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PCM音頻設備的操作函數

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對音頻設備的操作主要是初始化音頻設備以及往音頻設備發送 PCM（Pulse Code Modulation）數據。為了方便，本文使用 ALSA（Advanced Linux Sound Architecture）提供的庫和驅動。在編譯和運行本文中的 MP3 流媒體播放器的時候，必須先安裝 ALSA 相關的文件。

本文用到的主要對 PCM 設備操作的函數分為 PCM 設備初始化的函數以及 PCM 接口的一些操作函數。

PCM 硬件設備參數設置和初始化的函數有：

int  snd_pcm_hw_params_malloc (snd_pcm_hw_params_t **ptr)     
int  snd_pcm_hw_params_any (snd_pcm_t *pcm, snd_pcm_hw_params_t *params)     
void snd_pcm_hw_params_free (snd_pcm_hw_params_t *obj)     
int  snd_pcm_hw_params_set_access ( snd_pcm_t *pcm,      
                                    snd_pcm_hw_params_t *params,      
                                    snd_pcm_access_t _access)     
int  snd_pcm_hw_params_set_format ( snd_pcm_t *pcm,      
                                    snd_pcm_hw_params_t *params,      
                                    snd_pcm_format_t val)     
int  snd_pcm_hw_params_set_channels(snd_pcm_t *pcm,      
                                    snd_pcm_hw_params_t *params,      
                                    unsigned int val)     
int snd_pcm_hw_params_set_rate_near(snd_pcm_t *pcm,      
                                    snd_pcm_hw_params_t *params,      
                                    unsigned int *val, int *dir)

PCM 接口函數有：

int   snd_pcm_hw_params (snd_pcm_t *pcm, snd_pcm_hw_params_t *params)     
int   snd_pcm_prepare (snd_pcm_t *pcm)     
int   snd_pcm_open (snd_pcm_t **pcm, const char *name,      
                    snd_pcm_stream_t stream, int mode)     
int   snd_pcm_close (snd_pcm_t *pcm)     
snd_pcm_sframes_t   snd_pcm_writei (snd_pcm_t *pcm,      
                    const void *buffer, snd_pcm_uframes_t size)

這些函數用到了 snd_pcm_hw_params_t 結構，此結構包含用來播放 PCM 數據流的硬件信息配置。在往音頻設備（聲卡）寫入音頻數據之前，必須設置訪問類型、采樣格式、采樣率、聲道數等。

首先使用 snd_pcm_open () 打開 PCM 設備，在 ALSA 中，PCM 設備都有名字與之對應。比如我們可以定義 PCM 設備名字為 char *pcm_name = "plughw:0,0"。最重要的 PCM 設備接口是“plughw”以及“hw”接口。使用“plughw”接口，程序員不必過多關心硬件，而且如果設置的配置參數和實際硬件支持的參數不一致，ALSA 會自動轉換數據。如果使用“hw”接口，我們就必須檢測硬件是否支持設置的參數了。Plughw 後面的兩個數字分別表示設備號和次設備（subdevice）號。

snd_pcm_hw_params_malloc( ) 在棧中分配 snd_pcm_hw_params_t 結構的空間，然後使用 snd_pcm_hw_params_any( ) 函數用聲卡的全配置空間參數初始化已經分配的 snd_pcm_hw_params_t 結構。snd_pcm_hw_params_set_access ( ) 設置訪問類型，常用訪問類型的宏定義有：

SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED

交錯訪問。在緩沖區的每個 PCM 幀都包含所有設置的聲道的連續的采樣數據。比如聲卡要播放采樣長度是 16-bit 的 PCM 立體聲數據，表示每個 PCM 幀中有 16-bit 的左聲道數據，然後是 16-bit 右聲道數據。

SND_PCM_ACCESS_RW_NONINTERLEAVED

非交錯訪問。每個 PCM 幀只是一個聲道需要的數據，如果使用多個聲道，那麼第一幀是第一個聲道的數據，第二幀是第二個聲道的數據，依此類推。

函數 snd_pcm_hw_params_set_format() 設置數據格式，主要控制輸入的音頻數據的類型、無符號還是有符號、是 little-endian 還是 bit-endian。比如對於 16-bit 長度的采樣數據可以設置為：

SND_PCM_FORMAT_S16_LE      有符號16 bit Little Endian      
SND_PCM_FORMAT_S16_BE      有符號16 bit Big Endian      
SND_PCM_FORMAT_U16_LE      無符號16 bit Little Endian      
SND_PCM_FORMAT_U16_BE      無符號 16 bit Big Endian     
比如對於 32-bit 長度的采樣數據可以設置為：     
SND_PCM_FORMAT_S32_LE      有符號32 bit Little Endian      
SND_PCM_FORMAT_S32_BE      有符號32 bit Big Endian      
SND_PCM_FORMAT_U32_LE      無符號32 bit Little Endian      
SND_PCM_FORMAT_U32_BE      無符號 32 bit Big Endian

函數 snd_pcm_hw_params_set_channels() 設置音頻設備的聲道，常見的就是單聲道和立體聲，如果是立體聲，設置最後一個參數為2。snd_pcm_hw_params_set_rate_near () 函數設置音頻數據的最接近目標的采樣率。snd_pcm_hw_params( ) 從設備配置空間選擇一個配置，讓函數 snd_pcm_prepare() 准備好 PCM 設備，以便寫入 PCM 數據。snd_pcm_writei() 用來把交錯的音頻數據寫入到音頻設備。

初始化 PCM 設備的例程如下：

初始化 PCM 設備的例程

/* open a PCM device */
int open_device(struct mad_header const *header)     
{     
   int err;     
   snd_pcm_hw_params_t *hw_params;     
   char  *pcm_name = "plughw:0,0";     
   int rate = header->samplerate;     
   int channels = 2;     
        
   if (header->mode == 0) {     
      channels = 1;     
   } else {     
      channels = 2;     
   }     
        
   if ((err = snd_pcm_open (&playback_handle,      
                            pcm_name, SND_PCM_STREAM_PLAYBACK, 0)) < 0) {     
      printf("cannot open audio device %s (%s)\n",     
      pcm_name,     
      snd_strerror (err));     
      return -1;     
   }     
        
   if ((err = snd_pcm_hw_params_malloc (&hw_params)) < 0) {     
      printf("cannot allocate hardware parameter structure (%s)\n",     
      snd_strerror (err));     
      return -1;     
   }     
        
   if ((err = snd_pcm_hw_params_any (playback_handle, hw_params)) < 0) {     
      printf("cannot initialize hardware parameter structure (%s)\n",     
      snd_strerror (err));     
      return -1;     
   }     
        
        
   if ((err = snd_pcm_hw_params_set_access (playback_handle, hw_params,      
              SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED)) < 0) {     
      printf("cannot set access type (%s)\n",     
      snd_strerror (err));     
      return -1;     
   }     
        
             
   if ((err = snd_pcm_hw_params_set_format (playback_handle,      
              hw_params, SND_PCM_FORMAT_S32_LE)) < 0) {     
      printf("cannot set sample format (%s)\n",     
      snd_strerror (err));     
      return -1;     
   }     
   if ((err = snd_pcm_hw_params_set_rate_near (playback_handle,      
              hw_params, &rate, 0)) < 0) {     
      printf("cannot set sample rate (%s)\n",     
      snd_strerror (err));     
      return -1;     
   }     
        
   if ((err = snd_pcm_hw_params_set_channels (playback_handle,      
              hw_params, channels)) < 0) {     
      printf("cannot set channel count (%s)\n",     
      snd_strerror (err));     
      return -1;     
   }     
        
   if ((err = snd_pcm_hw_params (playback_handle,      
              hw_params)) < 0) {     
      printf("cannot set parameters (%s)\n",     
      snd_strerror (err));     
      return -1;     
   }     
        
   snd_pcm_hw_params_free (hw_params);     
   if ((err = snd_pcm_prepare (playback_handle)) < 0) {     
      printf("cannot prepare audio interface for use (%s)\n",     
      snd_strerror (err));     
      return -1;     
   }     
        
   return 0;     
}

這裡配置的 PCM 格式是 SND_PCM_FORMAT_S32_LE，采樣的格式是每個采樣有 32-bit 的數據，數據按照 little-endian 存放。如果通過 mad_frame_decode() 函數得到 PCM 數據後，要求每個采樣數據只占 16-bit，需要把數據進行MAD的定點類型到 signed short 類型進行轉換。那麼，PCM 數據如何寫入聲卡中呢？函數實現例程如下所示：

PCM 數據寫入聲卡函數實現例程

while (nsamples--) {     
/* nsamples 是采樣的數目 */
       signed int sample;     
        
       sample = pcm->samples[0][j];     
       *(OutputPtr++) = sample & 0xff;     
       *(OutputPtr++) = (sample >> 8);     
       *(OutputPtr++) = (sample >> 16);     
       *(OutputPtr++) = (sample >> 24);     
        
       if (nchannels == 2) {     
          sample = pcm->samples[1][j];     
          *(OutputPtr++) = sample  & 0xff;     
          *(OutputPtr++) = sample >> 8;     
          *(OutputPtr++) = (sample >> 16);     
          *(OutputPtr++) = (sample >> 24);     
        
       }     
       j++;     
        
   }     
   if ((err = snd_pcm_writei (playback_handle, buf, samples)) < 0) {     
      err = xrun_recovery(playback_handle, err);     
      if (err < 0) {     
         printf("Write error: %s\n", snd_strerror(err));     
         return -1;     
      }     
   }

這裡用到了 http://www.alsa-project.org/ 關於 ALSA 文檔中的例子函數 xrun_recovery( )。詳細例子請參見 http://www.alsa-project.org/alsa-doc/alsa-lib/_2test_2pcm_8c-example.html。使用此函數的目的是避免出現由於網絡原因，聲卡不能及時得到音頻數據而使得 snd_pcm_writei() 不能正常連續工作。實際上在 xrun_recovery( ) 中，又調用 snd_pcm_prepare() 和 snd_pcm_resume() 以實現能“恢復錯誤”的功能。-EPIPE 錯誤表示應用程序沒有及時把 PCM 采樣數據送入ASLA 庫。xrun_recovery() 函數如下所示：

xrun_recovery() 函數

int xrun_recovery(snd_pcm_t *handle, int err)     
{     
   if (err == -EPIPE) {    /* under-run */
      err = snd_pcm_prepare(handle);     
        
   if (err < 0)     
      printf("Can't recovery from underrun, prepare failed: %s\n",     
         snd_strerror(err));     
      return 0;     
   } else if (err == -ESTRPIPE) {     
      while ((err = snd_pcm_resume(handle)) == -EAGAIN)     
         sleep(1);       /* wait until the suspend flag is released */
         if (err < 0) {     
            err = snd_pcm_prepare(handle);     
         if (err < 0)     
            printf("Can't recovery from suspend, prepare failed: %s\n",     
              snd_strerror(err));     
      }     
      return 0;     
   }     
   return err;     
}

知道了具體的音頻設備操作方法，就該使用 MAD 提供的函數具體實現解碼了。函數 mp3_decode_buf( ) 提供了使用 libmad 解碼的方法。首先調用 mad_stream_buffer() 函數把 MP3 流數據和 decode_stream 關聯，然後開始循環解碼數據。如果在解碼數據過程中，有不完整 PCM 數據幀，那麼 decode_stream.error 的值就是 MAD_ERROR_BUFLEN，且 decode_stream.next_frame 不為 NULL。這時候，把剩余的未解碼的數據再拷貝到數據解碼緩沖區裡。 mad_frame_decode( ) 函數從 decode_stream 中得到 PCM 數據。

mad_frame_decode( ) 函數從 decode_stream 中得到 PCM 數據

int mp3_decode_buf(char *input_buf, int size)     
{     
  int decode_over_flag = 0;     
  int remain_bytes = 0;     
  int ret_val = 0;     
  mad_stream_buffer(&decode_stream, input_buf, size);     
  decode_stream.error = MAD_ERROR_NONE;     
  while (1)     
  {     
      if (decode_stream.error == MAD_ERROR_BUFLEN) {     
        if (decode_stream.next_frame != NULL) {     
           remain_bytes = decode_stream.bufend - decode_stream.next_frame;     
           memcpy(input_buf, decode_stream.next_frame, remain_bytes);     
           return remain_bytes;     
        }     
      }     
      ret_val = mad_frame_decode(&decode_frame, &decode_stream);     
     /* 省略部分代碼 */
     ...     
     if (ret_val == 0) {     
         if (play_frame(&decode_frame) == -1) {     
            return -1;     
         }     
      }     
      /* 後面代碼省略 */
      ...     
   }     
        
   return 0;     
}

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本文出自 “驿落黃昏” 博客，請務必保留此出處http://yiluohuanghun.blog.51cto.com/3407300/868048

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