ALSA PCM 状态机与 XRUN

内核：对照 NXP BSP Linux 4.9.88（sound/core/pcm_native.c、pcm_lib.c）；状态枚举与主流内核一致，换板可直接对照
关联：播放路径 · 录音路径 · /dev/snd 设备节点
本文：PCM 子流状态如何变迁、start_threshold / stop_threshold / avail_min 管什么、XRUN 如何判定与恢复

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目录

• 1. 本文要回答什么
• 2. 状态一览
• 3. 正常路径怎么走
• 4. 环形缓冲与三个阈值
• 5. XRUN：何时发生、内核做什么
• 6. 应用侧怎么恢复
• 7. 和播 / 录文的对照
• 8. 小结

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1. 本文要回答什么

一次 write / read 为什么有时直接返回、有时阻塞、有时变成 -EPIPE？PCM 子流到底处在什么状态？

播放 / 录音 讲的是数据怎么经过 ALSA → ASoC → DMA → SAI。本文补的是同一条流上的状态约束：哪些 ioctl / I/O 合法、缓冲空满如何反压、跟不上采样率时如何变成 XRUN。

状态存在 runtime->status->state（UAPI：SNDRV_PCM_STATE_*），与具体声卡芯片无关。

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2. 状态一览

定义见 include/uapi/sound/asound.h：

状态	含义（粗）
OPEN	已 open，尚未完成参数设置
SETUP	hw_params 已设，尚未 prepare
PREPARED	已 prepare，可以 start / 自动 start
RUNNING	已 trigger，DMA/硬件在传数
XRUN	underrun（播）或 overrun（录），传输已停
DRAINING	播放侧把剩余数据播完再停
PAUSED	已 pause
SUSPENDED	电源挂起相关
DISCONNECTED	设备断开

日常热路径主要碰前五个，外加播放结束时的 DRAINING。

非法状态下的操作会失败：例如不在 PREPARED 就 start → -EBADFD（见 snd_pcm_pre_start）。

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3. 正常路径怎么走

以阻塞模式、aplay / arecord 直连为例（省略 libasound 细节）：

open
  → state = OPEN
hw_params
  → state = SETUP（参数、缓冲大小等落定）
prepare
  → state = PREPARED（可 trigger）
write / read
  → 若仍为 PREPARED 且满足 start_threshold
        → snd_pcm_start → ops->trigger(START)
        → state = RUNNING
  → RUNNING 下继续填/取环形缓冲
close / drain / drop
  → 离开 RUNNING

snd_pcm_start 的门禁（pcm_native.c）：

snd_pcm_pre_start
  → 必须是 PREPARED，否则 -EBADFD
  → 播放还要求缓冲里已有数据，否则 -EPIPE
snd_pcm_do_start
  → substream->ops->trigger(START)   // ASoC: soc_pcm_trigger
snd_pcm_post_start
  → state = RUNNING

播放文里「写够阈值再 start」、录音文里「读请求够阈值再 start」，都是在 PREPARED → RUNNING 这一跳上。

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4. 环形缓冲与三个阈值

环形缓冲上有两个指针（简化）：

指针	谁推进	含义
appl_ptr	应用（write/read）	软件读写位置
hw_ptr	硬件/DMA（period 回调里更新）	硬件消费/生产位置

由此得到「还可写 / 还可读」的帧数：

• 播放：snd_pcm_playback_avail ≈ 空闲可写帧数
• 录音：snd_pcm_capture_avail ≈ 已录可读帧数

三个常用阈值（runtime 里）：

参数	典型作用
start_threshold	从 PREPARED 自动进入 RUNNING 的门槛（播：已写够；录：本次 read 请求够大）
stop_threshold	RUNNING 下 avail 达到此值 → 判 XRUN（默认常接近 buffer_size）
avail_min	阻塞 wait 时，「至少有这么多 avail 才唤醒」

阻塞 write：playback_avail 不够 → wait_for_avail，等 DMA 消费出空位。
阻塞 read：capture_avail 为 0 → 同样 wait，等 DMA 填数。

这解释了播/录流程图里的菱形分支，而不必再绑到某一款 Codec。

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5. XRUN：何时发生、内核做什么

XRUN = underrun（播放）或 overrun（录音）的统称。

方向	现象	avail 语义
播放 underrun	应用写太慢，DMA 把缓冲抽空	playback_avail 变得很大（几乎整缓冲可写）
录音 overrun	应用读太慢，DMA 把缓冲塞满	capture_avail 变得很大（几乎整缓冲可读）

判定入口在 snd_pcm_update_state()（pcm_lib.c）：period 完成更新 hw_ptr 后调用。

snd_pcm_update_state
  → avail = playback_avail 或 capture_avail
  → 若 avail >= stop_threshold
        → xrun()
              → snd_pcm_stop(..., SNDRV_PCM_STATE_XRUN)
              → 返回 -EPIPE

xrun() 本身：

xrun(substream)
  → snd_pcm_stop(substream, SNDRV_PCM_STATE_XRUN)
  → （若开了 XRUN debug）打警告 / 可选 dump stack

之后应用再 write / read，会在状态检查里看到 XRUN，同样拿到 -EPIPE（播录文调用栈里的 case SNDRV_PCM_STATE_XRUN）。

硬件侧也可能直接上报：更新指针时若得到 SNDRV_PCM_POS_XRUN，同样进 xrun()。

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6. 应用侧怎么恢复

进入 XRUN 后，不能假装还在 RUNNING 里继续传。常见做法：

1. prepare 再传（SNDRV_PCM_IOCTL_PREPARE → snd_pcm_prepare）
   回到可 trigger 的 PREPARED，再 write/read（或显式 start）。
2. alsa-lib snd_pcm_recover()
   对 -EPIPE 做恢复封装（内部仍落到 prepare 一类路径）。
3. 调大缓冲 / period、提高写读节奏、降低负载
   减少再次踩 stop_threshold。

调试时可开 CONFIG_SND_PCM_XRUN_DEBUG，让 xrun() 打出流名甚至栈，便于确认是调度延迟还是缓冲太小。

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7. 和播 / 录文的对照

话题	播 / 录文	本文
soc_pcm_trigger / DMA / SAI	主线	仅作为 RUNNING 后的后台
start_threshold 自动 start	流程图菱形	状态机：PREPARED → RUNNING
wait_for_avail	缓冲满/空则阻塞	avail 与 avail_min
-EPIPE	调用栈里带过	XRUN + stop_threshold
换板差异	有板级节点名作对照	几乎纯框架

读完播/录再读本文，可以把「正常热路径」和「状态 / 异常」拼成一张完整图。

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8. 小结

• PCM 状态约束「现在能不能 start、能不能读写」；非法状态直接 -EBADFD / -EPIPE。
• start_threshold 管何时进入 RUNNING；stop_threshold 管何时判 XRUN；avail_min 管阻塞唤醒粒度。
• XRUN 由 snd_pcm_update_state 在 avail 过大时触发，经 xrun() → state = XRUN，I/O 见 -EPIPE；恢复通常要 prepare（或 lib 的 recover）。

关键文件：include/uapi/sound/asound.h（状态枚举）、sound/core/pcm_native.c（start / prepare）、sound/core/pcm_lib.c（update_state / xrun / write·read 等待）。