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：

1. int  snd_pcm_hw_params_malloc (snd_pcm_hw_params_t **ptr)
2. int  snd_pcm_hw_params_any (snd_pcm_t *pcm, snd_pcm_hw_params_t *params)
3. void snd_pcm_hw_params_free (snd_pcm_hw_params_t *obj)
4. int  snd_pcm_hw_params_set_access ( snd_pcm_t *pcm,
5. snd_pcm_hw_params_t *params,
6. snd_pcm_access_t _access)
7. int  snd_pcm_hw_params_set_format ( snd_pcm_t *pcm,
8. snd_pcm_hw_params_t *params,
9. snd_pcm_format_t val)
10. int  snd_pcm_hw_params_set_channels(snd_pcm_t *pcm,
11. snd_pcm_hw_params_t *params,
12. unsigned int val)
13. int snd_pcm_hw_params_set_rate_near(snd_pcm_t *pcm,
14. snd_pcm_hw_params_t *params,
15. unsigned int *val, int *dir)

PCM 接口函数有：

1. int   snd_pcm_hw_params (snd_pcm_t *pcm, snd_pcm_hw_params_t *params)
2. int   snd_pcm_prepare (snd_pcm_t *pcm)
3. int   snd_pcm_open (snd_pcm_t **pcm, const char *name,
4. snd_pcm_stream_t stream, int mode)
5. int   snd_pcm_close (snd_pcm_t *pcm)
6. snd_pcm_sframes_t   snd_pcm_writei (snd_pcm_t *pcm,
7. 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：

1. 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。

1. 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：

1. SND_PCM_FORMAT_S16_LE      有符号16 bit Little Endian
2. SND_PCM_FORMAT_S16_BE      有符号16 bit Big Endian
3. SND_PCM_FORMAT_U16_LE      无符号16 bit Little Endian
4. SND_PCM_FORMAT_U16_BE      无符号 16 bit Big Endian
5. 比如对于 32-bit 长度的采样数据可以设置为：
6. SND_PCM_FORMAT_S32_LE      有符号32 bit Little Endian
7. SND_PCM_FORMAT_S32_BE      有符号32 bit Big Endian
8. SND_PCM_FORMAT_U32_LE      无符号32 bit Little Endian
9. 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

1. /* open a PCM device */
2. int open_device(struct mad_header const *header)
3. {
4. int err;
5. snd_pcm_hw_params_t *hw_params;
6. char  *pcm_name = "plughw:0,0";
7. int rate = header->samplerate;
8. int channels = 2;
9. if (header->mode == 0) {
10. channels = 1;
11. } else {
12. channels = 2;
13. }
14. if ((err = snd_pcm_open (&playback_handle,
15. pcm_name, SND_PCM_STREAM_PLAYBACK, 0)) < 0) {
16. printf("cannot open audio device %s (%s)\n",
17. pcm_name,
18. snd_strerror (err));
19. return -1;
20. }
21. if ((err = snd_pcm_hw_params_malloc (&hw_params)) < 0) {
22. printf("cannot allocate hardware parameter structure (%s)\n",
23. snd_strerror (err));
24. return -1;
25. }
26. if ((err = snd_pcm_hw_params_any (playback_handle, hw_params)) < 0) {
27. printf("cannot initialize hardware parameter structure (%s)\n",
28. snd_strerror (err));
29. return -1;
30. }
31. if ((err = snd_pcm_hw_params_set_access (playback_handle, hw_params,
32. SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED)) < 0) {
33. printf("cannot set access type (%s)\n",
34. snd_strerror (err));
35. return -1;
36. }
37. if ((err = snd_pcm_hw_params_set_format (playback_handle,
38. hw_params, SND_PCM_FORMAT_S32_LE)) < 0) {
39. printf("cannot set sample format (%s)\n",
40. snd_strerror (err));
41. return -1;
42. }
43. if ((err = snd_pcm_hw_params_set_rate_near (playback_handle,
44. hw_params, &rate, 0)) < 0) {
45. printf("cannot set sample rate (%s)\n",
46. snd_strerror (err));
47. return -1;
48. }
49. if ((err = snd_pcm_hw_params_set_channels (playback_handle,
50. hw_params, channels)) < 0) {
51. printf("cannot set channel count (%s)\n",
52. snd_strerror (err));
53. return -1;
54. }
55. if ((err = snd_pcm_hw_params (playback_handle,
56. hw_params)) < 0) {
57. printf("cannot set parameters (%s)\n",
58. snd_strerror (err));
59. return -1;
60. }
61. snd_pcm_hw_params_free (hw_params);
62. if ((err = snd_pcm_prepare (playback_handle)) < 0) {
63. printf("cannot prepare audio interface for use (%s)\n",
64. snd_strerror (err));
65. return -1;
66. }
67. return 0;
68. }

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

1. while (nsamples--) {
2. /* nsamples 是采样的数目 */
3. signed int sample;
4. sample = pcm->samples[0][j];
5. *(OutputPtr++) = sample & 0xff;
6. *(OutputPtr++) = (sample >> 8);
7. *(OutputPtr++) = (sample >> 16);
8. *(OutputPtr++) = (sample >> 24);
9. if (nchannels == 2) {
10. sample = pcm->samples[1][j];
11. *(OutputPtr++) = sample  & 0xff;
12. *(OutputPtr++) = sample >> 8;
13. *(OutputPtr++) = (sample >> 16);
14. *(OutputPtr++) = (sample >> 24);
15. }
16. j++;
17. }
18. if ((err = snd_pcm_writei (playback_handle, buf, samples)) < 0) {
19. err = xrun_recovery(playback_handle, err);
20. if (err < 0) {
21. printf("Write error: %s\n", snd_strerror(err));
22. return -1;
23. }
24. }

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

1. int xrun_recovery(snd_pcm_t *handle, int err)
2. {
3. if (err == -EPIPE) {    /* under-run */
4. err = snd_pcm_prepare(handle);
5. if (err < 0)
6. printf("Can't recovery from underrun, prepare failed: %s\n",
7. snd_strerror(err));
8. return 0;
9. } else if (err == -ESTRPIPE) {
10. while ((err = snd_pcm_resume(handle)) == -EAGAIN)
11. sleep(1);       /* wait until the suspend flag is released */
12. if (err < 0) {
13. err = snd_pcm_prepare(handle);
14. if (err < 0)
15. printf("Can't recovery from suspend, prepare failed: %s\n",
16. snd_strerror(err));
17. }
18. return 0;
19. }
20. return err;
21. }

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

1. int mp3_decode_buf(char *input_buf, int size)
2. {
3. int decode_over_flag = 0;
4. int remain_bytes = 0;
5. int ret_val = 0;
6. mad_stream_buffer(&decode_stream, input_buf, size);
7. decode_stream.error = MAD_ERROR_NONE;
8. while (1)
9. {
10. if (decode_stream.error == MAD_ERROR_BUFLEN) {
11. if (decode_stream.next_frame != NULL) {
12. remain_bytes = decode_stream.bufend - decode_stream.next_frame;
13. memcpy(input_buf, decode_stream.next_frame, remain_bytes);
14. return remain_bytes;
15. }
16. }
17. ret_val = mad_frame_decode(&decode_frame, &decode_stream);
18. /* 省略部分代码 */
19. ...
20. if (ret_val == 0) {
21. if (play_frame(&decode_frame) == -1) {
22. return -1;
23. }
24. }
25. /* 后面代码省略 */
26. ...
27. }
28. return 0;
29. }

 
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