rk音频驱动分析之ring buf

参考： https://blog.csdn.net/u013531497/article/details/48290195

http://www.echojb.com/hardware/2016/12/21/283392.htm

https://blog.csdn.net/droidphone/article/details/7316061

 

1.dma buffer简介

        播放时，应用程序把音频数据源源不断地写入dma buffer中，然后相应platform的dma操作则不停地从该buffer中取出数据，经dai送往codec中。录音时则正好相反，codec源源不断地把A/D转换好的音频数据经过dai送入dma buffer中，而应用程序则不断地从该buffer中读走音频数据。

                                                                                 图6.2.1   环形缓冲区

 

        ALSA buffer是采用ring buffer来实现的。ring buffer有多个HW buffer组成，也是上层的说的一个period。

        HW buffer一般是在alsa driver的hw_params函数中分配的一块大小为buffer size的DMA buffer，这个buffer size一般由应用程序指定.之所以采用多个HW buffer来组成ring buffer,是防止读写指针的前后位置频繁的互换（即写指针到达HW buffer边界时，就要回到HW buffer起始点）。ring buffer = n * HW buffer.通常这个n比较大，也是由应用指定，在数据读写的过程中，很少会出现读写指针互换的情况。

 

 

 

2.dma buffer管理

        alsa driver也使用了该方法对dma buffer进行管理：

        

       Buffer size：就是一个HW buffer，也是一个period，DMA每次搬运的基本单位(有时候可能搬运比这个size小)，也是一个frames

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, runtime->boundary一般都是较大的数，ALSA中默认接近LONG_MAX/2.这样FIFO的出队入队指针不是真实的缓冲区的地址偏移，经过转换才得到 物理缓冲的偏移。这样做的好处是简化了缓冲区的管理，只有在更新hw指针的时候才需 要换算到hw_ofs.；

    通过这几个字段，我们可以很容易地获得缓冲区的有效数据，剩余空间等信息，也可以很容易地把当前逻辑位置映射回真实的dma buffer中。

    例如，获得播放缓冲区的空闲空间：

        snd_pcm_sframes_t avail = runtime->status->hw_ptr + runtime->buffer_size - runtime->control->appl_ptr;

        这里runtime->status->hw_ptr是读指针(DMA读取buf数据，通过dai，写入到codec)，runtime->buffer_size是ring buffer大小，runtime->control->appl_ptr这个是写指针

(应用写到ring buffer里面)，这样就可以得到应用可以写入的空间。

    例如，获得录音缓冲区的可读的空间：

        snd_pcm_sframes_t avail = runtime->status->hw_ptr - runtime->control->appl_ptr;

        这里runtime->status->hw_ptr是写指针(DMA通过dai，读取数据到ring buf)，runtime->control->appl_ptr这个是读指针

(应用读取ring buffer数据的指针)，这样就可以得到应用可以读取的空间。

 

        所以要想通过snd_pcm_playback_avail等函数获得正确的信息前，应该先要调用这个api更新指针位置。

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

• 应用程序调用alsa-lib的snd_pcm_writei、snd_pcm_writen函数；
• 应用程序使用ioctl：SNDRV_PCM_IOCTL_WRITEI_FRAMES或SNDRV_PCM_IOCTL_WRITEN_FRAMES；
• 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。

 

录音snd_pcm_lib_read1调试打印：

<4>[ 705.967313] cxw frames=1024, appl_ptr=138240, appl_ofs = 7168, cont=9216

<4>[ 705.967341] cxw buffer_size=16384, runtime->boundary=1073741824, avail = 1024

<4>[ 705.988310] cxw frames=1024, appl_ptr=139264, appl_ofs = 8192, cont=8192

<4>[ 705.988337] cxw buffer_size=16384, runtime->boundary=1073741824, avail = 1024

可以看出：

    1.frames就是一个period,buffer_size是ring buf大小，这里有16个period：1024*16 =  16384；

    2.appl_ptr是读的指针，这个指针会一值增加，直到 runtime->boundary的界限

    3.appl_ofs 是相对于buffer_size的偏移

    4.cont = buffer_size - appl_ofs 

    5.avail 是可读的大小

 

 

3.DMA完成一个period后的中断处理函数

我们这里调用kernel/sound/soc/soc-dmaengine-pcm.c中的dmaengine_pcm_dma_complete

    struct dmaengine_pcm_runtime_data *prtd = substream_to_prtd(substream);

    prtd->pos += snd_pcm_lib_period_bytes(substream);  //得到偏移地址，也就是加上刚才的period_size

    if (prtd->pos >= snd_pcm_lib_buffer_bytes(substream)) //如果已经比ring buf大，说明已经饶了一圈了

        prtd->pos = 0; //回到起点

    snd_pcm_period_elapsed(substream); // update the pcm status for the next period

        snd_pcm_update_hw_ptr0(substream, 1) //更新缓冲区管理字段，单独分析

  

 

  

4.更新缓冲区管理字段

//它是将hw_ofs转换成FIFO中hw_ptr的过程，同时处理环形缓冲区的回绕，没有中断，中断丢失等情况。

static int snd_pcm_update_hw_ptr0(struct snd_pcm_substream *substream, unsigned int in_interrupt)

    old_hw_ptr = runtime->status->hw_ptr; //保存上一次的hw_ptr,在此函数中将更新hw_ptr /*

    pos = substream->ops->pointer(substream);//获取hw_ptr在当前HW buffer中的偏移,调用soc_pcm_pointer函数

        if (platform->driver->ops && platform->driver->ops->pointer) //现在是获取这个

            offset = platform->driver->ops->pointer(substream); //hw_ptr在当前HW buffer中的偏移

            delay += cpu_dai->driver->ops->delay(substream, cpu_dai); //调用cpu_dai， codec_dai，platform的delay函数

            delay += codec_dai->driver->ops->delay(substream, codec_dai);

            delay += platform->driver->delay(substream, codec_dai);

    if (pos >= runtime->buffer_size)

        pos = 0;

    pos -= pos % runtime->min_align; //以runtime->min_align对齐这个pos，位置

    hw_base = runtime->hw_ptr_base; //获得基地址

    new_hw_ptr = hw_base + pos; //获得新的地址

    if (in_interrupt) //DMA传输完成后调用，in_interrupt=1

        delta = runtime->hw_ptr_interrupt + runtime->period_size; ///* Position at interrupt time */中断的位置

        if (delta > new_hw_ptr) {//如果本次通过中断位置加上period_size计算出来的hw_ptr比当前hw_ptr大的话，则说明有可能hw_base需要更新到下一个HW buffer的基地址。

        .....细节不分析了.....

    if (new_hw_ptr < old_hw_ptr) {//如果当前的hw_ptr比上一次的hw_ptr小，说明hw_base需要更新到下一个HW buffer的基地址。hw_ptr也要同步更新。

        hw_base += runtime->buffer_size;
        if (hw_base >= runtime->boundary) {//如果hw_base > boundary,那hw_base回跳到Ring Buffer起始位置。

        ........细节不分析了.....

    __delta:

        delta = new_hw_ptr - old_hw_ptr;
　　 if (delta < 0)//如果当前的hw_ptr任然比上一的hw_ptr小，说明hw_ptr走完了Ring buffer一圈。

            ........细节不分析.....

        if (delta >= runtime->buffer_size + runtime->period_size) {//如果当前hw_ptr比较上一次相差buffer size + peroid size,说明有错误。

            .......细节不分析.....

    no_jiffies_check:
        if (delta > runtime->period_size + runtime->period_size / 2) {//interupt丢失，delta(如果当前hw_ptr比较上一次之差)>1.5个peroid size

            .......细节不分析.....

        snd_pcm_playback_silence(substream, new_hw_ptr);//播放silence 　　if (in_interrupt) {//更新hw_ptr_interrupt

             .......细节不分析.....

            

        

5.PCM的状态转换

下图是PCM的状态的转换图

除XRUN状态之后，其它的状态大多都由用户空间的ioctl()显式的切换。

以TinyAlsa的播放音频流程为例。

pcm_open()的对应的流程就是：

1. open(pcm)后绑定一个substream，处于OPEN状态
2. ioctl(SNDRV_PCM_IOCTL_SW_PARAMS)设定参数pcm_config.配置 runtime 的sw_para.切换到SETUP状态

 

Tinyalsa的pcm_wirte()流程：

1. ioctl(SNDRV_PCM_IOCTL_PREPARE)后，substream切换到PREPARE状态。
2. ioctl(SNDRV_PCM_IOCTL_WRITEI_FRAMES)后，substream切换到RUNNING状态。

 

TinyAlsa的pcm_mmap_write()流程：

1. ioctl(SNDRV_PCM_IOCTL_PREPARE)后，substream切换到PREPARE状态。
2. ioctl(SNDRV_PCM_IOCTL_START)后，substream切换到RUNNING状态。

 

TinyAlsa pcm_close流程：

1. ioctl(SNDRV_PCM_IOCTL_DROP)后，切换回SETUP状态。
2. close()之后，释放这个设备。

 

        XRUN状态又分有两种，在播放时，用户空间没及时写数据导致缓冲区空了，硬件没有 可用数据播放导致UNDERRUN;录制时，用户空间没有及时读取数据导致缓冲区满后溢出， 硬件录制的数据没有空闲缓冲可写导致OVERRUN.