PCM音频设备的操作

 对音频设备的操作主要是初始化音频设备以及往音频设备发送 PCM（Pulse Code Modulation）数据。为了方便，本文使用 ALSA（Advanced Linux Sound Architecture）提供的库和驱动。在编译和运行本文中的 MP3 流媒体播放器的时候，必须先安装 ALSA 相关的文件。
 本文用到的主要对 PCM 设备操作的函数分为 PCM 设备初始化的函数以及 PCM 接口的一些操作函数。
PCM 硬件设备参数设置和初始化的函数有：

1. int  snd_pcm_hw_params_malloc (snd_pcm_hw_params_t **ptr)  
2. int  snd_pcm_hw_params_any (snd_pcm_t *pcm, snd_pcm_hw_params_t *params)  
3. void snd_pcm_hw_params_free (snd_pcm_hw_params_t *obj)  
4. int  snd_pcm_hw_params_set_access ( snd_pcm_t *pcm,   
5.                                     snd_pcm_hw_params_t *params,   
6.                                     snd_pcm_access_t _access)  
7. int  snd_pcm_hw_params_set_format ( snd_pcm_t *pcm,   
8.                                     snd_pcm_hw_params_t *params,   
9.                                     snd_pcm_format_t val)  
10. int  snd_pcm_hw_params_set_channels(snd_pcm_t *pcm,   
11.                                     snd_pcm_hw_params_t *params,   
12.                                     unsigned int val)  
13. int snd_pcm_hw_params_set_rate_near(snd_pcm_t *pcm,   
14.                                     snd_pcm_hw_params_t *params,   
15.                                     unsigned int *val, int *dir) 

PCM 接口函数有：

1. int   snd_pcm_hw_params (snd_pcm_t *pcm, snd_pcm_hw_params_t *params)  
2. int   snd_pcm_prepare (snd_pcm_t *pcm)  
3. int   snd_pcm_open (snd_pcm_t **pcm, const char *name,   
4.                     snd_pcm_stream_t stream, int mode)  
5. int   snd_pcm_close (snd_pcm_t *pcm)  
6. snd_pcm_sframes_t   snd_pcm_writei (snd_pcm_t *pcm,   
7.                     const void *buffer, snd_pcm_uframes_t size) 

这些函数用到了 snd_pcm_hw_params_t 结构，此结构包含用来播放 PCM 数据流的硬件信息配置。在往音频设备（声卡）写入音频数据之前，必须设置访问类型、采样格式、采样率、声道数等。

首先使用 snd_pcm_open () 打开 PCM 设备，在 ALSA 中，PCM 设备都有名字与之对应。比如我们可以定义 PCM 设备名字为 char *pcm_name = "plughw:0,0"。 最重要的 PCM 设备接口是“plughw”以及“hw”接口。 使用“plughw”接口，程序员不必过多关心硬件，而且如果设置的配置参数和实际硬件支持的参数不一致，ALSA 会自动转换数据。如果使用“hw”接口，我们就必须检测硬件是否支持设置的参数了。Plughw 后面的两个数字分别表示设备号和次设备（subdevice）号。

snd_pcm_hw_params_malloc( ) 在栈中分配 snd_pcm_hw_params_t 结构的空间，然后使用 snd_pcm_hw_params_any( ) 函数用声卡的全配置空间参数初始化已经分配的 snd_pcm_hw_params_t 结构。snd_pcm_hw_params_set_access ( ) 设置访问类型，常用访问类型的宏定义有：

1. SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED 

交错访问。在缓冲区的每个 PCM 帧都包含所有设置的声道的连续的采样数据。比如声卡要播放采样长度是 16-bit 的 PCM 立体声数据，表示每个 PCM 帧中有 16-bit 的左声道数据，然后是 16-bit 右声道数据。

1. SND_PCM_ACCESS_RW_NONINTERLEAVED 

非交错访问。每个 PCM 帧只是一个声道需要的数据，如果使用多个声道，那么第一帧是第一个声道的数据，第二帧是第二个声道的数据，依此类推。

函数 snd_pcm_hw_params_set_format() 设置数据格式，主要控制输入的音频数据的类型、无符号还是有符号、是 little-endian 还是 bit-endian。比如对于 16-bit 长度的采样数据可以设置为：

1. SND_PCM_FORMAT_S16_LE      有符号16 bit Little Endian   
2. SND_PCM_FORMAT_S16_BE      有符号16 bit Big Endian   
3. SND_PCM_FORMAT_U16_LE      无符号16 bit Little Endian   
4. SND_PCM_FORMAT_U16_BE      无符号 16 bit Big Endian  
5. 比如对于 32-bit 长度的采样数据可以设置为：  
6. SND_PCM_FORMAT_S32_LE      有符号32 bit Little Endian   
7. SND_PCM_FORMAT_S32_BE      有符号32 bit Big Endian   
8. SND_PCM_FORMAT_U32_LE      无符号32 bit Little Endian   
9. SND_PCM_FORMAT_U32_BE      无符号 32 bit Big Endian 

函数 snd_pcm_hw_params_set_channels() 设置音频设备的声道，常见的就是单声道和立体声，如果是立体声，设置最后一个参数为2。snd_pcm_hw_params_set_rate_near () 函数设置音频数据的最接近目标的采样率。snd_pcm_hw_params( ) 从设备配置空间选择一个配置，让函数 snd_pcm_prepare() 准备好 PCM 设备，以便写入 PCM 数据。snd_pcm_writei() 用来把交错的音频数据写入到音频设备。

初始化 PCM 设备的例程如下：

初始化 PCM 设备的例程
 

1. /* open a PCM device */ 
2. int open_device(struct mad_header const *header)  
3. {  
4.    int err;  
5.    snd_pcm_hw_params_t *hw_params;  
6.    char  *pcm_name = "plughw:0,0";  
7.    int rate = header->samplerate;  
8.    int channels = 2;  
9.  
10.    if (header->mode == 0) {  
11.       channels = 1;  
12.    } else {  
13.       channels = 2;  
14.    }  
15.  
16.    if ((err = snd_pcm_open (&playback_handle,   
17.                             pcm_name, SND_PCM_STREAM_PLAYBACK, 0)) < 0) {  
18.       printf("cannot open audio device %s (%s)\n",  
19.       pcm_name,  
20.       snd_strerror (err));  
21.       return -1;  
22.    }  
23.  
24.    if ((err = snd_pcm_hw_params_malloc (&hw_params)) < 0) {  
25.       printf("cannot allocate hardware parameter structure (%s)\n",  
26.       snd_strerror (err));  
27.       return -1;  
28.    }  
29.  
30.    if ((err = snd_pcm_hw_params_any (playback_handle, hw_params)) < 0) {  
31.       printf("cannot initialize hardware parameter structure (%s)\n",  
32.       snd_strerror (err));  
33.       return -1;  
34.    }  
35.  
36.  
37.    if ((err = snd_pcm_hw_params_set_access (playback_handle, hw_params,   
38.               SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED)) < 0) {  
39.       printf("cannot set access type (%s)\n",  
40.       snd_strerror (err));  
41.       return -1;  
42.    }  
43.  
44.       
45.    if ((err = snd_pcm_hw_params_set_format (playback_handle,   
46.               hw_params, SND_PCM_FORMAT_S32_LE)) < 0) {  
47.       printf("cannot set sample format (%s)\n",  
48.       snd_strerror (err));  
49.       return -1;  
50.    }  
51.    if ((err = snd_pcm_hw_params_set_rate_near (playback_handle,   
52.               hw_params, &rate, 0)) < 0) {  
53.       printf("cannot set sample rate (%s)\n",  
54.       snd_strerror (err));  
55.       return -1;  
56.    }  
57.  
58.    if ((err = snd_pcm_hw_params_set_channels (playback_handle,   
59.               hw_params, channels)) < 0) {  
60.       printf("cannot set channel count (%s)\n",  
61.       snd_strerror (err));  
62.       return -1;  
63.    }  
64.  
65.    if ((err = snd_pcm_hw_params (playback_handle,   
66.               hw_params)) < 0) {  
67.       printf("cannot set parameters (%s)\n",  
68.       snd_strerror (err));  
69.       return -1;  
70.    }  
71.  
72.    snd_pcm_hw_params_free (hw_params);  
73.    if ((err = snd_pcm_prepare (playback_handle)) < 0) {  
74.       printf("cannot prepare audio interface for use (%s)\n",  
75.       snd_strerror (err));  
76.       return -1;  
77.    }  
78.  
79.    return 0;  
80. }  

这里配置的 PCM 格式是 SND_PCM_FORMAT_S32_LE，采样的格式是每个采样有 32-bit 的数据，数据按照 little-endian 存放。如果通过 mad_frame_decode() 函数得到 PCM 数据后，要求每个采样数据只占 16-bit，需要把数据进行MAD的定点类型到 signed short 类型进行转换。那么，PCM 数据如何写入声卡中呢？函数实现例程如下所示：

PCM 数据写入声卡函数实现例程
 

1. while (nsamples--) {  
2. /* nsamples 是采样的数目 */ 
3.        signed int sample;  
4.  
5.        sample = pcm->samples[0][j];  
6.        *(OutputPtr++) = sample & 0xff;  
7.        *(OutputPtr++) = (sample >> 8);  
8.        *(OutputPtr++) = (sample >> 16);  
9.        *(OutputPtr++) = (sample >> 24);  
10.  
11.        if (nchannels == 2) {  
12.           sample = pcm->samples[1][j];  
13.           *(OutputPtr++) = sample  & 0xff;  
14.           *(OutputPtr++) = sample >> 8;  
15.           *(OutputPtr++) = (sample >> 16);  
16.           *(OutputPtr++) = (sample >> 24);  
17.  
18.        }  
19.        j++;  
20.  
21.    }  
22.    if ((err = snd_pcm_writei (playback_handle, buf, samples)) < 0) {  
23.       err = xrun_recovery(playback_handle, err);  
24.       if (err < 0) {  
25.          printf("Write error: %s\n", snd_strerror(err));  
26.          return -1;  
27.       }  
28.    }  

这里用到了 http://www.alsa-project.org/ 关于 ALSA 文档中的例子函数 xrun_recovery( )。详细例子请参见 http://www.alsa-project.org/alsa-doc/alsa-lib/_2test_2pcm_8c-example.html。使用此函数的目的是避免出现由于网络原因，声卡不能及时得到音频数据而使得 snd_pcm_writei() 不能正常连续工作。实际上在 xrun_recovery( ) 中，又调用 snd_pcm_prepare() 和 snd_pcm_resume() 以实现能“恢复错误”的功能。-EPIPE 错误表示应用程序没有及时把 PCM 采样数据送入ASLA 库。xrun_recovery() 函数如下所示：

xrun_recovery() 函数
 

1. int xrun_recovery(snd_pcm_t *handle, int err)  
2. {  
3.    if (err == -EPIPE) {    /* under-run */ 
4.       err = snd_pcm_prepare(handle);  
5.  
6.    if (err < 0)  
7.       printf("Can't recovery from underrun, prepare failed: %s\n",  
8.          snd_strerror(err));  
9.       return 0;  
10.    } else if (err == -ESTRPIPE) {  
11.       while ((err = snd_pcm_resume(handle)) == -EAGAIN)  
12.          sleep(1);       /* wait until the suspend flag is released */ 
13.          if (err < 0) {  
14.             err = snd_pcm_prepare(handle);  
15.          if (err < 0)  
16.             printf("Can't recovery from suspend, prepare failed: %s\n",  
17.               snd_strerror(err));  
18.       }  
19.       return 0;  
20.    }  
21.    return err;  
22. }  

知道了具体的音频设备操作方法，就该使用 MAD 提供的函数具体实现解码了。函数 mp3_decode_buf( ) 提供了使用 libmad 解码的方法。首先调用 mad_stream_buffer() 函数把 MP3 流数据和 decode_stream 关联，然后开始循环解码数据。如果在解码数据过程中，有不完整 PCM 数据帧，那么 decode_stream.error 的值就是 MAD_ERROR_BUFLEN，且 decode_stream.next_frame 不为 NULL。这时候，把剩余的未解码的数据再拷贝到数据解码缓冲区里。 mad_frame_decode( ) 函数从 decode_stream 中得到 PCM 数据。

mad_frame_decode( ) 函数从 decode_stream 中得到 PCM 数据

1. int mp3_decode_buf(char *input_buf, int size)  
2. {  
3.   int decode_over_flag = 0;  
4.   int remain_bytes = 0;  
5.   int ret_val = 0;  
6.   mad_stream_buffer(&decode_stream, input_buf, size);  
7.   decode_stream.error = MAD_ERROR_NONE;  
8.   while (1)  
9.   {  
10.       if (decode_stream.error == MAD_ERROR_BUFLEN) {  
11.         if (decode_stream.next_frame != NULL) {  
12.            remain_bytes = decode_stream.bufend - decode_stream.next_frame;  
13.            memcpy(input_buf, decode_stream.next_frame, remain_bytes);  
14.            return remain_bytes;  
15.         }  
16.       }  
17.       ret_val = mad_frame_decode(&decode_frame, &decode_stream);  
18.      /* 省略部分代码 */ 
19.      ...  
20.      if (ret_val == 0) {  
21.          if (play_frame(&decode_frame) == -1) {  
22.             return -1;  
23.          }  
24.       }  
25.       /* 后面代码省略 */ 
26.       ...  
27.    }  
28.  
29.    return 0;  
30. }  

     本文转自 驿落黄昏 51CTO博客，原文链接：http://blog.51cto.com/yiluohuanghun/868048，如需转载请自行联系原作者