alsa-lib 簡介

如上所述，alsa-lib 是一套 Linux 應用層的 C 語言函數(shù)庫，為音頻應用程序開發(fā)提供了一套統(tǒng)一、標準的接口，應用程序只需調(diào)用這一套 API 即可完成對底層聲卡設(shè)備的操控，譬如播放與錄音。

用戶空間的 alsa-lib 對應用程序提供了統(tǒng)一的 API 接口，這樣可以隱藏驅(qū)動層的實現(xiàn)細節(jié)，簡化了應用程序的實現(xiàn)難度、無需應用程序開發(fā)人員直接去讀寫音頻設(shè)備節(jié)點。所以本章，對于我們來說，學習音頻應用編程其實就是學習 alsa-lib 庫函數(shù)的使用、如何基于 alsa-lib 庫函數(shù)開發(fā)音頻應用程序。

ALSA 提供了關(guān)于 alsa-lib 的使用說明文檔，其鏈接地址為：https://www.alsa-project.org/alsa-doc/alsa-lib/，

進入到該鏈接地址后，如下所示：

一個分類就是一個模塊（module），有些模塊下可能該包含了子模塊，譬如上圖中，模塊名稱前面有三角箭頭的表示該模塊包含有子模塊。

? Global defines and functions：包括一些全局的定義，譬如函數(shù)、宏等；

? Constants for Digital Audio Interfaces：數(shù)字音頻接口相關(guān)的常量；

? Input Interface：輸入接口；

? Output Interface：輸出接口；

? Error handling：錯誤處理相關(guān)接口；

? Configuration Interface：配置接口；

? Control Interface：控制接口；

? PCM Interface：PCM 設(shè)備接口；

? RawMidi Interface：RawMidi 接口；

? Timer Interface：定時器接口；

? Hardware Dependant Interface：硬件相關(guān)接口；

? MIDI Sequencer：MIDI 音序器；

? External PCM plugin SDK：外部 PCM 插件 SDK；

? External Control Plugin SDK：外部控制插件 SDK；

? Mixer Interface：混音器接口；

? Use Case Interface：用例接口；

? Topology Interface：拓撲接口。

可以看到，alsa-lib 提供的接口確實非常多、模塊很多，以上所列舉出來的這些模塊，很多模塊筆者也不是很清楚它們的具體功能、作用，但是本章我們僅涉及到三個模塊下的 API 函數(shù)，包括：PCM Interface、Error Interface 以及 Mixer Interface。

PCM Interface

PCM Interface，提供了 PCM 設(shè)備相關(guān)的操作接口，譬如打開/關(guān)閉 PCM 設(shè)備、配置 PCM 設(shè)備硬件或軟件參數(shù)、控制 PCM 設(shè)備（啟動、暫停、恢復、寫入/讀取數(shù)據(jù)），該模塊下還包含了一些子模塊，如下所示：

點擊模塊名稱可以查看到該模塊提供的API接口有哪些以及相應的函數(shù)說明，這里就不給大家演示了！

Error Interface

該模塊提供了關(guān)于錯誤處理相關(guān)的接口，譬如函數(shù)調(diào)用發(fā)生錯誤時，可調(diào)用該模塊下提供的函數(shù)打印錯誤描述信息。

Mixer Interface

提供了關(guān)于混音器相關(guān)的一系列操作接口，譬如音量、聲道控制、增益等等。

sound 設(shè)備節(jié)點

在 Linux 內(nèi)核設(shè)備驅(qū)動層、基于 ALSA 音頻驅(qū)動框架注冊的 sound 設(shè)備會在/dev/snd 目錄下生成相應的設(shè)備節(jié)點文件，譬如 ALPHA I.MX6U 開發(fā)板出廠系統(tǒng)/dev/snd 目錄下有如下文件：

從上圖可以看到有如下設(shè)備文件：

? controlC0：用于聲卡控制的設(shè)備節(jié)點，譬如通道選擇、混音器、麥克風的控制等，C0 表示聲卡 0（card0）；

? pcmC0D0c：用于錄音的 PCM 設(shè)備節(jié)點。其中 C0 表示 card0，也就是聲卡 0；而 D0 表示 device0，也就是設(shè)備 0；最后一個字母 c 是 capture 的縮寫，表示錄音；所以 pcmC0D0c 便是系統(tǒng)的聲卡0 中的錄音設(shè)備 0；

? pcmC0D0p：用于播放（或叫放音、回放）的 PCM 設(shè)備節(jié)點。其中 C0 表示 card0，也就是聲卡 0；而 D0 表示 device 0，也就是設(shè)備 0；最后一個字母 p 是 playback 的縮寫，表示播放；所以 pcmC0D0p便是系統(tǒng)的聲卡 0 中的播放設(shè)備 0；

? pcmC0D1c：用于錄音的 PCM 設(shè)備節(jié)點。對應系統(tǒng)的聲卡 0 中的錄音設(shè)備 1；

? pcmC0D1p：用于播放的 PCM 設(shè)備節(jié)點。對應系統(tǒng)的聲卡 0 中的播放設(shè)備 1。

? timer：定時器。

本章我們編寫的應用程序，雖然是調(diào)用 alsa-lib 庫函數(shù)去控制底層音頻硬件，但最終也是落實到對 sound設(shè)備節(jié)點的 I/O 操作，只不過 alsa-lib 已經(jīng)幫我們封裝好了。在 Linux 系統(tǒng)的/proc/asound 目錄下，有很多的文件，這些文件記錄了系統(tǒng)中聲卡相關(guān)的信息，如下所示：

cards：

通過"cat /proc/asound/cards"命令、查看 cards 文件的內(nèi)容，可列出系統(tǒng)中可用的、注冊的聲卡，如下所示：

cat /proc/asound/cards

列出系統(tǒng)中所有聲卡注冊的設(shè)備，包括 control、pcm、timer、seq 等等。如下所示：

cat /proc/asound/devices

pcm：

列出系統(tǒng)中的所有 PCM 設(shè)備，包括 playback 和 capture：

cat /proc/asound/pcm

alsa-lib 移植

因為 alsa-lib 是 ALSA 提供的一套 Linux 下的 C 語言函數(shù)庫，需要將 alsa-lib 移植到開發(fā)板上，這樣基于 alsa-lib 編寫的應用程序才能成功運行，除了移植 alsa-lib 庫之外，通常還需要移植 alsa-utils，alsa-utils 包含了一些用于測試、配置聲卡的工具。

事實上，ALPHA I.MX6U 開發(fā)板出廠系統(tǒng)中已經(jīng)移植了 alsa-lib 和 alsa-utils，本章我們直接使用出廠系統(tǒng)移植好的 alsa-lib 和 alsa-utils 進行測試，筆者也就不再介紹移植過程了。其實它們的移植方法也非常簡單，如果你想自己嘗試移植，網(wǎng)上有很多參考，大家可以自己去看看。

alsa-utils 提供了一些用于測試、配置聲卡的工具，譬如 aplay、arecord、alsactl、alsaloop、alsamixer、amixer 等，在開發(fā)板出廠系統(tǒng)上可以直接使用這些工具，這些應用程序也都是基于 alsa-lib 編寫的。

aplay

aplay 是一個用于測試音頻播放功能程序，可以使用 aplay 播放 wav 格式的音頻文件，如下所示：

程序運行之后就會開始播放音樂，因為 ALPHA 開發(fā)板支持喇叭和耳機自動切換，如果不插耳機默認從喇叭播放音樂，插上耳機以后喇叭就會停止播放，切換為耳機播放音樂，這個大家可以自己進行測試。

需要注意的是，aplay 工具只能解析 wav 格式音頻文件，不支持 mp3 格式解碼，所以無法使用 aplay 工具播放 mp3 音頻文件。稍后筆者會向大家介紹如何基于 alsa-lib 編寫一個簡單地音樂播放器，實現(xiàn)與 aplay相同的效果。

編寫一個簡單的alsa-lib應用程序

本小節(jié)開始，我們來學習如何基于 alsa-lib 編寫音頻應用程序，alsa-lib 提供的庫函數(shù)也別多，筆者肯定不會全部給大家介紹，只介紹基礎(chǔ)的使用方法，關(guān)于更加深入、更加詳細的使用方法需要大家自己去研究、學習。

對于 alsa-lib 庫的使用，ALSA 提供了一些參考資料來幫助應用程序開發(fā)人員快速上手 alsa-lib、基于alsa-lib 進行應用編程，以下筆者給出了鏈接：

https://users.suse.com/~mana/alsa090_howto.html

https://www.alsa-project.org/alsa-doc/alsa-lib/examples.html

第一份文檔向用戶介紹了如何使用 alsa-lib 編寫簡單的音頻應用程序，包括 PCM 播放音頻、PCM 錄音等，筆者也是參考了這份文檔來編寫本章教程，對應初學者，建議大家看一看。

第二個鏈接地址是 ALSA 提供的一些示例代碼，如下所示：

點擊對應源文件即可查看源代碼。

以上便是 ALSA 提供的幫助文檔以及參考代碼，鏈接地址已經(jīng)給出了，大家有興趣可以看一下。

本小節(jié)筆者將向大家介紹如何基于 alsa-lib 編寫一個簡單地音頻應用程序，譬如播放音樂、錄音等；但在此之前，首先我們需要先來了解一些基本的概念，為后面的學習打下一個堅實的基礎(chǔ)！

一些基本概念

主要是與音頻相關(guān)的基本概念，因為在 alsa-lib 應用編程中會涉及到這些概念，所以先給大家進行一個簡單地介紹。

樣本長度（Sample）

樣本是記錄音頻數(shù)據(jù)最基本的單元，樣本長度就是采樣位數(shù)，也稱為位深度（Bit Depth、Sample Size、Sample Width）。是指計算機在采集和播放聲音文件時，所使用數(shù)字聲音信號的二進制位數(shù)，或者說每個采樣樣本所包含的位數(shù)（計算機對每個通道采樣量化時數(shù)字比特位數(shù)），通常有 8bit、16bit、24bit 等。

聲道數(shù)（channel）

分為單聲道(Mono)和雙聲道/立體聲(Stereo)。1 表示單聲道、2 表示立體聲。

幀（frame）

幀記錄了一個聲音單元，其長度為樣本長度與聲道數(shù)的乘積，一段音頻數(shù)據(jù)就是由苦干幀組成的。

把所有聲道中的數(shù)據(jù)加在一起叫做一幀，對于單聲道：一幀 = 樣本長度 * 1；雙聲道：一幀 = 樣本長度 * 2。譬如對于樣本長度為 16bit 的雙聲道來說，一幀的大小等于：16 * 2 / 8 = 4 個字節(jié)。

更多命令參考正電原子應用開發(fā)手冊即可。

暫略。

關(guān)于音頻，先了解吧。

后面如果要接觸，再來深入學習。

補充

什么是PCM設(shè)備？

脈沖編碼調(diào)制（Pulse Code Modulation，簡稱PCM）是一種將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的技術(shù)。這種轉(zhuǎn)換過程是通過測量模擬信號的特征點（例如電壓或電流）并將其編碼為二進制數(shù)字數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的。

在通信系統(tǒng)中，PCM設(shè)備的作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

• 低速業(yè)務轉(zhuǎn)換：PCM設(shè)備可以將各種低速業(yè)務轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并裝入64kbit/s通道。這些低速業(yè)務包括但不限于語音電話、熱線電話、磁石電話等，以及2W/4W模擬音頻、RS-232、RS-422、RS-485、V.35、G.703同向64kbit/s以太網(wǎng)等。

• 多路復用：PCM設(shè)備具有將30路64kbit/s通道復接成2Mbit/s的能力，從而實現(xiàn)了多路復用的功能。這意味著在同一條物理線路上可以同時傳輸多路信號，提高了線路的利用率和通信效率。

• 信號傳輸：在光纖通信系統(tǒng)中，PCM設(shè)備發(fā)揮著重要作用。光纖中傳輸?shù)亩M制光脈沖“0”碼和“1”碼，就是由二進制數(shù)字信號對光源進行通斷調(diào)制產(chǎn)生的，而數(shù)字信號正是通過對連續(xù)變化的模擬信號進行抽樣、量化和編碼得到的，這就是PCM的過程。

• 接口類型多樣：PCM設(shè)備的接口類型豐富多樣，包括環(huán)路中繼接口、用戶線接口、二線音頻接口、四線音頻接口、異步RS232/V.24接口、同步RS232、RS422接口、RS485接口、V.35接口、G.703 64Kb/s同向數(shù)據(jù)接口等。

總的來說，PCM設(shè)備在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中扮演著重要角色，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，還能夠通過多路復用技術(shù)提高通信效率，滿足不同用戶對數(shù)據(jù)傳輸速率的需求。