東莞長安網(wǎng)站設(shè)計軟件培訓(xùn)班
ALPHA I.MX6U 開發(fā)板支持音頻，板上搭載了音頻編解碼芯片 WM8960，支持播放以及錄音功能！本章我們來學(xué)習(xí) Linux 下的音頻應(yīng)用編程，音頻應(yīng)用編程相比于前面幾個章節(jié)所介紹的內(nèi)容、其難度有所上升，但是筆者僅向大家介紹 Linux 音頻應(yīng)用編程中的基礎(chǔ)知識，而更多細(xì)節(jié)、更加深入的內(nèi)容需要大家自己去學(xué)習(xí)。
本章將會討論如下主題內(nèi)容。
? Linux 下 ALSA 框架概述；
? alsa-lib 庫介紹；
? alsa-lib 庫移植；
? alsa-lib 庫的使用；
? 音頻應(yīng)用編程之播放；
? 音頻應(yīng)用編程之錄音。
ALSA 概述
ALSA 是 Advanced Linux Sound Architecture（高級的 Linux 聲音體系）的縮寫，目前已經(jīng)成為了 linux下的主流音頻體系架構(gòu)，提供了音頻和 MIDI 的支持，替代了原先舊版本中的 OSS（開發(fā)聲音系統(tǒng)）；學(xué)習(xí)過 Linux 音頻驅(qū)動開發(fā)的讀者肯定知道這個；事實上，ALSA 是 Linux 系統(tǒng)下一套標(biāo)準(zhǔn)的、先進(jìn)的音頻驅(qū)動框架，那么這套框架的設(shè)計本身是比較復(fù)雜的，采用分離、分層思想設(shè)計而成，具體的細(xì)節(jié)便不給大家介紹了！作為音頻應(yīng)用編程，我們不用去研究這個。
在應(yīng)用層，ALSA 為我們提供了一套標(biāo)準(zhǔn)的 API，應(yīng)用程序只需要調(diào)用這些 API 就可完成對底層音頻硬件設(shè)備的控制，譬如播放、錄音等，這一套 API 稱為 alsa-lib。如下圖所示：
alsa-lib 簡介
如上所述，alsa-lib 是一套 Linux 應(yīng)用層的 C 語言函數(shù)庫，為音頻應(yīng)用程序開發(fā)提供了一套統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的接口，應(yīng)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(yīng)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(xì)節(jié)，簡化了應(yīng)用程序的實現(xiàn)難度、無需應(yīng)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(xué)習(xí)音頻應(yīng)用編程其實就是學(xué)習(xí) 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(yīng)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(jìn)入到該鏈接地址后，如下所示：
alsa-lib 庫支持功能比較多，提供了豐富的 API 接口供應(yīng)用程序開發(fā)人員調(diào)用，根據(jù)函數(shù)的功能、作用將這些 API 進(jìn)行了分類，可以點擊上圖中 Modules 按鈕查看其模塊劃分，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?fù)浣涌凇?
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(fù)、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(yīng)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(yīng)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：
Tips：注意，Mini I.MX6U 開發(fā)板出廠系統(tǒng)/dev/snd 目錄下是沒有這些文件的，因為 Mini 板不支持音頻、沒有板載音頻編解碼芯片，所以本章實驗例程無法在 Mini 板上進(jìn)行測試，請悉知！
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(fēng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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
我們的阿爾法板子上只有一個聲卡（WM8960 音頻編解碼器），所以它的編號為 0，也就是 card0。系統(tǒng)中注冊的所有聲卡都會在/proc/asound/目錄下存在一個相應(yīng)的目錄，該目錄的命名方式為 cardX（X 表示 聲卡的編號），譬如圖 28.3.2 中的 card0；card0 目錄下記錄了聲卡 0 相關(guān)的信息，譬如聲卡的名字以及聲卡注冊的 PCM 設(shè)備，如下所示：
devices：
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(yīng)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(jìn)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(yīng)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(jī)自動切換，如果不插耳機(jī)默認(rèn)從喇叭播放音樂，插上耳機(jī)以后喇叭就會停止播放，切換為耳機(jī)播放音樂，這個大家可以自己進(jìn)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。
更多命令參考正電原子應(yīng)用開發(fā)手冊即可。
暫略。
編寫一個簡單的alsa-lib應(yīng)用程序
本小節(jié)開始，我們來學(xué)習(xí)如何基于 alsa-lib 編寫音頻應(yīng)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(xì)的使用方法需要大家自己去研究、學(xué)習(xí)。
對于 alsa-lib 庫的使用，ALSA 提供了一些參考資料來幫助應(yīng)用程序開發(fā)人員快速上手 alsa-lib、基于alsa-lib 進(jìn)行應(yīng)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(yīng)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(yīng)初學(xué)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(yīng)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(yīng)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(xué)習(xí)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(yīng)用編程中會涉及到這些概念，所以先給大家進(jìn)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(jī)在采集和播放聲音文件時，所使用數(shù)字聲音信號的二進(jìn)制位數(shù)，或者說每個采樣樣本所包含的位數(shù)（計算機(jī)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(yīng)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(xué)習(xí)。
補(bǔ)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(jìn)制數(shù)字?jǐn)?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(wù)轉(zhuǎn)換：PCM設(shè)備可以將各種低速業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并裝入64kbit/s通道。這些低速業(yè)務(wù)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(fù)用：PCM設(shè)備具有將30路64kbit/s通道復(fù)接成2Mbit/s的能力，從而實現(xiàn)了多路復(fù)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(jìn)制光脈沖“0”碼和“1”碼，就是由二進(jìn)制數(shù)字信號對光源進(jìn)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(jìn)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(fù)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。