Linux ALSA声卡驱动之七:ASoC架构中的Codec

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1.  Codec简介



在移动设备中,Codec的作用可以归结为4种,分别是:



  • 对PCM等信号进行D/A转换,把数字的音频信号转换为模拟信号



  • 对Mic、Linein或者其他输入源的模拟信号进行A/D转换,把模拟的声音信号转变CPU能够处理的数字信号



  • 对音频通路进行控制,比如播放音乐,收听调频收音机,又或者接听电话时,音频信号在codec内的流通路线是不一样的



  • 对音频信号做出相应的处理,例如音量控制,功率放大,EQ控制等等



ASoC对Codec的这些功能都定义好了一些列相应的接口,以方便地对Codec进行控制。ASoC对Codec驱动的一个基本要求是:驱动程序的代码必须要做到平台无关性,以方便同一个Codec的代码不经修改即可用在不同的平台上。以下的讨论基于wolfson的Codec芯片WM8994,kernel的版本3.3.x。







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2.  ASoC中对Codec的数据抽象


描述Codec的最主要的几个数据结构分别是:snd_soc_codec,snd_soc_codec_driver,snd_soc_dai,snd_soc_dai_driver,其中的snd_soc_dai和snd_soc_dai_driver在ASoC的Platform驱动中也会使用到,Platform和Codec的DAI通过snd_soc_dai_link结构,在Machine驱动中进行绑定连接。下面我们先看看这几个结构的定义,这里我只贴出我要关注的字段,详细的定义请参照:/include/sound/soc.h。


snd_soc_codec:





/* SoC Audio Codec device */
struct snd_soc_codec {
	const char *name;  /* Codec的名字*/
	struct device *dev; /* 指向Codec设备的指针 */
	const struct snd_soc_codec_driver *driver; /* 指向该codec的驱动的指针 */
	struct snd_soc_card *card;    /* 指向Machine驱动的card实例 */
	int num_dai; /* 该Codec数字接口的个数,目前越来越多的Codec带有多个I2S或者是PCM接口 */
	int (*volatile_register)(...);  /* 用于判定某一寄存器是否是volatile */
	int (*readable_register)(...);  /* 用于判定某一寄存器是否可读 */
	int (*writable_register)(...);  /* 用于判定某一寄存器是否可写 */

	/* runtime */
	......
	/* codec IO */
	void *control_data; /* 该指针指向的结构用于对codec的控制,通常和read,write字段联合使用 */
	enum snd_soc_control_type control_type;/* 可以是SND_SOC_SPI,SND_SOC_I2C,SND_SOC_REGMAP中的一种 */
	unsigned int (*read)(struct snd_soc_codec *, unsigned int);  /* 读取Codec寄存器的函数 */
	int (*write)(struct snd_soc_codec *, unsigned int, unsigned int);  /* 写入Codec寄存器的函数 */
	/* dapm */
	struct snd_soc_dapm_context dapm;  /* 用于DAPM控件 */
};

snd_soc_codec_driver:




/* codec driver */
struct snd_soc_codec_driver {
	/* driver ops */
	int (*probe)(struct snd_soc_codec *);  /* codec驱动的probe函数,由snd_soc_instantiate_card回调 */
	int (*remove)(struct snd_soc_codec *);  
	int (*suspend)(struct snd_soc_codec *);  /* 电源管理 */
	int (*resume)(struct snd_soc_codec *);  /* 电源管理 */

	/* Default control and setup, added after probe() is run */
	const struct snd_kcontrol_new *controls;  /* 音频控件指针 */
	const struct snd_soc_dapm_widget *dapm_widgets;  /* dapm部件指针 */
	const struct snd_soc_dapm_route *dapm_routes;  /* dapm路由指针 */

	/* codec wide operations */
	int (*set_sysclk)(...);  /* 时钟配置函数 */
	int (*set_pll)(...);  /* 锁相环配置函数 */

	/* codec IO */
	unsigned int (*read)(...);  /* 读取codec寄存器函数 */
	int (*write)(...);  /* 写入codec寄存器函数 */
	int (*volatile_register)(...);  /* 用于判定某一寄存器是否是volatile */
	int (*readable_register)(...);  /* 用于判定某一寄存器是否可读 */
	int (*writable_register)(...);  /* 用于判定某一寄存器是否可写 */

	/* codec bias level */
	int (*set_bias_level)(...);  /* 偏置电压配置函数 */

};

snd_soc_dai:

/*
 * Digital Audio Interface runtime data.
 *
 * Holds runtime data for a DAI.
 */
struct snd_soc_dai {
	const char *name;  /* dai的名字 */
	struct device *dev;  /* 设备指针 */

	/* driver ops */
	struct snd_soc_dai_driver *driver;  /* 指向dai驱动结构的指针 */

	/* DAI runtime info */
	unsigned int capture_active:1;		/* stream is in use */
	unsigned int playback_active:1;		/* stream is in use */

	/* DAI DMA data */
	void *playback_dma_data;  /* 用于管理playback dma */
	void *capture_dma_data;  /* 用于管理capture dma */

	/* parent platform/codec */
	union {
		struct snd_soc_platform *platform;  /* 如果是cpu dai,指向所绑定的平台 */
		struct snd_soc_codec *codec;  /* 如果是codec dai指向所绑定的codec */
	};
	struct snd_soc_card *card;  /* 指向Machine驱动中的crad实例 */
};

snd_soc_dai_driver:

/*
 * Digital Audio Interface Driver.
 *
 * Describes the Digital Audio Interface in terms of its ALSA, DAI and AC97
 * operations and capabilities. Codec and platform drivers will register this
 * structure for every DAI they have.
 *
 * This structure covers the clocking, formating and ALSA operations for each
 * interface.
 */
struct snd_soc_dai_driver {
	/* DAI description */
	const char *name;  /* dai驱动名字 */

	/* DAI driver callbacks */
	int (*probe)(struct snd_soc_dai *dai);  /* dai驱动的probe函数,由snd_soc_instantiate_card回调 */
	int (*remove)(struct snd_soc_dai *dai);  
	int (*suspend)(struct snd_soc_dai *dai);  /* 电源管理 */
	int (*resume)(struct snd_soc_dai *dai);  

	/* ops */
	const struct snd_soc_dai_ops *ops;  /* 指向本dai的snd_soc_dai_ops结构 */

	/* DAI capabilities */
	struct snd_soc_pcm_stream capture;  /* 描述capture的能力 */
	struct snd_soc_pcm_stream playback;  /* 描述playback的能力 */
};

snd_soc_dai_ops用于实现该dai的控制盒参数配置:




struct snd_soc_dai_ops {
	/*
	 * DAI clocking configuration, all optional.
	 * Called by soc_card drivers, normally in their hw_params.
	 */
	int (*set_sysclk)(...);
	int (*set_pll)(...);
	int (*set_clkdiv)(...);
	/*
	 * DAI format configuration
	 * Called by soc_card drivers, normally in their hw_params.
	 */
	int (*set_fmt)(...);
	int (*set_tdm_slot)(...);
	int (*set_channel_map)(...);
	int (*set_tristate)(...);
	/*
	 * DAI digital mute - optional.
	 * Called by soc-core to minimise any pops.
	 */
	int (*digital_mute)(...);
	/*
	 * ALSA PCM audio operations - all optional.
	 * Called by soc-core during audio PCM operations.
	 */
	int (*startup)(...);
	void (*shutdown)(...);
	int (*hw_params)(...);
	int (*hw_free)(...);
	int (*prepare)(...);
	int (*trigger)(...);
	/*
	 * For hardware based FIFO caused delay reporting.
	 * Optional.
	 */
	snd_pcm_sframes_t (*delay)(...);
};


3.  Codec的注册


因为Codec驱动的代码要做到平台无关性,要使得Machine驱动能够使用该Codec,Codec驱动的首要任务就是确定snd_soc_codec和snd_soc_dai的实例,并把它们注册到系统中,注册后的codec和dai才能为Machine驱动所用。以WM8994为例,对应的代码位置:/sound/soc/codecs/wm8994.c,模块的入口函数注册了一个platform driver:

static struct platform_driver wm8994_codec_driver = {
	.driver = {
		   .name = "wm8994-codec",
		   .owner = THIS_MODULE,
		   },
	.probe = wm8994_probe,
	.remove = __devexit_p(wm8994_remove),
};

module_platform_driver(wm8994_codec_driver);

有platform driver,必定会有相应的platform device,这个platform device的来源后面再说,显然,platform driver注册后,probe回调将会被调用,这里是wm8994_probe函数:


static int __devinit wm8994_probe(struct platform_device *pdev)
{
	return snd_soc_register_codec(&pdev->dev, &soc_codec_dev_wm8994,
			wm8994_dai, ARRAY_SIZE(wm8994_dai));
}

其中,soc_codec_dev_wm8994和wm8994_dai的定义如下(代码中定义了3个dai,这里只列出第一个):

static struct snd_soc_codec_driver soc_codec_dev_wm8994 = {
	.probe =	wm8994_codec_probe,
	.remove =	wm8994_codec_remove,
	.suspend =	wm8994_suspend,
	.resume =	wm8994_resume,
	.set_bias_level = wm8994_set_bias_level,
	.reg_cache_size	= WM8994_MAX_REGISTER,
	.volatile_register = wm8994_soc_volatile,
};
static struct snd_soc_dai_driver wm8994_dai[] = {
	{
		.name = "wm8994-aif1",
		.id = 1,
		.playback = {
			.stream_name = "AIF1 Playback",
			.channels_min = 1,
			.channels_max = 2,
			.rates = WM8994_RATES,
			.formats = WM8994_FORMATS,
		},
		.capture = {
			.stream_name = "AIF1 Capture",
			.channels_min = 1,
			.channels_max = 2,
			.rates = WM8994_RATES,
			.formats = WM8994_FORMATS,
		 },
		.ops = &wm8994_aif1_dai_ops,
	},
	......
}

可见,Codec驱动的第一个步骤就是定义snd_soc_codec_driver和snd_soc_dai_driver的实例,然后调用

snd_soc_register_codec函数对Codec进行注册。进入

snd_soc_register_codec函数看看:



首先,它申请了一个snd_soc_codec结构的实例:




	codec = kzalloc(sizeof(struct snd_soc_codec), GFP_KERNEL);

确定codec的名字,这个名字很重要,Machine驱动定义的snd_soc_dai_link中会指定每个link的codec和dai的名字,进行匹配绑定时就是通过和这里的名字比较,从而找到该Codec的!




/* create CODEC component name */
	codec->name = fmt_single_name(dev, &codec->id);



然后初始化它的各个字段,多数字段的值来自上面定义的snd_soc_codec_driver的实例



soc_codec_dev_wm8994:

	codec->write = codec_drv->write;
	codec->read = codec_drv->read;
	codec->volatile_register = codec_drv->volatile_register;
	codec->readable_register = codec_drv->readable_register;
	codec->writable_register = codec_drv->writable_register;
	codec->dapm.bias_level = SND_SOC_BIAS_OFF;
	codec->dapm.dev = dev;
	codec->dapm.codec = codec;
	codec->dapm.seq_notifier = codec_drv->seq_notifier;
	codec->dapm.stream_event = codec_drv->stream_event;
	codec->dev = dev;
	codec->driver = codec_drv;
	codec->num_dai = num_dai;

在做了一些寄存器缓存的初始化和配置工作后,通过

snd_soc_register_dais函数


对本Codec的dai进行注册:


	/* register any DAIs */
	if (num_dai) {
		ret = snd_soc_register_dais(dev, dai_drv, num_dai);
		if (ret < 0)
			goto fail;
	}

最后,它把codec实例链接到全局链表codec_list中,并且调用snd_soc_instantiate_cards是函数触发Machine驱动进行一次匹配绑定操作:


	list_add(&codec->list, &codec_list);
	snd_soc_instantiate_cards();

上面的

snd_soc_register_dais函数其实也是和snd_soc_register_codec类似,显示为每个snd_soc_dai实例分配内存,确定dai的名字,用snd_soc_dai_driver实例的字段对它进行必要初始化,最后把该dai链接到全局链表dai_list中,和Codec一样,最后也会调用

snd_soc_instantiate_cards函数触发一次匹配绑定的操作。











图3.1 dai的注册





关于snd_soc_instantiate_cards函数,请参阅另一篇博文:

Linux音频驱动之六:ASoC架构中的Machine





4.  mfd设备


前面已经提到,codec驱动把自己注册为一个platform driver,那对应的platform device在哪里定义?答案是在以下代码文件中:/drivers/mfd/wm8994-core.c。


WM8994本身具备多种功能,除了codec外,它还有作为LDO和GPIO使用,这几种功能共享一些IO和中断资源,linux为这种设备提供了一套标准的实现方法:mfd设备。其基本思想是为这些功能的公共部分实现一个父设备,以便共享某些系统资源和功能,然后每个子功能实现为它的子设备,这样既共享了资源和代码,又能实现合理的设备层次结构,主要利用到的API就是:mfd_add_devices(),mfd_remove_devices(),mfd_cell_enable(),mfd_cell_disable(),mfd_clone_cell()。


回到wm8994-core.c中,因为WM8994使用I2C进行内部寄存器的存取,它首先注册了一个I2C驱动:


static struct i2c_driver wm8994_i2c_driver = {
	.driver = {
		.name = "wm8994",
		.owner = THIS_MODULE,
		.pm = &wm8994_pm_ops,
		.of_match_table = wm8994_of_match,
	},
	.probe = wm8994_i2c_probe,
	.remove = wm8994_i2c_remove,
	.id_table = wm8994_i2c_id,
};

static int __init wm8994_i2c_init(void)
{
	int ret;

	ret = i2c_add_driver(&wm8994_i2c_driver);
	if (ret != 0)
		pr_err("Failed to register wm8994 I2C driver: %d\n", ret);

	return ret;
}
module_init(wm8994_i2c_init);

进入

wm8994_i2c_probe()函数,它先申请了一个wm8994结构的变量,该变量被作为这个I2C设备的driver_data使用,上面已经讲过,codec作为它的子设备,将会取出并使用这个driver_data。接下来,本函数利用regmap_init_i2c()初始化并获得一个regmap结构,该结构主要用于后续基于regmap机制的寄存器I/O,关于regmap我们留在后面再讲。最后,通过wm8994_device_init()来添加mfd子设备:




static int wm8994_i2c_probe(struct i2c_client *i2c,
			    const struct i2c_device_id *id)
{
	struct wm8994 *wm8994;
	int ret;
	wm8994 = devm_kzalloc(&i2c->dev, sizeof(struct wm8994), GFP_KERNEL);
	i2c_set_clientdata(i2c, wm8994);
	wm8994->dev = &i2c->dev;
	wm8994->irq = i2c->irq;
	wm8994->type = id->driver_data;
	wm8994->regmap = regmap_init_i2c(i2c, &wm8994_base_regmap_config);

	return wm8994_device_init(wm8994, i2c->irq);
}

继续进入wm8994_device_init()函数,它首先为两个LDO添加mfd子设备:




	/* Add the on-chip regulators first for bootstrapping */
	ret = mfd_add_devices(wm8994->dev, -1,
			      wm8994_regulator_devs,
			      ARRAY_SIZE(wm8994_regulator_devs),
			      NULL, 0);

因为WM1811,WM8994,WM8958三个芯片功能类似,因此这三个芯片都使用了WM8994的代码,所以

wm8994_device_init()

接下来根据不同的芯片型号做了一些初始化动作,这部分的代码就不贴了。接着,从platform_data中获得部分配置信息:




	if (pdata) {
		wm8994->irq_base = pdata->irq_base;
		wm8994->gpio_base = pdata->gpio_base;

		/* GPIO configuration is only applied if it's non-zero */
		......
	}

最后,初始化irq,然后添加codec子设备和gpio子设备:




	wm8994_irq_init(wm8994);

	ret = mfd_add_devices(wm8994->dev, -1,
			      wm8994_devs, ARRAY_SIZE(wm8994_devs),
			      NULL, 0);

经过以上这些处理后,作为父设备的I2C设备已经准备就绪,它的下面挂着4个子设备:ldo-0,ldo-1,codec,gpio。其中,codec子设备的加入,它将会和前面所讲codec的platform driver匹配,触发probe回调完成下面所说的codec驱动的初始化工作。


5.  Codec初始化


Machine驱动的初始化,codec和dai的注册,都会调用snd_soc_instantiate_cards()进行一次声卡和codec,dai,platform的匹配绑定过程,这里所说的绑定,正如Machine驱动一文中所描述,就是通过3个全局链表,按名字进行匹配,把匹配的codec,dai和platform实例赋值给声卡每对dai的snd_soc_pcm_runtime变量中。一旦绑定成功,将会使得codec和dai驱动的probe回调被调用,codec的初始化工作就在该回调中完成。对于WM8994,该回调就是wm8994_codec_probe函数:




图5.1

wm8994_codec_probe


  • 取出父设备的driver_data,其实就是上一节的wm8994结构变量,取出其中的regmap字段,复制到codec的control_data字段中;

  • 申请一个


    wm8994_priv私有数据结构,并把它设为codec设备的driver_data;

  • 通过snd_soc_codec_set_cache_io初始化regmap io,完成这一步后,就可以使用API:snd_soc_read(),snd_soc_write()对codec的寄存器进行读写了;

  • 把父设备的driver_data(struct wm8994)和platform_data保存到私有结构wm8994_priv中;

  • 因为要同时支持3个芯片型号,这里要根据芯片的型号做一些特定的初始化工作;

  • 申请必要的几个中断;

  • 设置合适的偏置电平;

  • 通过snd_soc_update_bits修改某些寄存器;


  • 根据父设备的platform_data,完成特定于平台的初始化配置;




  • 添加必要的control,dapm部件进而dapm路由信息;



至此,codec驱动的初始化完成。


5.  regmap-io



我们知道,要想对codec进行控制,通常都是通过读写它的内部寄存器完成的,读写的接口通常是I2C或者是SPI接口,不过每个codec芯片寄存器的比特位组成都有所不同,寄存器地址的比特位也有所不同。例如WM8753的

寄存器

地址是7bits,数据是9bits,WM8993的

寄存器

地址是8bits,数据也是16bits,而WM8994的寄存器地址是16bits,数据也是16bits。在kernel3.1版本,内核引入了一套regmap机制和相关的API,这样就可以用统一的操作来实现对这些多样的寄存器的控制。regmap使用起来也相对简单:



  • 为codec定义一个regmap_config结构实例,指定codec寄存器的地址和数据位等信息;



  • 根据codec的控制总线类型,调用以下其中一个函数,得到一个指向regmap结构的指针:



    • struct regmap *regmap_init_i2c(struct i2c_client *i2c, const struct regmap_config *config);




    • struct regmap *regmap_init_spi(struct spi_device *dev, const struct regmap_config *config);




  • 把获得的regmap结构指针赋值给codec->control_data;



  • 调用soc-io的api:snd_soc_codec_set_cache_io使得soc-io和regmap进行关联;



完成以上步骤后,codec驱动就可以使用诸如snd_soc_read、snd_soc_write、snd_soc_update_bits等API对codec的寄存器进行读写了。








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