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

root@xiaotianbsp:~# cat /proc/asound/cards
 0 [rockchipes8316c]: rockchip_es8316 - rockchip,es8316-codec
                      rockchip,es8316-codec
 1 [HDMICODEC      ]: HDMI-CODEC - HDMI-CODEC
                      HDMI-CODEC
root@xiaotianbsp:~# ls -l /dev/snd/
total 0
drwxr-xr-x  2 root root       80 Aug 16 14:43 by-path
crw-rw----+ 1 root audio 116,  2 Aug 16 14:43 controlC0
crw-rw----+ 1 root audio 116,  5 Aug 16 14:43 controlC1
crw-rw----+ 1 root audio 116,  4 Aug 16 14:43 pcmC0D0c
crw-rw----+ 1 root audio 116,  3 Aug 16 14:43 pcmC0D0p
crw-rw----+ 1 root audio 116,  6 Aug 16 14:43 pcmC1D0p
crw-rw----+ 1 root audio 116,  1 Aug 16 14:43 seq
crw-rw----+ 1 root audio 116, 33 Aug 16 14:43 timer

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

root@xiaotianbsp:~# cat /proc/asound/pcm
00-00: ff880000.i2s-ES8316 HiFi ES8316 HiFi-0 :  : playback 1 : capture 1
01-00: ff8a0000.i2s-i2s-hifi i2s-hifi-0 :  : playback 1

3、查看ALSA驱动版本

root@xiaotianbsp:~# cat /proc/asound/version
Advanced Linux Sound Architecture Driver Version k4.4.154-90-rockchip-ga14f6502e045.

4、查看声卡0的信息

root@xiaotianbsp:~# cat /proc/asound/card0/pcm0p/sub0/status
closed

5、查看寄存器

## regmap名称
root@xiaotianbsp:~# cat /sys/kernel/debug/regmap/1-0011/name
es8316
root@xiaotianbsp:~# cat /sys/kernel/debug/regmap/ff880000.i2s/name
rockchip-i2s

## rk3399 i2s0控制器寄存器
root@xiaotianbsp:~# cat /sys/kernel/debug/regmap/ff880000.i2s/registers
00: 0000000f
04: 0000000f
08: 00033f3f
0c: 00000000
10: 000f0010
14: 01f00000
18: XXXXXXXX
1c: 00000000
20: XXXXXXXX
28: 00000000

## es8316寄存器
root@xiaotianbsp:~# cat /sys/kernel/debug/regmap/1-0011/registers
00: c0
01: f3
02: 08
03: 20
04: 11
05: 00
06: 11
07: 00
08: 00
09: 04
0a: 0c
0b: 0c
0c: ff
0d: 3f
0e: ff
0f: ff
10: 11
11: fc
12: 28
13: 00
14: 00
15: 33
16: 00
17: 00
18: 00

 

 

6、查看时钟

 

 

## 采样率44.1KHZ，mclk = 256 * sample = 256*44.1*1000 = 11289600 HZ
root@xiaotianbsp:~# cat /sys/kernel/debug/clk/clk_summary | grep i2s0
          clk_i2s0_div                    1            1   800000000          0 0
             clk_i2s0_frac                1            1    11289600          0 0
                clk_i2s0_mux              1            1    11289600          0 0
                   clk_i2s0               1            2    11289600          0 0
                hclk_i2s0                 1            2   100000000          0 0

7、amixer命令

root@xiaotianbsp:~# amixer -h
Usage: amixer  [command]

Available options:
  -h,--help       this help
  -c,--card N     select the card
  -D,--device N   select the device, default 'default'
  -d,--debug      debug mode
  -n,--nocheck    do not perform range checking
  -v,--version    print version of this program
  -q,--quiet      be quiet
  -i,--inactive   show also inactive controls
  -a,--abstract L select abstraction level (none or basic)
  -s,--stdin      Read and execute commands from stdin sequentially
  -R,--raw-volume Use the raw value (default)
  -M,--mapped-volume Use the mapped volume

Available commands:
  scontrols       show all mixer simple controls
  scontents       show contents of all mixer simple controls (default command)
  sset sID P      set contents for one mixer simple control
  sget sID        get contents for one mixer simple control
  controls        show all controls for given card
  contents        show contents of all controls for given card
  cset cID P      set control contents for one control
  cget cID        get control contents for one control

7.1查看card0内容

root@xiaotianbsp:~# amixer -c 0 contents
numid=16,iface=MIXER,name='ADC Double FS Mode'
  ; type=BOOLEAN,access=rw------,values=1
  : values=off
numid=14,iface=MIXER,name='ADC Soft Ramp'
  ; type=BOOLEAN,access=rw------,values=1
  : values=on
numid=13,iface=MIXER,name='ADC Capture Volume'
  ; type=INTEGER,access=rw---R--,values=1,min=0,max=192,step=0
  : values=192
  | dBscale-min=-96.00dB,step=0.50dB,mute=1
numid=15,iface=MIXER,name='Capture Polarity'
  ; type=ENUMERATED,access=rw------,values=1,items=2
  ; Item #0 'Normal'
  ; Item #1 'Invert'
  : values=0

7.2查看和配置某个numid命令

## 查看
root@xiaotianbsp:~# amixer -c 0 cget numid=16
numid=16,iface=MIXER,name='ADC Double FS Mode'
  ; type=BOOLEAN,access=rw------,values=1
  : values=off
  
## 配置
root@xiaotianbsp:~# amixer -c 0 cset numid=16 on
numid=16,iface=MIXER,name='ADC Double FS Mode'
  ; type=BOOLEAN,access=rw------,values=1
  : values=on

8、设备名

 

 

root@xiaotianbsp:~# aplay -l
**** List of PLAYBACK Hardware Devices ****
card 0: rockchipes8316c [rockchip,es8316-codec], device 0: ff880000.i2s-ES8316 HiFi ES8316 HiFi-0 []
  Subdevices: 1/1
  Subdevice #0: subdevice #0
card 1: HDMICODEC [HDMI-CODEC], device 0: ff8a0000.i2s-i2s-hifi i2s-hifi-0 []
  Subdevices: 1/1
  Subdevice #0: subdevice #0
root@linaro-alip:~# arecord -l
**** List of CAPTURE Hardware Devices ****
card 0: rockchipes8316c [rockchip,es8316-codec], device 0: ff880000.i2s-ES8316 HiFi ES8316 HiFi-0 []
  Subdevices: 1/1
  Subdevice #0: subdevice #0

 

 

9、放音

 

 

aplay -D hw:0,0 -r 44100 -c 2 -f s16_le play.wav

 

 

10、录音

 

 

arecord -D hw:0,0 -r 16000 -c 1 -f s16_le record.wav

 

 

-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

 

 

lame test.mp3 test.wav --decode

 

 

审核编辑：黄飞