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🤣本文内容🤣：🍭基于alsa-lib开发ALSA应用层程序🍭
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目录
- 一、ALSA应用层开发基础知识
- 二、alsa-lib常用函数
- 三、编写ALSA应用层程序
- 3.1 alsa播放程序开发--alsa-playback.c
- 3.2 alsa录制音频程序开发--alsa-capture.c
- 四、XRUN( underrun和overrun)
- 五、总结
一、ALSA应用层开发基础知识
sample：样本，采样点。数字音频最小单位，其大小与位宽有关，一般为8bit(1个字节)、16bit(2个字节)；channel：声道，一般单声道(mono)和立体声(stereo)，还有一些多声道如5.1声道。frame：帧，一个完整的声音单元，即单次采样的所有声道的数据。frame=sample*channel；
例如：48Khz、16位的立体声PCM流的1帧是4个字节。sample rate：采样率，即每秒的采样次数。如果采样率为48kHz，则说明一秒采样48000帧。period size：周期大小，是每次硬件中断之间的帧数。buffer size：缓冲区大小，必须大于一个周期的大小。一般为周期大小的2倍。单位也是帧数。
例子：
结合上面的知识点，这里以48kHz、16bit的立体声音频流举例：
- 16bit则每个样本为2个字节，
- 立体声表示有2个声道，
- 48kHz 表示每秒有48000个音频帧。
由此可以计算出每秒钟传输的数据大小：
2 * 2 * 48000=192000字节；
现在如果ALSA每秒钟产生一个硬件中断，在每秒结束时，我们需要准备好192000字节；
如果它每半秒中断一次，对于同一个流，我们需要在每次中断时准备好192000/2 = 96000字节；
如果每100毫秒发生一次中断，我们需要在每次中断时准备好192000*(0.1/1) = 19200字节。
我们可以通过设置周期大小(以帧为单位)来控制PCM中断的产生时间。
如果我们将48kHz、16bit的立体声音频流的period size设置为4800帧(也就是480022=19200字节)，则每19200字节就会产生一个中断，也就是100ms。
相应地，buffer size至少应为2*period_size = 2*4800= 9600帧(960022 = 38400字节)。
实际编程中，可能需要计算一个周期的总字节数
period bytes，就是等于period size乘以每一帧的大小。同样的，buffer的总字节数buffer bytes等于buffer size乘以一帧大小。
如果已知音频的采样率、通道数、位宽、周期数，则
buffer size、buffer time、period size、period time这四个值可以相互推断出来：
以48000Hz采样率、2声道、16bit、4周期来举例，这样的音频流一秒钟的帧数是48000帧，如果buffer size是48000，则buffer time刚好就是一秒；如果buffer time是500ms，则buffer size是24000帧。
而period size=buffer size/周期数；period time=buffer time/周期数
二、alsa-lib常用函数
alsa-lib的函数声明在pcm.h，总共可以分为16个模块：
- PCM Interface
- Stream Information
- Hardware Parameters
- Software Parameters
- Access Mask Functions
- Format Mask Functions
- Subformat Mask Functions
- Status Functions
- Description Functions
- Debug Functions
- Direct Access (MMAP) Functions
- Helper Functions
- Hook Extension
- Scope Plugin Extension
- Simple setup functions
- Deprecated Functions
可以在官方文档查看对应的模块函数说明：
https://www.alsa-project.org/alsa-doc/alsa-lib/group___p_c_m.html
下表介绍一些常用的函数：
| 函数 | 说明 |
|---|---|
| snd_pcm_open | 根据pcm设备名字打开一个pcm设备 |
| snd_pcm_hw_params_malloc | 使用标准malloc分配无效的snd_pcm_hw_params_t |
| snd_pcm_hw_params_any | 用PCM的完整配置空间填充参数。 |
| snd_pcm_hw_params_set_access | 将配置空间限制为仅包含一种访问类型。 |
| snd_pcm_hw_params_set_format | 将配置空间限制为仅包含一种格式。 |
| snd_pcm_hw_params_set_channels | 将配置空间限制为仅包含一个通道计数。 |
| snd_pcm_hw_params_set_rate_near | 将配置空间限制为具有最接近目标的速率。 |
| snd_pcm_hw_params_get_buffer_time_max | 从配置空间中提取最大缓冲时间。 |
| snd_pcm_stream | 获取PCM句柄的流 |
| snd_pcm_hw_params_set_buffer_time_near | 限制配置空间以使缓冲时间最接近目标。 |
| snd_pcm_hw_params_set_period_time_near | 限制配置空间以使周期时间最接近目标。 |
| snd_pcm_hw_params | 安装从配置空间中选择的一个PCM硬件配置，并调用snd_pcm_prepare。 |
| snd_pcm_nonblock | 设置非阻塞模式 |
| snd_pcm_hw_params_get_period_size | 从配置空间中提取周期大小。 |
| snd_pcm_hw_params_get_buffer_size | 从配置空间中提取周期大小。 |
| snd_pcm_format_physical_width | 返回存储PCM样本所需的位。 |
更多函数说明参考：
https://www.alsa-project.org/alsa-doc/alsa-lib/group___p_c_m___h_w___params.html
https://www.alsa-project.org/alsa-doc/alsa-lib/group___p_c_m.html
三、编写ALSA应用层程序
这小节介绍简单的ALSA应用程序开发流程，以及给出例子源码。
在编写代码前，可以先使用cat /proc/asound/card0/stream0查看ALSA设备支持的参数：
# cat /proc/asound/card0/stream0
Rapoo Gaming Headset at usb-10300000.xhci_0-1.1, full speed : USB Audio
Playback:
Status: Stop
Interface 1
Altset 1
Format: S16_LE
Channels: 2
Endpoint: 1 OUT (ADAPTIVE)
Rates: 48000, 44100
Capture:
Status: Stop
Interface 2
Altset 1
Format: S16_LE
Channels: 1
Endpoint: 2 IN (ASYNC)
Rates: 48000, 44100
Playback：播放设备
Capture：录音设备
Interface：接口序号
Format：格式
Channels：通道数
Rates：支持的采样率
3.1 alsa播放程序开发–alsa-playback.c
开发流程：
- 1、打开设备：调用
snd_pcm_open，指定类型为SND_PCM_STREAM_PLAYBACK，以及设备名称，打开设备；- 2、设置硬件参数
设置存取方式、格式、通道数、采样率、缓冲时间、周期时间，最后将参数写入设备；
如果有一些参数不清楚怎么设置，可以使用命令cat /proc/asound/card0/stream0查看支持的参数：- 3、播放音频
每次往alsa驱动写入一个周期大小的字节，不足一周期的要填0；- 4、释放资源，关闭设备
下面是一个非常简单的ALSA播放音频的代码，复制后保存为alsa-playback.c，使用命令aarch64-mix210-linux-gcc alsa-playback.c -I /usr/lib/alsa-lib-1.2.10/include/ -L /usr/lib/alsa-lib-1.2.10/lib/ -l asound -lpthread -ldl -lm -o alsa-playback 已编译通过。
48000Hz-16bit-2ch-ChengDu.pcm 文件下载：https://download.csdn.net/download/wkd_007/88421282
// alsa-playback.c
// aarch64-mix210-linux-gcc alsa-playback.c -I /usr/lib/alsa-lib-1.2.10/include/ -L /usr/lib/alsa-lib-1.2.10/lib/ -l asound -lpthread -ldl -lm -o alsa-playback
/*
* snd_pcm_hw_params_alloca 申请的内存在函数返回后会自动释放，不需要手动释放。这个函数会在栈上分配一块内存，函数返回后，栈上的内存会自动被回收。
*/
#include <stdio.h>
#include <alsa/asoundlib.h>
#define PCM_NAME "hw:0,0"
#define PLAYBACK_FILE "48000Hz-16bit-2ch-ChengDu.pcm"
snd_pcm_hw_params_t *hw_params;
static unsigned int rate = 48000; /* stream rate */
int set_hw_params(snd_pcm_t *handle, int format, int channels, snd_pcm_uframes_t *period_frames)
{
int err = -1;
// 分配硬件参数空间,调用 alloca 在栈分配内存，函数结束后自动释放，不需要调用 snd_pcm_hw_params_free
snd_pcm_hw_params_alloca(&hw_params);
//1、以默认值填充硬件参数
if ((err = snd_pcm_hw_params_any(handle, hw_params)) < 0) {
return err;
}
//2、 Restrict a configuration space to contain only real hardware rates.
if ((err = snd_pcm_hw_params_set_rate_resample(handle, hw_params, 0)) < 0) {
return err;
}
//3、设置存取方式为交叉存储
if ((err = snd_pcm_hw_params_set_access(handle, hw_params, SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED)) < 0) {
return err;
}
//4、设置格式，S16_LE等
if ((err = snd_pcm_hw_params_set_format(handle, hw_params, format)) < 0) {
return err;
}
//5、设置通道
if ((err = snd_pcm_hw_params_set_channels(handle, hw_params, channels)) < 0) {
return err;
}
//6、大致设置采样率
unsigned int rrate;
rrate =rate;
if ((err = snd_pcm_hw_params_set_rate_near(handle, hw_params, &rrate, NULL)) < 0) {
return err;
}
//7、设置缓冲时间
unsigned int buffer_time, period_time;
// 先获取缓存时间
if((err = snd_pcm_hw_params_get_buffer_time_max(hw_params, &buffer_time, 0))<0){
return err;
}
if (buffer_time > 500000){
buffer_time = 500000; // 500ms读取完整个buffer，结合下面代码一个周期就是 buffer_time/4=125ms，每个周期会产生一个中断
printf("[%s %d] buffer_time=%d, irq=%d\n",__FILE__,__LINE__,buffer_time, buffer_time/4);
}
// 设置缓冲时间
if ((err = snd_pcm_hw_params_set_buffer_time_near(handle, hw_params, &buffer_time, 0)) < 0) {
return err;
}
// 8、设置周期时间，也就是中断时间
period_time = buffer_time / 4;
if ((err = snd_pcm_hw_params_set_period_time_near(handle, hw_params, &period_time, 0)) < 0) {
return err;
}
// 9、将参数写入设备
if ((err = snd_pcm_hw_params(handle, hw_params)) < 0){
return err;
}
snd_pcm_uframes_t buffer_frames;
snd_pcm_hw_params_get_buffer_size(hw_params, &buffer_frames);
if(period_frames != NULL) {
//获取一个周期有多少帧数据
if((err =snd_pcm_hw_params_get_period_size(hw_params, period_frames, 0)) < 0){
printf("cannot get period size (%s)\n", snd_strerror(err));
return err;
}
}
if(err = (snd_pcm_nonblock(handle, 1) < 0)){
return err;
}
// 10、释放 snd_pcm_hw_params_malloc 分配的内存
//snd_pcm_hw_params_free(hw_params);
return 0;
}
int main()
{
int err = -1;
snd_pcm_t *playback_handle;
snd_pcm_uframes_t period_frames; // 一周期的帧数
// 1、打开设备
if((err = snd_pcm_open(&playback_handle, PCM_NAME, SND_PCM_STREAM_PLAYBACK, 0)) < 0) {
printf("cannot snd_pcm_open (%s)\n",snd_strerror(err));
return -1;
}
// 2、设置硬件参数
set_hw_params(playback_handle, SND_PCM_FORMAT_S16_LE, 2, &period_frames);
// 3、播放音频
// 3.1 打开pcm文件
int fd = open(PLAYBACK_FILE,O_RDONLY,0644);
if(fd < 0){
printf("open %s error!!!\n",PLAYBACK_FILE);
return -1;
}
// 3.2 获取一周期的字节数
const int period_bytes = snd_pcm_frames_to_bytes(playback_handle,period_frames);
char *playback_buf = malloc(period_bytes);
// 3.3 循环播放音频
int readframes = 0;
while(readframes = read(fd, playback_buf, period_bytes)) {
//解决最后一个周期数据问题
if(readframes < period_bytes) {
memset(playback_buf+readframes, 0, period_bytes-readframes);
}
//向PCM写入数据，播放
err = snd_pcm_writei(playback_handle, playback_buf, period_frames);
if(err == -EPIPE) {
snd_pcm_prepare(playback_handle);
fprintf(stderr, "<<< snd_pcm_writei --> Buffer Underrun >>> \n");
err = snd_pcm_writei(playback_handle, playback_buf, period_frames);
if(err != period_frames) {
printf("write to audio interface failede err:%d (period_frames:%d)\n",err,period_frames);
break;
}
}
else if(err != period_frames) {
printf("write to audio interface failede err:%d (period_frames:%d)\n",err,period_frames);
break;
}
//printf("process:playback wrote %d frames\n",period_frames);
//usleep(100*1000);
usleep(130*1000); //测试用，超过 125ms，会报错 Underrun
}
// 4.释放资源，关闭设备
free(playback_buf);
close(fd);
snd_pcm_close(playback_handle);
return 0;
}
3.2 alsa录制音频程序开发–alsa-capture.c
开发流程：
- 1、打开设备：调用
snd_pcm_open，指定类型为SND_PCM_STREAM_CAPTURE，以及设备名称，打开设备；- 2、设置硬件参数
设置存取方式、格式、通道数、采样率、缓冲时间、周期时间，最后将参数写入设备；
如果有一些参数不清楚怎么设置，可以使用命令cat /proc/asound/card0/stream0查看支持的参数：- 3、读取音频
每次从alsa驱动读取一个周期大小的字节；- 4、释放资源，关闭设备
// alsa-capture.c
// aarch64-mix210-linux-gcc alsa-capture.c -I /usr/lib/alsa-lib-1.2.10/include/ -L /usr/lib/alsa-lib-1.2.10/lib/ -l asound -lpthread -ldl -lm -o alsa-capture
/*
* snd_pcm_hw_params_alloca 申请的内存在函数返回后会自动释放，不需要手动释放。这个函数会在栈上分配一块内存，函数返回后，栈上的内存会自动被回收。
*/
#include <stdio.h>
#include <alsa/asoundlib.h>
#define PCM_NAME "hw:0,0"
#define CAPTURE_FILE "alsa-capture.pcm"
snd_pcm_hw_params_t *hw_params;
static unsigned int rate = 48000; /* stream rate */
int set_hw_params(snd_pcm_t *handle, int format, int channels, snd_pcm_uframes_t *period_frames)
{
int err = -1;
// 分配硬件参数空间,调用 alloca 在栈分配内存，函数结束后自动释放，不需要调用 snd_pcm_hw_params_free
snd_pcm_hw_params_alloca(&hw_params);
//1、以默认值填充硬件参数
if ((err = snd_pcm_hw_params_any(handle, hw_params)) < 0) {
return err;
}
//2、 Restrict a configuration space to contain only real hardware rates.
if ((err = snd_pcm_hw_params_set_rate_resample(handle, hw_params, 0)) < 0) {
return err;
}
//3、设置存取方式为交叉存储
if ((err = snd_pcm_hw_params_set_access(handle, hw_params, SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED)) < 0) {
return err;
}
//4、设置格式，S16_LE等
if ((err = snd_pcm_hw_params_set_format(handle, hw_params, format)) < 0) {
return err;
}
//5、设置通道
if ((err = snd_pcm_hw_params_set_channels(handle, hw_params, channels)) < 0) {
return err;
}
//6、大致设置采样率
unsigned int rrate;
rrate =rate;
if ((err = snd_pcm_hw_params_set_rate_near(handle, hw_params, &rrate, NULL)) < 0) {
return err;
}
//7、设置缓冲时间
unsigned int buffer_time, period_time;
// 先获取缓存时间
if((err = snd_pcm_hw_params_get_buffer_time_max(hw_params, &buffer_time, 0))<0){
return err;
}
if (buffer_time > 500000){
buffer_time = 500000; // 500ms写完整个buffer，结合下面代码一个周期就是 buffer_time/4=125ms，每个周期会产生一个中断
printf("[%s %d] buffer_time=%d, irq=%d\n",__FILE__,__LINE__,buffer_time, buffer_time/4);
}
// 设置缓冲时间
if ((err = snd_pcm_hw_params_set_buffer_time_near(handle, hw_params, &buffer_time, 0)) < 0) {
return err;
}
// 8、设置周期时间，也就是中断时间
period_time = buffer_time / 4;
if ((err = snd_pcm_hw_params_set_period_time_near(handle, hw_params, &period_time, 0)) < 0) {
return err;
}
// 9、将参数写入设备
if ((err = snd_pcm_hw_params(handle, hw_params)) < 0){
return err;
}
snd_pcm_uframes_t buffer_frames;
snd_pcm_hw_params_get_buffer_size(hw_params, &buffer_frames);
if(period_frames != NULL) {
//获取一个周期有多少帧数据
if((err =snd_pcm_hw_params_get_period_size(hw_params, period_frames, 0)) < 0){
printf("cannot get period size (%s)\n", snd_strerror(err));
return err;
}
}
if(err = (snd_pcm_nonblock(handle, 1) < 0)){
return err;
}
// 10、释放 snd_pcm_hw_params_malloc 分配的内存
//snd_pcm_hw_params_free(hw_params);
return 0;
}
int main()
{
int err = -1;
snd_pcm_t *capture_handle;
snd_pcm_uframes_t period_frames; // 一周期的帧数
// 1、打开设备
if((err = snd_pcm_open(&capture_handle, PCM_NAME, SND_PCM_STREAM_CAPTURE, 0)) < 0) {
printf("cannot snd_pcm_open (%s)\n",snd_strerror(err));
return -1;
}
// 2、设置硬件参数
set_hw_params(capture_handle, SND_PCM_FORMAT_S16_LE, 1, &period_frames);
// 3、获取音频
// 3.1 打开录制文件
int fd = open(CAPTURE_FILE,O_RDWR | O_TRUNC | O_CREAT,0644);
if(fd < 0){
printf("open %s error!!!\n",CAPTURE_FILE);
return -1;
}
// 3.2 获取一周期的字节数
const int period_bytes = snd_pcm_frames_to_bytes(capture_handle,period_frames);
char *capture_buf = malloc(period_bytes);
int count = 100; // 捕获100个周期
int readframes = 0;
while(count--) {
//向PCM读一周期数据
memset(capture_buf,0,period_bytes);
if((readframes = snd_pcm_readi(capture_handle, capture_buf, period_frames)) < 0) {
if(readframes == -EPIPE)
printf("read from audio interface failed (%d), overrun, Need to read faster\n",readframes);
else
printf("read from audio interface failed (%d)\n",readframes);
break;
}
printf("--process:capture read %d frames\n",readframes);
write(fd,capture_buf,snd_pcm_frames_to_bytes(capture_handle,readframes));
usleep(100*1000);
//usleep(130*1000); //测试用，超过 125ms，会报错 overrun
}
// 4、释放资源，关闭设备
free(capture_buf);
close(fd);
snd_pcm_close(capture_handle);
return 0;
}
四、XRUN( underrun和overrun)
在 ALSA 数据传输中，最容易出现的错误是 underrun 和 overrun。
underrun：pcm 播放的时候，接口 snd_pcm_writei 返回 -EPIPE，为 underrun（不足）
出现这问题原因是应用准备的音频数据不够，比如，驱动需要播放需要 1026 帧数据，但应用只准备好了 1024 帧。可以根据采样率和buffer size、period size去调整；overrun：录制音频的时候， 接口 snd_pcm_readi 返回 -EPIPE， 为 overrun（超载）
alsa驱动一直往buffer里面写，但应用程序却读取的很慢，例如：驱动写了1026帧，而应用层只读取了1024帧。需要加快读取速度。或者调整buffer size、period size。
五、总结
文章介绍了alsa的基础知识，以及基于alsa-lib开发ALSA应用层程序的开发流程和alsa开发过程钟常见的报错，提供了简单的alsa应用层代码。
参考资料：
ALSA官网资料——FramesPeriods：https://alsa-project.org/main/index.php/FramesPeriods
【Linux&音频】Alsa音频编程【精华】：https://blog.csdn.net/u012183924/article/details/53407668
ALSA 音频数据传输 underrun 和 overrun：https://blog.csdn.net/qq_38350702/article/details/111995039
Linux应用开发【第八章】ALSA应用开发：https://blog.csdn.net/thisway_diy/article/details/121809633
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