基于I2S接口的Linux内核音频技术

本文以I2S接口为例介绍Linux内核音频相关知识。
一、名词介绍,下面是音频调试中常见的名词缩略语。
1、AEC（Acoustic Echo Cancellor）：回声消除。
2、AGC（Automatic Gain Control）：自动增益补偿，调整MIC收音量。
3、ALSA（Advanced Linux Sound Architecture）：高级Linux声音架构。
4、ANS（Automatic Noise Suppression）：背景噪音抑制，ANS可探测出背景固定频率的杂音并消除背景噪音。
5、BCK（Bit Clock Line）：位时钟，对应数字音频的每一位数据。标准称为SCK（Serial Clock），串行时钟。SCK=2x采样频率x采样位数,6、DAI（Digital Audio Interface）：数字音频接口。
7、DAPM（Dynamic Audio Power Management）：动态电源管理，DAPM可使基于linux的移动设备上的音频子系统，在任何时候都工作在最小功耗状态。
8、DRC（Dynamic Range Control）：动态压缩，将音频输出控制在一定范围内。
9、EQ（Equaliser）：均衡器，通过对声音某一个或多个频段进行增益或衰减，达到调整音色的目的。
10、I2S（Inter-IC Sound）：IC间传输数字音频资料的一种接口标准，采用序列的方式传输2组（左右声道）资料。
11、LRCK（Left-Right Clock）：帧时钟，用于切换左右声道数据，0：左声道；1：右声道。标准称为WS(World Select)，声道选择；或称为FS（Frame Sync），帧同步；LRCK的频率=采样频率。
12、MCLK（Master Clock）：主时钟，一般MCLK=256*LRCK。不是I2S标准中的一部分，主要用来同步模拟/数字转换器的内部操作。
13、Mono：单声道。
14、OSS(Open Sound System)：开放声音系统。
15、PCM（Pulse Code Modulation）：脉冲编码调制，I2S是PCM的子集。
16、ramp：逐步增加或减少音量等级，避免声音急速变化，用于暂停或恢复音乐。
17、Stereo：双声道,18、TDM（Time Division Multiplexing）：时分复用。I2S最多只能传2声道数据，TDM最多支持16通道。
二、I2S接口,I2S是飞利浦定义的数字音频传输标准，用于数字音频数据在系统内部器件之间传输。
I2S是PCM的一个分支，接口定义相同。I2S的采样率一般为44.1/48KHZ，PCM采样频率一般为8/16KHZ等。
I2S接口有4组信号：SCK(位时钟)、LRCK(帧时钟)、SDI/SDO（数据）。
在I2S总线上，只能同时存在一个主设备和发送设备，主设备可以是发送设备或接收设备。常见的I2S框图如下>

三、I2S协议,I2S接口常见的协议模式包括：I2S正常模式、I2S左对齐模式和I2S右对齐模式等。
1、I2S正常模式,I2S正常模式属于I2S左对齐中的一种特例，也叫Philips模式。下图是I2S正常模式的波形。

LRCK（i2s_LRCK_rx/i2s_LRCK_tx）信号变低表示左声道，变高表示右声道。
SD（i2s_sdo，i2s_sdi）信号首先传输MSB或LSB，并在LRCK改变后的一个SCLK时钟周期发送第一个bit。
SD信号宽度的范围是从16到32位。
2、I2S左对齐模式,下图是I2S左对齐模式的波形。

LRCK（i2s_LRCK_rx/i2s_LRCK_tx）信号变高表示左声道，变低表示右声道。
SD（i2s_sdo，i2s_sdi）信号首先传输MSB或LSB，并在LRCK改变的同时发送第一个bit。
SD信号宽度的范围是从16到32位。
3、I2S右对齐模式,下图是I2S右对齐模式的波形。

LRCK（i2s_LRCK_rx/i2s_LRCK_tx）信号变高表示左通道，变低表示右通道。
SD（i2s_sdo、i2s_sdi）信号首先传输MSB或LSB，与I2S正常或左对齐模式不同，其数据与LRCK信号的边缘处的最后一位对齐。
SD信号宽度范围从16到32位。
其他协议格式还有：PCM early mode、PCM late1 mode和PCM late2 mode等。
四、ALSA框架,Linux内核2.6之后，ALSA取代了OSS成为了Linux内核音频子系统是一部分。
ALSA系统包括>
1、alsa-driver：alsa系统驱动。
2、alsa-lib：alsa库，用户空间调用，和内核空间交互。
3、alsa-utils：命令行工具。
4、alsa-plugin：alsa插件。
5、alsa-tools：alsa工具。
ALSA框架组成如下>

alsa-driver中相关功能如下（以rockchip 4a单板为例）>
1、Codec：音频芯片共有的部分，包括codec初始化函数，控制接口，寄存器缓存，控件，dapm部件，音频路由，偏置电压设置函数等描述信息。
Rockchip 4A单板，Codec选用的是ES8316芯片，该芯片的dts配置如下>

2、Codec DAI：codec上的音频接口驱动描述，包括:时钟配置，格式配置，能力描述等。
Codec DAI相关实现如下>

3、CPU DAI：指 SoC 的 I2S、PCM 总线控制器，负责把音频数据从 I2S tx FIFO 搬运到 codec。
RK3399 CPU DAI的dts相关配置如下>

4、DAI Link：音频数据链路，它指定链路用到的codec、codec_dai、cpu_dai和platform。
Linux 4.4 内核支持两种方式创建声卡：一种是通用的simple-card framework；一种是传统的编写自定义的 machine driver 来创建。
Simple card是简单通用的machine driver，如果 simple-card框架足够满足需求，可优先选择simple card 框架。
DAI Link的dts相关配置如下>

DAI Link的相关实现如下>

5、DAPM：动态电源管理，是基于kcontrol改进过后的相应框架，增加了相应的电源管理机制， widget是DAPM的基本单位。
Codec（es8316）中kcontrol、dapm widget和dapm routes的相关实现如下>

6、DMA：负责把 dma buffer 中的音频数据搬运到 I2S tx FIFO。
五、调试命令,ALSA是Linux处理音频的基本接口，但ALSA只提供基层的接口，操作较为繁复，一般情况下可以直接使用其附带提供的 utils 工具集，utils 工具集是一些封装好了的功能模块，直接以命令的方式提供，用户只需要敲入相关命令和参数即可实现音频操作功能。
1、查看声卡信息,controlCx：控制接口，提供灵活的方式管理注册的声卡和对存在的声卡进行查询。
pcmCxDxc：PCM接口，对应录音设备。
pcmCxDxp：PCM接口，对应放音设备。
timer：支持声音的同步事件提供声卡上的定时器。
seq：音序器接口，一个比原始MIDI接口高级的MIDI编程和声音同步高层接口。
2、查看声卡采集、播放PCM信息,3、查看ALSA驱动版本
4、查看声卡0的信息
5、查看寄存器
 
 
6、查看时钟
 
7、amixer命令
7.1查看card0内容
7.2查看和配置某个numid命令
8、设备名
 
 
 
9、放音
 
 
 
10、录音
 
 
 
-D：播放设备，aplay -l 或arecord -l列出的设备名,-r：采样率,-c：音频文件通道,-f：采样格式，常用的有S16_LE ,S24_LE ,S32_LE, cd （可忽略）,也可参考tinyalsa命令，如：tinymix、tinypcminfo、tinyplay和tinycap的用法。
11、mp3转wav