😁博客主页😁:🚀https://blog.csdn.net/wkd_007🚀
🤑博客内容🤑:🍭嵌入式开发、Linux、C语言、C++、数据结构、音视频🍭
🤣本文内容🤣:🍭基于alsa-lib开发ALSA应用层程序🍭
😎金句分享😎:🍭盖士人读书,第一要有志,第二要有识,第三要有恒。有志则断不甘为下流,有识则知学问无尽,不敢以一得自足,如河伯之观海,如井蛙之窥天,皆无识者也。有恒则断无不成之事,此三者缺一不可。 ------《曾国藩家书》🍭
【音视频|ALSA】ALSA是什么?ALSA框架详细介绍
【音视频|ALSA】SS528开发板编译Linux内核ALSA驱动、移植alsa-lib、采集与播放usb耳机声音
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](#3.1 alsa播放程序开发--alsa-playback.c)
- [3.2 alsa录制音频程序开发--alsa-capture.c](#3.2 alsa录制音频程序开发--alsa-capture.c)
- [四、XRUN( underrun和overrun)](#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48002 2=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(96002 2 = 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:
sh
# 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
c
// 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
c
// 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
如果文章有帮助的话,点赞👍、收藏⭐,支持一波,谢谢 😁😁😁