ALSA driver--HW Buffer

当app在调用snd_pcm_writei时，alsa core将app传来的数据搬到HW buffer（即DMA buffer）中，alsa driver从HW buffer中读取数据传输到硬件播放。

ALSA buffer是采用ring buffer来实现的。ring buffer有多个HW buffer组成。

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.

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，在数据读写的过程中，很少会出现读写指针互换的情况。

下图是ALSA buffer的实现以及读写指针更新的方法，

hw_ptr_base是当前HW buffer在Ring buffer中的起始位置。当读指针到达HW buffer尾部时,hw_ptr_base按buffer size移动.

hw_ptr即HW buffer的读指针。alsa driver将数据从HW buffer中读走并送到声卡硬件时，hw_ptr就会移动到新位置。

appl_ptr即HW buffer的写指针。app在调用snd_pcm_write写数据，alsa core将数据copy到HW buffer后，appl_ptr就更新。

boundary即Ring buffer边界。

hw_ofs是读指针在当前HW buffer中的位置。由alsa driver的pointer()返回。

appl_ofs是写指针在当前HW buffer中的位置。

hw_ptr的更新是通过调用snd_pcm_update_hw_ptr0完成。此函数在app写数据时会调用，也会在硬件中断时通过snd_pcm_peroid_elapsed调用。

static int snd_pcm_update_hw_ptr0(struct snd_pcm_substream *substream,
unsigned int in_interrupt)
{
struct snd_pcm_runtime *runtime = substream->runtime;
snd_pcm_uframes_t pos;
snd_pcm_uframes_t old_hw_ptr, new_hw_ptr, hw_base;
snd_pcm_sframes_t hdelta, delta;
unsigned long jdelta;
unsigned long curr_jiffies;
struct timespec curr_tstamp;
struct timespec audio_tstamp;
int crossed_boundary = 0;

　　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

/*
* group pointer, time and jiffies reads to allow for more
* accurate correlations/corrections.
* The values are stored at the end of this routine after
* corrections for hw_ptr position
*/
　　pos = substream->ops->pointer(substream);//获取hw_ptr在当前HW buffer中的偏移
　　curr_jiffies = jiffies;
　　if (runtime->tstamp_mode == SNDRV_PCM_TSTAMP_ENABLE) {//获取当前的time stamp
　　　　if ((substream->ops->get_time_info) &&
　　　　　(runtime->audio_tstamp_config.type_requested != SNDRV_PCM_AUDIO_TSTAMP_TYPE_DEFAULT)) {
　　　　　　　　substream->ops->get_time_info(substream, &curr_tstamp,&audio_tstamp,&runtime->audio_tstamp_config,&runtime->audio_tstamp_report);

　　　　　　　　/* re-test in case tstamp type is not supported in hardware and was demoted to DEFAULT */
　　　　　　　　if (runtime->audio_tstamp_report.actual_type == SNDRV_PCM_AUDIO_TSTAMP_TYPE_DEFAULT)
　　　　　　　　　　snd_pcm_gettime(runtime, (struct timespec *)&curr_tstamp);
　　　　　　　　} else
　　　　　　　　　　snd_pcm_gettime(runtime, (struct timespec *)&curr_tstamp);
　　　　　　　　}

　　if (pos == SNDRV_PCM_POS_XRUN) {//发生XRUN
　　　　xrun(substream);
　　　　return -EPIPE;
　　}
　　if (pos >= runtime->buffer_size) {//pos大于buffer size，出现异常
　　　　if (printk_ratelimit()) {
　　　　　　char name[16];
　　　　　　snd_pcm_debug_name(substream, name, sizeof(name));
　　　　　　pcm_err(substream->pcm,"invalid position: %s, pos = %ld, buffer size = %ld, period size = %ld\n",name, pos, runtime->buffer_size,
runtime->period_size);
　　　　}
　　　　pos = 0;
　　}
　　pos -= pos % runtime->min_align;
　　trace_hwptr(substream, pos, in_interrupt);
　　hw_base = runtime->hw_ptr_base;//当前的hw_base
　　new_hw_ptr = hw_base + pos;//当前的hw_ptr
　　if (in_interrupt) {//如果是因为硬件中断调用的此函数
　　/* we know that one period was processed */
　　/* delta = "expected next hw_ptr" for in_interrupt != 0 */
　　delta = runtime->hw_ptr_interrupt + runtime->period_size;
　　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，则说明上一次中断没处理，有可能hw_base需要更新到下一个HW buffer的基地址。
　　　　/* check for double acknowledged interrupts */
　　　　hdelta = curr_jiffies - runtime->hw_ptr_jiffies;
　　　　if (hdelta > runtime->hw_ptr_buffer_jiffies/2 + 1) {//距离上一次的jiffies大于整个buffer 的jiffies的一半。
　　　　　　hw_base += runtime->buffer_size;
　　　　　　if (hw_base >= runtime->boundary) {
　　　　　　　　hw_base = 0;
　　　　　　　　crossed_boundary++;
　　　　　　}
　　　　　　new_hw_ptr = hw_base + pos;
　　　　　　goto __delta;
　　　　}
　　}
}
　　/* new_hw_ptr might be lower than old_hw_ptr in case when */
　　/* pointer crosses the end of the ring buffer */
　　if (new_hw_ptr < old_hw_ptr) {//如果当前的hw_ptr比上一次的hw_ptr小，hw_ptr超过了HW buffer边界。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。
　　　　　　hw_base = 0;
　　　　　　crossed_boundary++;
　　　　}
　　　　new_hw_ptr = hw_base + pos;
　　}
__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。
　　　　delta += runtime->boundary;

　　if (runtime->no_period_wakeup) {//如果硬件处理完一个peroid数据后不产生中断，就不更新hw_ptr

　　　　snd_pcm_sframes_t xrun_threshold;
/*
* Without regular period interrupts, we have to check
* the elapsed time to detect xruns.
*/
　　　　jdelta = curr_jiffies - runtime->hw_ptr_jiffies;
　　　　if (jdelta < runtime->hw_ptr_buffer_jiffies / 2)
　　　　　　goto no_delta_check;
　　　　hdelta = jdelta - delta * HZ / runtime->rate;
　　　　xrun_threshold = runtime->hw_ptr_buffer_jiffies / 2 + 1;
　　　　while (hdelta > xrun_threshold) {
　　　　　　delta += runtime->buffer_size;
　　　　　　hw_base += runtime->buffer_size;
　　　　　　if (hw_base >= runtime->boundary) {
　　　　　　　　hw_base = 0;
　　　　　　　　crossed_boundary++;
　　　　　　}
　　　　　　new_hw_ptr = hw_base + pos;
　　　　　　hdelta -= runtime->hw_ptr_buffer_jiffies;
　　　　}
　　　　goto no_delta_check;
　　}

/* something must be really wrong */
　　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。
　　　　hw_ptr_error(substream, in_interrupt, "Unexpected hw_ptr",
　　　　"(stream=%i, pos=%ld, new_hw_ptr=%ld, old_hw_ptr=%ld)\n",
　　　　substream->stream, (long)pos,
　　　　(long)new_hw_ptr, (long)old_hw_ptr);
　　　　return 0;
　　}

　　/* Do jiffies check only in xrun_debug mode */
　　if (!xrun_debug(substream, XRUN_DEBUG_JIFFIESCHECK))
　　　　goto no_jiffies_check;

/* Skip the jiffies check for hardwares with BATCH flag.
* Such hardware usually just increases the position at each IRQ,
* thus it can't give any strange position.
*/
　　if (runtime->hw.info & SNDRV_PCM_INFO_BATCH)
　　　　goto no_jiffies_check;
　　hdelta = delta;
　　if (hdelta < runtime->delay)
　　　　goto no_jiffies_check;
　　hdelta -= runtime->delay;
　　jdelta = curr_jiffies - runtime->hw_ptr_jiffies;
　　if (((hdelta * HZ) / runtime->rate) > jdelta + HZ/100) {
　　　　delta = jdelta /(((runtime->period_size * HZ) / runtime->rate)+ HZ/100);
　　　　/* move new_hw_ptr according jiffies not pos variable */
　　　　new_hw_ptr = old_hw_ptr;
　　　　hw_base = delta;
　　　　/* use loop to avoid checks for delta overflows */
　　　　/* the delta value is small or zero in most cases */
　　　　while (delta > 0) {
　　　　　　new_hw_ptr += runtime->period_size;
　　　　　　if (new_hw_ptr >= runtime->boundary) {
　　　　　　　　new_hw_ptr -= runtime->boundary;
　　　　　　　　crossed_boundary--;
　　　　　　}
　　　　　　delta--;
　　　　}
/* align hw_base to buffer_size */
　　　　hw_ptr_error(substream, in_interrupt, "hw_ptr skipping",
　　　　"(pos=%ld, delta=%ld, period=%ld, jdelta=%lu/%lu/%lu, hw_ptr=%ld/%ld)\n",
　　　　(long)pos, (long)hdelta,
　　　　(long)runtime->period_size, jdelta,
　　　　((hdelta * HZ) / runtime->rate), hw_base,
　　　　(unsigned long)old_hw_ptr,
　　　　(unsigned long)new_hw_ptr);
　　　　/* reset values to proper state */
　　　　delta = 0;
　　　　hw_base = new_hw_ptr - (new_hw_ptr % runtime->buffer_size);
　　}
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
　　　　hw_ptr_error(substream, in_interrupt,
　　　　"Lost interrupts?",
　　　　"(stream=%i, delta=%ld, new_hw_ptr=%ld, old_hw_ptr=%ld)\n",
　　　　substream->stream, (long)delta,
　　　　(long)new_hw_ptr,
　　　　(long)old_hw_ptr);
　　}

no_delta_check:
　　if (runtime->status->hw_ptr == new_hw_ptr) {//hw_ptr没变化
　　　　update_audio_tstamp(substream, &curr_tstamp, &audio_tstamp);
　　　　return 0;
　　}

　　if (substream->stream == SNDRV_PCM_STREAM_PLAYBACK &&runtime->silence_size > 0)
　　　　snd_pcm_playback_silence(substream, new_hw_ptr);//播放silence

　　if (in_interrupt) {//更新hw_ptr_interrupt
　　　　delta = new_hw_ptr - runtime->hw_ptr_interrupt;
　　　　if (delta < 0)
　　　　　　delta += runtime->boundary;
　　　　delta -= (snd_pcm_uframes_t)delta % runtime->period_size;
　　　　runtime->hw_ptr_interrupt += delta;
　　　　if (runtime->hw_ptr_interrupt >= runtime->boundary)
　　　　　　runtime->hw_ptr_interrupt -= runtime->boundary;
　　}
　　runtime->hw_ptr_base = hw_base;//将更新后的值保存到runtime中
　　runtime->status->hw_ptr = new_hw_ptr;
　　runtime->hw_ptr_jiffies = curr_jiffies;
　　if (crossed_boundary) {
　　　　snd_BUG_ON(crossed_boundary != 1);
　　　　runtime->hw_ptr_wrap += runtime->boundary;
　　}

　　update_audio_tstamp(substream, &curr_tstamp, &audio_tstamp);

　　return snd_pcm_update_state(substream, runtime);//通过本次更新的 件指针，检查是否XRUN，或唤醒等待在他上面的队列如poll,lib_write1

}