来而不往非礼也。前面看到了用户空间应用程序和 DMA buffer 之间交换数据,并更新 runtime->control->appl_ptr
指针的过程,这里看一下硬件设备驱动程序在完成 DMA buffer 和硬件设备的数据交换之后,更新 runtime->status->hw_ptr
的过程。
用户空间应用程序,在内核的 __snd_pcm_lib_xfer()
函数中,调用 snd_pcm_start()
函数触发音频数据传递启动,音频硬件设备驱动程序的 trigger
操作被调用。音频硬件设备驱动程序通过 DMA 等机制发起从内存到硬件设备的数据传递。当一波数据传递结束,如 DMA 将一个描述符指定的数据块传完上报一个中断,在相应的中断处理程序中调用 snd_pcm_period_elapsed()
函数,通知 ALSA 框架更新有关指针,以便于用户空间应用程序可以进行下一轮的数据传递。
用户空间应用程序和 Linux 内核,Linux 内核和硬件设备,每次传递的数据量,一般为 runtime->period_size
帧,如音频流为双通道,音频数据的格式为 16 位,runtime->period_size
为 1024,则每次传递的数据量以字节为单位为 4096 字节。通过 snd_pcm_lib_period_bytes()
函数可以执行这种转换。
snd_pcm_period_elapsed()
函数为下一个数据传递周期更新 PCM 状态。当 PCM 处理了 runtime->period_size
帧音频数据时,这个函数在中断处理程序中调用。它将更新相关的指针,唤醒等待的休眠者等。即使自上次调用以来,经过了多个周期,也只应调用一次这个函数。snd_pcm_period_elapsed()
函数定义 (位于 sound/core/pcm_lib.c) 如下:
void snd_pcm_period_elapsed(struct snd_pcm_substream *substream)
{
struct snd_pcm_runtime *runtime;
unsigned long flags;
if (snd_BUG_ON(!substream))
return;
snd_pcm_stream_lock_irqsave(substream, flags);
if (PCM_RUNTIME_CHECK(substream))
goto _unlock;
runtime = substream->runtime;
if (!snd_pcm_running(substream) ||
snd_pcm_update_hw_ptr0(substream, 1) < 0)
goto _end;
#ifdef CONFIG_SND_PCM_TIMER
if (substream->timer_running)
snd_timer_interrupt(substream->timer, 1);
#endif
_end:
kill_fasync(&runtime->fasync, SIGIO, POLL_IN);
_unlock:
snd_pcm_stream_unlock_irqrestore(substream, flags);
}
EXPORT_SYMBOL(snd_pcm_period_elapsed);
这个函数做的最主要的事情是,在流状态为 RUNNING 时,调用 snd_pcm_update_hw_ptr0()
函数更新指针。在内核的 __snd_pcm_lib_xfer()
函数中,调用 snd_pcm_start()
函数触发音频数据传递启动之后,struct snd_pcm_substream
的状态会更新为 RUNNING
。snd_pcm_update_hw_ptr0()
函数的第二个参数用来表示调用的来源是中断处理程序,还是其它,这里传 1
表示调用是在中断上下文进行的。__snd_pcm_lib_xfer()
函数也调用了 snd_pcm_update_hw_ptr0()
函数更新指针,但传的 in_interrupt
参数为 0
。
snd_pcm_update_hw_ptr0()
函数的定义 (位于 sound/core/pcm_lib.c) 如下:
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 timespec64 curr_tstamp;
struct timespec64 audio_tstamp;
int crossed_boundary = 0;
old_hw_ptr = runtime->status->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);
curr_jiffies = jiffies;
if (runtime->tstamp_mode == SNDRV_PCM_TSTAMP_ENABLE) {
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, &curr_tstamp);
} else
snd_pcm_gettime(runtime, &curr_tstamp);
}
if (pos == SNDRV_PCM_POS_XRUN) {
__snd_pcm_xrun(substream);
return -EPIPE;
}
if (pos >= runtime->buffer_size) {
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;
new_hw_ptr = hw_base + pos;
if (in_interrupt) {
/* 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) {
/* check for double acknowledged interrupts */
hdelta = curr_jiffies - runtime->hw_ptr_jiffies;
if (hdelta > runtime->hw_ptr_buffer_jiffies/2 + 1) {
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) {
hw_base += runtime->buffer_size;
if (hw_base >= runtime->boundary) {
hw_base = 0;
crossed_boundary++;
}
new_hw_ptr = hw_base + pos;
}
__delta:
delta = new_hw_ptr - old_hw_ptr;
if (delta < 0)
delta += runtime->boundary;
if (runtime->no_period_wakeup) {
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) {
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) {
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) {
runtime->hw_ptr_jiffies = curr_jiffies;
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);
if (in_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;
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);
}
这个函数会更新多个和硬件操作相关的指针,这些指针也都和 runtime->control->appl_ptr
指针一样,是单调递增的。这里的指针更新,基于硬件设备驱动程序的 pointer
操作返回的 position
完成。position
是当前硬件操作所在的数据,在 DMA buffer 中的偏移量,单位为音频帧,不是字节。这里更新的指针主要有如下这些:
runtime->status->hw_ptr:与应用程序指针 runtime->control->appl_ptr
对应的硬件指针,单位是音频帧,它表示当前硬件操作所在的数据,在整个音频流中的位置。
runtime->hw_ptr_base:硬件指针基指针,单位是音频帧,它表示,position
计算所基于的基指针,也是当前硬件已经处理的对齐到 runtime->buffer_size
的音频帧个数。这个指针每次更新增加整数个 runtime->buffer_size
。一般情况下,硬件指针基指针与 position
的和是新的硬件指针。
runtime->hw_ptr_interrupt:以中断记的硬件指针,单位是音频帧。一般来说,硬件设备平稳地发送数据,每发送 runtime->period_size
个音频帧上报一个中断。这个指针用来记录硬件已经处理的对齐到 runtime->period_size
的音频帧个数。这个指针每次更新增加整数个 runtime->period_size
。
runtime->hw_ptr_jiffies:jiffies 是 Linux 内核的一种计时,每秒钟被分割为 HZ
个 jiffy,每个 jiffy 大约为 10 ms。这个指针是以 jiffy 为单位的硬件指针,即它表示按时间计的硬件指针。
snd_pcm_update_hw_ptr0()
函数处理许多种情况下的硬件指针更新,它的执行过程如下:
先保存一下旧的硬件指针。
调用硬件设备驱动程序的 pointer
操作获得 position
。
获得以 jiffy 计的当前时间。
音频流的时间戳模式为 SNDRV_PCM_TSTAMP_ENABLE
时,则获取时间戳。
如果获得的 position
为 -1,则调用 __snd_pcm_xrun
函数报告错误,停止流,更新流的状态为 SNDRV_PCM_STATE_XRUN
,并返回;如果 position
大于等于 runtime->buffer_size
,则把它置为 0。之后将 position
对齐到 runtime->min_align
。
一般来说,从硬件设备驱动程序获得的 position
值不会大于 runtime->buffer_size
,大于 runtime->buffer_size
的 position
值实际上意味着硬件访问内存越界。当硬件设备驱动程序访问的数据到达了 DMA 缓冲区的边界时,可以在 pointer
操作中返回 0,也可以返回 runtime->buffer_size
,如这里做的处理。
根据 runtime->hw_ptr_base
和获得的 position
计算新的硬件指针。最简单情况下,这个函数到这里已经完成了它的绝大部分职责了。
如果函数是在中断上下文调用的,则根据情况重新计算硬件指针基指针和新的硬件指针。对于可以实时获得硬件操作的数据位置的硬件设备,一般来说,计算获得的 delta
值应该等于或略小于上面第 6 步中计算获得的硬件指针;对于只能在中断处理函数中,周期性更新 position
的硬件设备,一般来说,计算获得的 delta
值应该等于上面第 6 步中计算获得的硬件指针。这里处理 delta
大于第 6 步中计算获得的硬件指针的情况。硬件操作的数据越过 DMA 缓冲区绕回到缓冲区开头部分,但 runtime->hw_ptr_base
还没有来得及更新?这里通过计算距离上次更新硬件指针经过的时间,来确认这种情况。如果是这种情况,则重新计算硬件指针基指针和新的硬件指针。
处理第 6 步中计算获得的硬件指针小于旧的硬件指针的情况。一般来说,硬件操作的数据越过 DMA 缓冲区绕回到缓冲区开头部分时,会出现这种情况。此时重新计算硬件指针基指针和新的硬件指针。这一步和上面的第 7 步处理不同情况下硬件操作的数据越过 DMA 缓冲区绕回到缓冲区开头部分的情况。
计算新的硬件指针和老的硬件指针的差值,以备后用。(runtime->boundary
一般来说是一个巨大的值,暂不关注各个值和它的比较。)
处理 no_period_wakeup 的情况。音频数据传输不使用 DMA 或使用了 DMA 但不使用 DMA 的完成中断属于这种情况。这一步的处理与上面第 7 步的处理互斥。这里检测 xrun 的情况,即数据实际消耗的量,比按照时间计算预期应该消耗的量少了很多的情况。
执行时间检查,根据需要重新计算硬件指针基指针和新的硬件指针。在上面的第 10 步中,hdelta
用作以 jiffy 时间计的临时变量,这里用作以帧计的临时变量。这里主要处理数据的预期消耗时间比实际时间大的情况。此时会根据数据预期消耗的时间,基于旧的硬件指针重新计算硬件指针基指针和新的硬件指针。
执行 delta
检查。
发现硬件指针不更新时,简单地更新 runtime->hw_ptr_jiffies
指针,获得时间戳并返回。
如果函数是在中断上下文调用的,更新 runtime->hw_ptr_interrupt
指针。
更新 runtime->hw_ptr_base
、runtime->status->hw_ptr
和 runtime->hw_ptr_jiffies
指针。更新时间戳,并更新流的状态。
snd_pcm_update_hw_ptr0()
函数主要基于经过的时间和帧数来更新硬件指针等。音频数据是时间敏感的,相关各个指针的更新按照其含义进行,但需要处理硬件数据访问越过 DMA 缓冲区边界,绕回到缓冲区开始部分的情况,以及硬件数据处理,相对于上层应用程序与 DMA 缓冲区交换数据过快或过慢的情况。
硬件指针更新之后,上层应用程序可以检测到 DMA 缓冲区中有新的空间可用,继而推动上层应用程序执行下一轮和 DMA 缓冲区的数据交换。硬件设备驱动程序的 pointer
操作是一个非常重要的操作,需要仔细处理。
Done.
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