n",
      snd_strerror (err));
      return -1;
   }

   snd_pcm_hw_params_free (hw_params);
   if ((err = snd_pcm_prepare (playback_handle)) < 0) {
      printf("cannot prepare audio interface for use (%s)\n",
      snd_strerror (err));
      return -1;
   }

   return 0;
}

这里配置的 PCM 格式是 SND_PCM_FORMAT_S32_LE，采样的格式是每个采样有 32-bit 的数据，数据按照 little-endian 存放。如果通过 mad_frame_decode() 函数得到 PCM 数据后，要求每个采样数据只占 16-bit，需要把数据进行MAD的定点类型到 signed short 类型进行转换。那么，PCM 数据如何写入声卡中呢？函数实现例程如下所示：

PCM 数据写入声卡函数实现例程
 

while (nsamples--) {
/* nsamples 是采样的数目 */
       signed int sample;

       sample = pcm->samples[0][j];
       *(OutputPtr++) = sample & 0xff;
       *(OutputPtr++) = (sample >> 8);
       *(OutputPtr++) = (sample >> 16);
       *(OutputPtr++) = (sample >> 24);

       if (nchannels == 2) {
          sample = pcm->samples[1][j];
          *(OutputPtr++) = sample  & 0xff;
          *(OutputPtr++) = sample >> 8;
          *(OutputPtr++) = (sample >> 16);
          *(OutputPtr++) = (sample >> 24);

       }
       j++;

   }
   if ((err = snd_pcm_writei (playback_handle, buf, samples)) < 0) {
      err = xrun_recovery(playback_handle, err);
      if (err < 0) {
         printf("Write error: %s\n", snd_strerror(err));
         return -1;
      }
   }

这里用到了 http://www.alsa-project.org/ 关于 ALSA 文档中的例子函数 xrun_recovery( )。详细例子请参见http://www.alsa-project.org/alsa-doc/alsa-lib/_2test_2pcm_8c-example.html。使用此函数的目的是避免出现由于网络原因，声卡不能及时得到音频数据而使得 snd_pcm_writei() 不能正常连续工作。实际上在xrun_recovery( ) 中，又调用 snd_pcm_prepare() 和 snd_pcm_resume() 以实现能“恢复错误”的功能。-EPIPE错误表示应用程序没有及时把 PCM 采样数据送入ASLA 库。xrun_recovery() 函数如下所示：

xrun_recovery() 函数
 

int xrun_recovery(snd_pcm_t *handle, int err)
{
   if (err == -EPIPE) {    /* under-run */
      err = snd_pcm_prepare(handle);

   if (err < 0)
      printf("Can't recovery from underrun, prepare failed: %s\n",
         snd_strerror(err));
      return 0;
   } else if (err == -ESTRPIPE) {
      while ((err = snd_pcm_resume(handle)) == -EAGAIN)
         sleep(1);       /* wait until the suspend flag is released */
         if (err < 0) {
            err = snd_pcm_prepare(handle);
         if (err < 0)
            printf("Can't recovery from suspend, prepare failed: %s\n",
              snd_strerror(err));
      }
      return 0;
   }
   return err;
}

知道了具体的音频设备操作方法，就该使用 MAD 提供的函数具体实现解码了。函数 mp3_decode_buf( ) 提供了使用 libmad 解码的方法。首先调用 mad_stream_buffer() 函数把 MP3 流数据和 decode_stream 关联，然后开始循环解码数据。如果在解码数据过程中，有不完整 PCM 数据帧，那么 decode_stream.error 的值就是MAD_ERROR_BUFLEN，且 decode_stream.next_frame 不为 NULL。这时候，把剩余的未解码的数据再拷贝到数据解码缓冲区里。 mad_frame_decode( ) 函数从 decode_stream 中得到 PCM 数据。

mad_frame_decode( ) 函数从 decode_stream 中得到 PCM 数据

int mp3_decode_buf(char *input_buf, int size)
{
  int decode_over_flag = 0;
  int remain_bytes = 0;
  int ret_val = 0;
  mad_stream_buffer(&decode_stream, input_buf, size);
  decode_stream.error = MAD_ERROR_NONE;
  while (1)
  {
      if (decode_stream.error == MAD_ERROR_BUFLEN) {
        if (decode_stream.next_frame != NULL) {
           remain_bytes = decode_stream.bufend - decode_stream.next_frame;
           memcpy(input_buf, decode_stream.next_frame, remain_bytes);
           return remain_bytes;
        }
      }
      ret_val = mad_frame_decode(&decode_frame, &decode_stream);
     /* 省略部分代码 */
     ...
     if (ret_val == 0) {
         if (play_frame(&decode_frame) == -1) {
            return -1;
         }
      }
      /* 后面代码省略 */
      ...
   }

   return 0;
}

 

 
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