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;
- }
recommend from :http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-libmadmp3player/index.html |
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