音频开发之ALSA框架

ALSA（Advanced Linux Sound Architecture）是Linux操作系统上用于提供音频和MIDI功能的软件架构。它为Linux系统提供了强大的音频支持，包括音频录制、播放和处理，它设计用于提供高性能、低延迟、高质量的音频处理，并为开发者提供了一组API和工具。

主要框架

ALSA的涉及本身比较复杂，如果不是特别底层的驱动开发，一般我们只需关注alsa在应用层给我们提供的接口即可。

驱动层（Kernel Level）： ALSA的核心部分包含在Linux内核中，提供了音频设备的驱动程序。这些驱动程序用于与硬件通信，实现音频数据的输入和输出。ALSA的内核组件主要包括snd内核模块。音频设备底层驱动程序使用 DMA 来搬运数据，每当 DMA 搬运完一个period 的数据就会触发一次中断，

用户空间库和工具： ALSA提供了一系列用户空间的库和工具，用于与内核层进行交互。其中最重要的是libasound（也就是下文提到的alsa-lib库），它包含用于音频处理的API。同时，还有一些命令行工具，如alsamixer、aplay和arecord等，用于配置和测试音频设备。

中间件层（Middleware Level）： ALSA可以与其他音频中间件集成，如PulseAudio和JACK。这些中间件提供了更高级别的音频处理和路由功能。用户可以选择在ALSA之上使用这些中间件，以满足特定的应用场景需求。

PCM接口： ALSA的主要数据传输接口是PCM（Pulse Code Modulation）接口。PCM是一种数字音频表示方法，它将模拟音频信号转换为数字形式。ALSA通过PCM接口支持多种音频格式和配置，包括采样率、声道数、位深度等。

回调机制： ALSA采用回调机制，允许应用程序注册回调函数以处理音频数据。这种机制使得应用程序能够以异步方式与音频设备进行交互，提高了性能和灵活性。

alsa-lib （libasound）

alsa-lib 是一套 Linux 应用层的 C 语言函数库，只需调用这一套 API 即可完成对底层声卡设备的操控，譬如播放与录音。在ALSA project the Clib reference 这些模块接口。

PCM Interface模块

提供了 PCM 设备相关的操作接口，譬如打开/关闭 PCM 设备、配置 PCM 设备硬件或软件参数、控制 PCM 设备（启动、暂停、恢复、写入/读取数据），该模块下还包含了一些子模块。
这里解释下，PCM（脉冲编码调制）设备指的是能够接受和发送PCM音频数据的硬件设备。PCM是一种将模拟音频信号转换为数字形式的编码方式，它以脉冲的形式表示音频信号的振幅值。

Error Interface
该模块提供了关于错误处理相关的接口，譬如函数调用发生错误时，可调用该模块下提供的函数打印错
误描述信息。

Mixer Interface
提供了关于混音器相关的一系列操作接口，譬如音量、声道控制、增益等等。

在 Linux 内核设备驱动层、基于 ALSA 音频驱动框架注册的 sound 设备会在/dev/snd 目录下生成相应的设备节点文件。/dev/snd 目录下有文件。这些文件对应播放、录音、声卡控制的设备节点。

在 Linux 系统的/proc/asound 目录下，有很多的文件，这些文件记录了系统中声卡相关的信息。
通过"cat /proc/asound/cards"命令、查看 cards 文件的内容，可列出系统中可用的、注册的声卡
通过cat /proc/asound/devices 列出系统中所有声卡注册的设备，包括 control、pcm、timer、seq 等等。
通过cat /proc/asound/pcm 列出系统中的所有 PCM 设备，包括 playback 和 capture：

alsa-lib 移植注意事项

移植 alsa-lib 库之外，通常还需要移植 alsa-utils，alsa-utils 库，这些包含了一些用于测试、配置声卡的工具。
alsa-utils 提供了一些用于测试、配置声卡的工具，譬如 aplay、arecord、alsactl、alsaloop、alsamixer、amixer 等。
aplay：是一个用于测试音频播放功能程序，可以直接使用 aplay 播放 wav 格式的音频文件，不支持MP3格式的。

alsamixer 是一个用于配置声卡的混音器，它是一个字符图形化的配置工具，直接在开发板串口终端运行 alsamixer 命令，就可以打开图形化配置界面。

alsactl，将声卡配置保存在文件中，防止重启丢失配置项，使用这个命令 alsactl -f /var/lib/alsa/asound.state store

amixer 工具也是一个声卡配置工具，与 alsamixer 功能相同，区别在于 amixer 不是图形化配置工具，直接使用命令行配置
譬如将耳机音量左右声道都设置为 100，可执行如下命令进行设置：
amixer sset Headphone 100,100
譬如打开或关闭 Headphone Playback ZC：
amixer sset “Headphone Playback ZC” off #关闭 ZC
amixer sset “Headphone Playback ZC” on #打开 ZC

arecord 工具是一个用于录音测试的应用程序，
譬如使用 arecord 录制一段 10 秒钟的音频 arecord -f cd -d 10 test.wav

alsa-lib实现录音和播放的简单demo

#include 
#include 
#include 

#define SAMPLE_RATE 44100
#define NUM_CHANNELS 2
#define SAMPLE_SIZE 16
#define BUFFER_SIZE 1024

void capture_and_playback() {
    int err;
    snd_pcm_t *capture_handle, *playback_handle;
    snd_pcm_hw_params_t *hw_params;
    char buffer[BUFFER_SIZE];

    // 打开PCM录音设备
    if ((err = snd_pcm_open(&capture_handle, "default", SND_PCM_STREAM_CAPTURE, 0)) < 0) {
        fprintf(stderr, "Cannot open capture audio device (%s)\n", snd_strerror(err));
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 打开播放设备
    if ((err = snd_pcm_open(&playback_handle, "default", SND_PCM_STREAM_PLAYBACK, 0)) < 0) {
        fprintf(stderr, "Cannot open playback audio device (%s)\n", snd_strerror(err));
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 配置录音和播放参数 
    
	//实例化hwparams对象
    if ((err = snd_pcm_hw_params_malloc(&hw_params)) < 0) {
        fprintf(stderr, "Cannot allocate hardware parameter structure (%s)\n", snd_strerror(err));
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
	//获取PCM设备当前硬件配置,对hwparams进行初始化 
    if ((err = snd_pcm_hw_params_any(capture_handle, hw_params)) < 0 || (err = snd_pcm_hw_params_any(playback_handle, hw_params)) < 0) {
        fprintf(stderr, "Cannot initialize hardware parameter structure (%s)\n", snd_strerror(err));
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    //设置访问类型
    if ((err = snd_pcm_hw_params_set_access(capture_handle, hw_params, SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED)) < 0 ||
        (err = snd_pcm_hw_params_set_access(playback_handle, hw_params, SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED)) < 0) {
        fprintf(stderr, "Cannot set access type (%s)\n", snd_strerror(err));
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
	//设置数据格式
    if ((err = snd_pcm_hw_params_set_format(capture_handle, hw_params, SND_PCM_FORMAT_S16_LE)) < 0 ||
        (err = snd_pcm_hw_params_set_format(playback_handle, hw_params, SND_PCM_FORMAT_S16_LE)) < 0) {
        fprintf(stderr, "Cannot set sample format (%s)\n", snd_strerror(err));
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
	//设置采样率
    if ((err = snd_pcm_hw_params_set_rate_near(capture_handle, hw_params, &SAMPLE_RATE, 0)) < 0 ||
        (err = snd_pcm_hw_params_set_rate_near(playback_handle, hw_params, &SAMPLE_RATE, 0)) < 0) {
        fprintf(stderr, "Cannot set sample rate (%s)\n", snd_strerror(err));
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
	//设置声道数量
    if ((err = snd_pcm_hw_params_set_channels(capture_handle, hw_params, NUM_CHANNELS)) < 0 ||
        (err = snd_pcm_hw_params_set_channels(playback_handle, hw_params, NUM_CHANNELS)) < 0) {
        fprintf(stderr, "Cannot set channel count (%s)\n", snd_strerror(err));
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
	//使配置生效
    if ((err = snd_pcm_hw_params(capture_handle, hw_params)) < 0 || (err = snd_pcm_hw_params(playback_handle, hw_params)) < 0) {
        fprintf(stderr, "Cannot set parameters (%s)\n", snd_strerror(err));
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
	//释放内存
    snd_pcm_hw_params_free(hw_params);

    // 开始录音和播放
    while (1) {
        // 录音
        if ((err = snd_pcm_readi(capture_handle, buffer, BUFFER_SIZE)) != BUFFER_SIZE) {
            fprintf(stderr, "Read from capture device failed (%s)\n", snd_strerror(err));
            exit(EXIT_FAILURE);
        }

        // 处理音频数据（在这里可以对音频数据进行处理）

        // 播放
        if ((err = snd_pcm_writei(playback_handle, buffer, BUFFER_SIZE)) != BUFFER_SIZE) {
            fprintf(stderr, "Write to playback device failed (%s)\n", snd_strerror(err));
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    }

    // 关闭设备
    snd_pcm_close(capture_handle);
    snd_pcm_close(playback_handle);
}

int main() {
    capture_and_playback();
    return 0;
}

参考：部分内容参考了《正点原子I.MX6U嵌入式 Linux C 应用编程指南》相关内容。旨在学习交流，如有侵权，请及时联系我删除