Linux 内核学习笔记

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i.MX6ULL 声卡播放路径 ​

平台：100ask i.MX6ULL Pro（SAI2 + WM8960）
内核：NXP BSP Linux 4.9.88（imx-wm8960 / fsl_sai / imx-pcm-dma / wm8960）；与站点多数 6.8 文路径不同，差异处另行注明
关联：/dev/snd 设备节点 · 录音路径 · PCM 状态机与 XRUN
本文：aplay 播放的七层路径、HiFi（pcmC0D0p）内核调用栈、关键源文件

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1. 本文要回答什么 ​

一次 aplay -D hw:0,0，PCM 如何从用户态写到耳机/喇叭？内核调用栈经过哪些函数？

设备节点与 dai_link 含义见 /dev/snd 设备节点。本文以 HiFi / pcmC0D0p 直连通路为准。

一次播放可以看成：软件把 PCM 送进内核环形缓冲，硬件按采样率把数据搬出去变成声音。

2. 七层概览 ​

  1. 应用层
    播放器用 ALSA 库打开声卡，通过 write() / snd_pcm_writei() 连续写入 PCM 数据。控制参数（采样率、通道、格式）走 ioctl。

  2. ALSA 设备接口
    用户态落到 /dev/snd/pcmC0D0p，对应内核 snd_pcm_f_ops[0]：write 进 snd_pcm_write()，ioctl 负责 hw_params / prepare / start 等。

  3. ALSA PCM 核心
    snd_pcm_lib_write() → snd_pcm_lib_write1() 管理环形缓冲：

    • copy_from_user 把用户 PCM 拷到 dma_area
    • 缓冲满了，阻塞 write 会等待
    • 第一次写够 start_threshold 后调用 snd_pcm_start() 启动播放

  4. ASoC 汇总
    snd_pcm_start() 最终进入 soc_pcm_trigger()，按顺序通知：
    Codec → Platform(DMA) → CPU DAI(SAI) → Machine。
    本板 WM8960 无 codec trigger，Machine 一般也无；真正有效的是 DMA 和 SAI。

  5. DMA 平台
    snd_dmaengine_pcm_trigger() 准备 cyclic DMA 描述符并 issue_pending，SDMA 开始把内存中的 PCM 搬到 SAI2 FIFO。每个 period 完成会回调，唤醒阻塞中的 write。

  6. CPU DAI / Codec
    fsl_sai_trigger() 打开 SAI 发送（FRDE/TERE 等）；WM8960 通过 I2S 收数字音频，DAC 转成模拟，再经 DAPM 路由到耳机或喇叭。

  7. 硬件数据通路

text
内存环形缓冲 ──SDMA──► SAI2 FIFO ──I2S──► WM8960 DAC ──► 耳机/喇叭

播放节奏由采样率和 I2S 时钟决定；应用写得再快也会被环形缓冲反压住。

3. 播放内核调用栈（HiFi / pcmC0D0p） ​

下面以 aplay -D hw:0,0 直连通路为例。配置期（open / hw_params）和数据期（write / start）分开列出。

3.1 open（打开设备） ​

text
sys_open("/dev/snd/pcmC0D0p")
  → snd_fops.open = snd_open                          // sound/core/sound.c
      → replace_fops → snd_pcm_f_ops[0]
      → snd_pcm_playback_open                         // sound/core/pcm_native.c
          → snd_pcm_open(..., PLAYBACK)
              → snd_pcm_open_file
                  → snd_pcm_open_substream
                      → substream->ops->open
                          → soc_pcm_open              // sound/soc/soc-pcm.c
                              → fsl_sai_startup       // CPU DAI
                              → imx_pcm_open          // Platform（imx-pcm-dma-v2）
                              → imx_hifi_startup      // Machine

此阶段主要占设备、加约束、申请 DMA 通道；一般不启动传输。

3.2 hw_params（配置参数，ioctl） ​

text
sys_ioctl(SNDRV_PCM_IOCTL_HW_PARAMS)
  → snd_pcm_playback_ioctl
      → snd_pcm_common_ioctl1 / hw_params 处理
          → substream->ops->hw_params
              → soc_pcm_hw_params                     // sound/soc/soc-pcm.c
                  → codec/cpu/platform/machine hw_params
                      → imx_hifi_hw_params            // 设 I2S 格式、主从、PLL
                      → fsl_sai_hw_params
                      → wm8960_hw_params

此阶段配置采样率、格式、时钟等。

3.3 write + 首次 start（数据期主路径） ​

text
sys_write(pcmC0D0p, buf, len)
  → snd_pcm_f_ops[0].write = snd_pcm_write            // sound/core/pcm_native.c
      → snd_pcm_lib_write                             // sound/core/pcm_lib.c
          → snd_pcm_lib_write1
              → transfer = snd_pcm_lib_write_transfer
                  → copy_from_user → runtime->dma_area
              → （缓冲满则 wait_for_avail 阻塞）
              → 若 PREPARED 且写够 start_threshold:
                    snd_pcm_start
                      → snd_pcm_action(&snd_pcm_action_start)
                          → snd_pcm_action_single
                              → snd_pcm_pre_start
                              → snd_pcm_do_start
                                  → substream->ops->trigger(START)
                                      → soc_pcm_trigger           // sound/soc/soc-pcm.c
                                          → codec trigger         // WM8960: 无，跳过
                                          → platform->trigger
                                              → snd_dmaengine_pcm_trigger  // sound/core/pcm_dmaengine.c
                                                  → dmaengine_pcm_prepare_and_submit
                                                      → dmaengine_prep_dma_cyclic
                                                      → dmaengine_submit
                                                          → vchan_tx_submit  // SDMA/virt-dma
                                                  → dma_async_issue_pending  // 启动 SDMA
                                          → cpu_dai->trigger
                                              → fsl_sai_trigger   // 开 SAI FRDE/TERE
                                          → machine trigger       // 通常无
                              → snd_pcm_post_start   // 状态 → RUNNING

之后再次 write 只继续往环形缓冲填数，不再走 snd_pcm_start；DMA 按采样率持续消费。

3.4 period 完成回调（异步，唤醒阻塞的 write） ​

text
SDMA period 完成中断
  → imx_pcm_dma_complete          // sound/soc/fsl/imx-pcm-dma.c
      → snd_pcm_period_elapsed
          → 更新硬件指针 / 唤醒 wait_for_avail 中的写端

3.5 对照简图 ​

text
write 热路径:
  snd_pcm_write
    → snd_pcm_lib_write1
        → copy_from_user(dma_area)
        → [首次] snd_pcm_start
              → soc_pcm_trigger
                  → snd_dmaengine_pcm_trigger → SDMA
                  → fsl_sai_trigger           → SAI2

异步反馈:
  SDMA → imx_pcm_dma_complete → period_elapsed → 唤醒 write

4. 分层流程图 ​

软件调用链与硬件数据通路是两件事，分开看更清楚：前者是 write 这次系统调用做了什么，后者是数据实际怎么流动。

4.1 调用流程（软件，一次 write） ​

4.2 数据通路（硬件） ​

5. 简化分层与源文件 ​

text
应用层      aplay / write(PCM)
   ↓
ALSA fops   snd_pcm_write / ioctl
   ↓
PCM 核心    拷入环形缓冲；满则 wait；够阈值则 start
   ↓
ASoC        soc_pcm_trigger
   ├─ Platform : SDMA cyclic 传输启动
   └─ CPU DAI  : SAI2 打开发送
   ↓
硬件        内存 ──SDMA──► SAI FIFO ──I2S──► WM8960 ──► 耳机/喇叭
层级文件
ALSA fops / startsound/core/pcm_native.c
write / 环形缓冲sound/core/pcm_lib.c
ASoC triggersound/soc/soc-pcm.c
Machinesound/soc/fsl/imx-wm8960.c
DMA PCMsound/soc/fsl/imx-pcm-dma.c、sound/core/pcm_dmaengine.c
SAIsound/soc/fsl/fsl_sai.c
Codecsound/soc/codecs/wm8960.c
设备树arch/arm/boot/dts/100ask_imx6ull-14x14.dts

6. 小结 ​

  • 播放速度由采样率 / I2S 时钟决定，不是由 write 快慢决定。
  • 环形缓冲满时，阻塞模式下 write 会等待 DMA 消费出空位。
  • soc_pcm_trigger 中 WM8960 无 codec trigger；有效的是 Platform（DMA）和 CPU DAI（SAI）。

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