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Android音频学习(二十)——高通HAL

news 2025/9/25 15:14:12

1. 音频框架

动态 PCM 允许 ALSA PCM 设备在 PCM 流运行时将其 PCM 音频数字路由到各种数字端点。例如，PCM0 可以将数字音频路由到 I2S DAI0、I2S DAI1 或 PDM DAI2。这对于公开多个 ALSA PCM 并可以路由到多个 DAI 的片上系统 DSP 驱动程序非常有用。

DPCM 运行时路由由 ALSA 混音器设置确定，方式与 ASoC 编解码器驱动程序中模拟信号的路由方式相同。DPCM 使用表示 DSP 内部音频路径的 DAPM 图，并使用混音器设置来确定每个 ALSA PCM 使用的路径。

DPCM 重用所有现有的组件编解码器、平台和 DAI 驱动程序，无需任何修改。

以基于片上系统的DSP的手机音频系统为例：

此图显示了一个简单的智能手机音频子系统。它支持蓝牙、FM 数字收音机、扬声器、耳机插孔、数字麦克风和蜂窝调制解调器。此声卡公开 4 个 DSP 前端 (FE) ALSA PCM 设备，并支持 6 个后端 (BE) DAI。每个 FE PCM 可以将音频数据数字路由到任何 BE DAI。FE PCM 设备还可以将音频路由到多个 BE DAI。

这里有几个概念：

Front End PCMs：音频前端，一个前端对应着一个 PCM 设备
Back End DAIs：音频后端，一个后端对应着一个 DAI 接口，一个 FE PCM 能够连接到一个或多个 BE DAI
Audio Device：有 headset、speaker、earpiece、mic、bt、modem 等；不同的设备可能与不同的 DAI 接口连接，也可能与同一个 DAI 接口连接（如上图，Speaker 和 Earpiece 都连接到 DAI1）
Soc DSP：本文范围内实现路由功能：连接 FE PCMs 和 BE DAIs，例如连接 PCM0 与 DAI1：

以msm8996为例，具体原理图请在官网查询，如果是公司项目，高通会开通项目权限并获取相关资料，比如原理图或者user guide之类的开发指导文档。

FE对应pcm设备，可以理解为是一个逻辑概念，而BE则对应具体的硬件。

msm8996的FE有：

deep_buffer
low_latency
mutil_channel
compress_offload
audio_record
usb_audio
a2dp_audio
voice_call

BE，主要对应几路I2S，有对接内部codec使用的，以及预留的对接外部codec使用

SLIM_BUS
Aux_PCM
Primary_MI2S
Secondary_MI2S
Tertiary_MI2S
Quatermary_MI2S

高通的HAL层中的usecase和device比较重要，

usecase指的是音频的应用场景，与FE相对应，例如常用的音频场景有：

low_latency：按键音、触摸音、游戏背景音等低延时的放音场景
deep_buffer：音乐、视频等对时延要求不高的放音场景
compress_offload：mp3、flac、aac等格式的音源播放场景，这种音源不需要软件解码，直接把数据送到硬件解码器（aDSP），由硬件解码器（aDSP）进行解码
record：普通录音场景
record_low_latency：低延时的录音场景
voice_call：语音通话场景
voip_call：网络通话场景

device 表示音频端点设备，包括输出端点（如 speaker、headphone、earpiece）和输入端点（如 headset-mic、builtin-mic）。高通 HAL 对音频设备做了扩展，比如 speaker 分为：

SND_DEVICE_OUT_SPEAKER：普通的外放设备
SND_DEVICE_OUT_SPEAKER_PROTECTED：带保护的外放设备
SND_DEVICE_OUT_VOICE_SPEAKER：普通的通话免提设备
SND_DEVICE_OUT_VOICE_SPEAKER_PROTECTED：带保护的通话免提设备

音频 DSP，大致可以等同于 codec。在高通大多数平台上，codec分为两部分，一部分是数字 codec，其在 MSM 上；另一部分是模拟 codec,其在 PMIC 上。

在高通HAL中，一个device连接着BE DAI，但一个BE DAI对应多个device。所以确定了device，也就能确定对应的BE DAI

2.音频通路

通过音频框架可以看到，音频通路就是将FE PCMs、BE DAIs、Devices，这三块均打开并串联起来，从而完成一个音频通路的设置。

FE_PCMs <=> BE_DAIs <=> Devices

(1)打开PCM

打开PCM流即打开音频流，一个音频流对应着一个usecase，打开音频流的流程在前面的章节中已经提到过，下面看下如何根据usercase找到对应的FE_PCM

在调用start_output_stream时，会调用

out->pcm_device_id = platform_get_pcm_device_id(out->usecase, PCM_PLAYBACK);

根据usercase，找到对应的pcm_id，然后调用select_device根据usecase选择对应的device。

int start_output_stream(struct stream_out *out)
{int ret = 0;struct audio_usecase *uc_info;struct audio_device *adev = out->dev;bool a2dp_combo = false;
......out->pcm_device_id = platform_get_pcm_device_id(out->usecase, PCM_PLAYBACK);if (out->pcm_device_id < 0) {ALOGE("%s: Invalid PCM device id(%d) for the usecase(%d)",__func__, out->pcm_device_id, out->usecase);ret = -EINVAL;goto error_config;}uc_info = (struct audio_usecase *)calloc(1, sizeof(struct audio_usecase));uc_info->id = out->usecase;uc_info->type = PCM_PLAYBACK;uc_info->stream.out = out;uc_info->devices = out->devices;uc_info->in_snd_device = SND_DEVICE_NONE;uc_info->out_snd_device = SND_DEVICE_NONE;
......if ((out->devices & AUDIO_DEVICE_OUT_ALL_A2DP) &&(!audio_extn_a2dp_is_ready())) {if (!a2dp_combo) {check_a2dp_restore_l(adev, out, false);} else {audio_devices_t dev = out->devices;if (dev & AUDIO_DEVICE_OUT_SPEAKER_SAFE)out->devices = AUDIO_DEVICE_OUT_SPEAKER_SAFE;elseout->devices = AUDIO_DEVICE_OUT_SPEAKER;select_devices(adev, out->usecase);out->devices = dev;}} else {select_devices(adev, out->usecase);}......
}

语音通话的场景是有差异的，它不是传统的音频流。进入通话时，首先设置通话模式为AUDIO_MODE_IN_CALL，再传入音频设备routing=$device, 然后调用out_set_parameters函数，在该函数中如果检测到为语音通话模式，则打开语音通话的FE PCM

static int out_set_parameters(struct audio_stream *stream, const char *kvpairs)
{
......if (new_dev != AUDIO_DEVICE_NONE) {bool same_dev = out->devices == new_dev;out->devices = new_dev;if (output_drives_call(adev, out)) {if (!voice_is_call_state_active(adev)) {if (adev->mode == AUDIO_MODE_IN_CALL) {adev->current_call_output = out;ret = voice_start_call(adev);}} else {adev->current_call_output = out;voice_update_devices_for_all_voice_usecases(adev);}}}
......
}int voice_start_call(struct audio_device *adev)
{int ret = 0;adev->voice.in_call = true;voice_set_mic_mute(adev, adev->voice.mic_mute);ret = voice_extn_start_call(adev);if (ret == -ENOSYS) {ret = voice_start_usecase(adev, USECASE_VOICE_CALL);}return ret;
}

(2)路由选择

在高通的HAL中，有一个关键的配置文件：mixer_paths.xml，该文件主要设置了音频通路以及code的路由。例如，与usecase相关的配置如下所示：

这些通路就是连接 usecase与device 之间的路由。比如 “deep-buffer-playback speaker” 是连接 deep-buffer-playback FE PCM与speaker Device 之间的路由，打开 “deep-buffer-playback speaker”，则把 deep-buffer-playback FE PCM 和 speaker Device 连接起来；关闭 “deep-buffer-playback speaker”，则断开 deep-buffer-playback FE PCM 和 speaker Device 的连接。

前文提到“device 连接着唯一的 BE DAI，确定了 device 也就能确定所连接的 BE DAI”，因此这些路由通路其实都隐含着 BE DAI 的连接：FE PCM 并非直接到 device 的，而是 FE PCM 先连接到 BE DAI，BE DAI 再连接到 device。这点有助于理解路由控件，路由控件面向的是 FE PCM 和 BE DAI 之间的连接，回放类型的路由控件名称一般是： $BE_DAI Audio Mixer $FE_PCM，录制类型的路由控件名称一般是：$FE_PCM Audio Mixer $BE_DAI。

以deep-buffer-playback speaker这个usecase为例，
<ctl name="QUAT_MI2S_RX Audio Mixer MultiMedia1" value="1" />

MultiMedia1：deep_buffer usacase 对应的 FE PCM

QUAT_MI2S_RX：speaker device 所连接的 BE DAI

Audio Mixer：表示 DSP 路由功能
value：1 表示连接，0 表示断开连接

这个控件的意思是：把 MultiMedia1 PCM 与 QUAT_MI2S_RX DAI (第4路I2S)连接起来。这个控件并没有指明 QUAT_MI2S_RX DAI 与 speaker device 之间的连接，因为 BE DAIs 与 Devices 之间并不需要路由控件，如之前所强调”device 连接着唯一的 BE DAI，确定了 device 也就能确定所连接的 BE DAI“。

路由控件的开关不仅仅影响 FE PCMs、BE DAIs 的连接或断开，同时会使能或禁用 BE DAIs

该路由的使能函数是 enable_audio_route()/disable_audio_route()，这两个函数名称很贴合，控制 FE PCMs 与 BE DAIs 的连接或断开。

代码流程很简单，把 usecase 和 device 拼接起来就是路由的 path name 了，然后再调用 audio_route_apply_and_update_path() 来设置路由通路：

const char * const use_case_table[AUDIO_USECASE_MAX] = {[USECASE_AUDIO_PLAYBACK_DEEP_BUFFER] = "deep-buffer-playback",[USECASE_AUDIO_PLAYBACK_LOW_LATENCY] = "low-latency-playback",[USECASE_AUDIO_PLAYBACK_WITH_HAPTICS] = "audio-with-haptics-playback",[USECASE_AUDIO_PLAYBACK_HIFI] = "hifi-playback",[USECASE_AUDIO_PLAYBACK_OFFLOAD] = "compress-offload-playback",[USECASE_AUDIO_PLAYBACK_TTS] = "audio-tts-playback",[USECASE_AUDIO_PLAYBACK_ULL] = "audio-ull-playback",[USECASE_AUDIO_PLAYBACK_MMAP] = "mmap-playback",
......
}BD - do these go to the platform-info.xml file.// will help in avoiding strdups herebackend_table[SND_DEVICE_IN_BT_SCO_MIC] = strdup("bt-sco");backend_table[SND_DEVICE_IN_BT_SCO_MIC_WB] = strdup("bt-sco-wb");backend_table[SND_DEVICE_IN_BT_SCO_MIC_NREC] = strdup("bt-sco");backend_table[SND_DEVICE_IN_BT_SCO_MIC_WB_NREC] = strdup("bt-sco-wb");backend_table[SND_DEVICE_OUT_BT_SCO] = strdup("bt-sco");backend_table[SND_DEVICE_OUT_BT_SCO_WB] = strdup("bt-sco-wb");backend_table[SND_DEVICE_OUT_BT_A2DP] = strdup("bt-a2dp");backend_table[SND_DEVICE_OUT_SPEAKER_AND_BT_A2DP] = strdup("speaker-and-bt-a2dp");backend_table[SND_DEVICE_OUT_SPEAKER_SAFE_AND_BT_A2DP] =strdup("speaker-safe-and-bt-a2dp");
......
}
void platform_add_backend_name(void *platform, char *mixer_path,snd_device_t snd_device)
{struct platform_data *my_data = (struct platform_data *)platform;if ((snd_device < SND_DEVICE_MIN) || (snd_device >= SND_DEVICE_MAX)) {ALOGE("%s: Invalid snd_device = %d", __func__, snd_device);return;}const char * suffix = backend_table[snd_device];if (suffix != NULL) {strlcat(mixer_path, " ", MIXER_PATH_MAX_LENGTH);strlcat(mixer_path, suffix, MIXER_PATH_MAX_LENGTH);}
}
int enable_audio_route(struct audio_device *adev,struct audio_usecase *usecase)
{snd_device_t snd_device;char mixer_path[MIXER_PATH_MAX_LENGTH];if (usecase == NULL)return -EINVAL;ALOGV("%s: enter: usecase(%d)", __func__, usecase->id);audio_extn_sound_trigger_update_stream_status(usecase, ST_EVENT_STREAM_BUSY);if (usecase->type == PCM_CAPTURE) {struct stream_in *in = usecase->stream.in;struct audio_usecase *uinfo;snd_device = usecase->in_snd_device;if (in) {if (in->enable_aec || in->enable_ec_port) {audio_devices_t out_device = AUDIO_DEVICE_OUT_SPEAKER;struct listnode *node;struct audio_usecase *voip_usecase = get_usecase_from_list(adev,USECASE_AUDIO_PLAYBACK_VOIP);if (voip_usecase) {out_device = voip_usecase->stream.out->devices;} else if (adev->primary_output &&!adev->primary_output->standby) {out_device = adev->primary_output->devices;} else {list_for_each(node, &adev->usecase_list) {uinfo = node_to_item(node, struct audio_usecase, list);if (uinfo->type != PCM_CAPTURE) {out_device = uinfo->stream.out->devices;break;}}}platform_set_echo_reference(adev, true, out_device);in->ec_opened = true;}}} elsesnd_device = usecase->out_snd_device;audio_extn_utils_send_app_type_cfg(adev, usecase);audio_extn_ma_set_device(usecase);audio_extn_utils_send_audio_calibration(adev, usecase);// we shouldn't truncate mixer_pathALOGW_IF(strlcpy(mixer_path, use_case_table[usecase->id], sizeof(mixer_path))>= sizeof(mixer_path), "%s: truncation on mixer path", __func__);// this also appends to mixer_pathplatform_add_backend_name(adev->platform, mixer_path, snd_device);ALOGD("%s: usecase(%d) apply and update mixer path: %s", __func__,  usecase->id, mixer_path);audio_route_apply_and_update_path(adev->audio_route, mixer_path);ALOGV("%s: exit", __func__);return 0;
}

(3)打开device

Android 音频框架层中，音频设备仅表示输入输出端点，它不关心 BE DAIs 与端点之间都经过了哪些部件（widget）。但我们做底层的必须清楚知道：从BE DAIs 到端点，整条通路经历了哪些部件。具体要经过哪些部件，要参照高通的原理图，有一页是关于codec详细的原理图及路由

为了使得声音从 speaker 端点输出，我们需要打开 AIF1、DAC1、SPKOUT 这些部件，并把它们串联起来，这样音频数据才能顺着这条路径（AIF1>DAC1>SPKOUT>SPEAKER）一路输出到 speaker。

在 mixer_pahts.xml 中看到 speaker 通路：

这些设备通路由 enable_snd_device()/disable_snd_device() 设置：

int enable_snd_device(struct audio_device *adev,snd_device_t snd_device)
{int i, num_devices = 0;snd_device_t new_snd_devices[2];int ret_val = -EINVAL;if (snd_device < SND_DEVICE_MIN ||snd_device >= SND_DEVICE_MAX) {ALOGE("%s: Invalid sound device %d", __func__, snd_device);goto on_error;}platform_send_audio_calibration(adev->platform, snd_device);if (adev->snd_dev_ref_cnt[snd_device] >= 1) {ALOGV("%s: snd_device(%d: %s) is already active",__func__, snd_device, platform_get_snd_device_name(snd_device));goto on_success;}/* due to the possibility of calibration overwrite between listenand audio, notify sound trigger hal before audio calibration is sent */audio_extn_sound_trigger_update_device_status(snd_device,ST_EVENT_SND_DEVICE_BUSY);if (audio_extn_spkr_prot_is_enabled())audio_extn_spkr_prot_calib_cancel(adev);audio_extn_dsm_feedback_enable(adev, snd_device, true);if ((snd_device == SND_DEVICE_OUT_SPEAKER ||snd_device == SND_DEVICE_OUT_SPEAKER_SAFE ||snd_device == SND_DEVICE_OUT_SPEAKER_REVERSE ||snd_device == SND_DEVICE_OUT_VOICE_SPEAKER) &&audio_extn_spkr_prot_is_enabled()) {if (platform_get_snd_device_acdb_id(snd_device) < 0) {goto on_error;}if (audio_extn_spkr_prot_start_processing(snd_device)) {ALOGE("%s: spkr_start_processing failed", __func__);goto on_error;}} else if (platform_can_split_snd_device(snd_device,&num_devices,new_snd_devices) == 0) {for (i = 0; i < num_devices; i++) {enable_snd_device(adev, new_snd_devices[i]);}platform_set_speaker_gain_in_combo(adev, snd_device, true);} else {char device_name[DEVICE_NAME_MAX_SIZE] = {0};if (platform_get_snd_device_name_extn(adev->platform, snd_device, device_name) < 0 ) {ALOGE(" %s: Invalid sound device returned", __func__);goto on_error;}ALOGD("%s: snd_device(%d: %s)", __func__, snd_device, device_name);if (is_a2dp_device(snd_device) &&(audio_extn_a2dp_start_playback() < 0)) {ALOGE("%s: failed to configure A2DP control path", __func__);goto on_error;}audio_route_apply_and_update_path(adev->audio_route, device_name);}
on_success:adev->snd_dev_ref_cnt[snd_device]++;ret_val = 0;
on_error:return ret_val;
}

代码中有几处概念，要注意一下：

（1）设备引用计数

每个设备都有各自的引用计数 snd_dev_ref_cnt，引用计数在 enable_snd_device() 中累加，如果大于 1，则表示该设备已经被打开了，那么就不会重复打开该设备；引用计数在 disable_snd_device() 中累减，如果为 0，则表示没有 usecase 需要该设备了，那么就关闭该设备。

(2) 待保护的设备

带 “audio_extn_spkr_prot” 前缀的函数是带保护的外放设备的相关函数，这些带保护的外放设备和其他设备不一样，它虽然属于输出设备，但往往还需要打开一个 PCM_IN 作为 I/V Feedback，有了 I/V Feedback 保护算法才能正常运作。

(3)多输出设备的分割

比如 SND_DEVICE_OUT_SPEAKER_AND_HEADPHONES 分割为 SND_DEVICE_OUT_SPEAKER + SND_DEVICE_OUT_HEADPHONES，然后再一一打开 speaker、headphones。为什么要把多输出设备分割为外放设备+其他设备的形式？现在智能手机的外放设备一般都是带保护的，需要跑喇叭保护算法，而其他设备如蓝牙耳机也可能需要跑 aptX 算法，如果没有分割的话，只能下发一个 acdb id，无法把喇叭保护算法和 aptX 算法都调度起来。多输出设备分割时，还需要遵循一个规则：如果这些设备均连接到同一个 BE DAI，则无须分割。

int platform_can_split_snd_device(snd_device_t snd_device,int *num_devices,snd_device_t *new_snd_devices)
{int ret = -EINVAL;if (NULL == num_devices || NULL == new_snd_devices) {ALOGE("%s: NULL pointer ..", __func__);return -EINVAL;}/** If wired headset/headphones/line devices share the same backend* with speaker/earpiece this routine -EINVAL.*/if (snd_device == SND_DEVICE_OUT_SPEAKER_AND_HEADPHONES &&!platform_check_backends_match(SND_DEVICE_OUT_SPEAKER, SND_DEVICE_OUT_HEADPHONES)) {*num_devices = 2;new_snd_devices[0] = SND_DEVICE_OUT_SPEAKER;new_snd_devices[1] = SND_DEVICE_OUT_HEADPHONES;ret = 0;} else if (snd_device == SND_DEVICE_OUT_SPEAKER_AND_LINE &&!platform_check_backends_match(SND_DEVICE_OUT_SPEAKER, SND_DEVICE_OUT_LINE)) {*num_devices = 2;new_snd_devices[0] = SND_DEVICE_OUT_SPEAKER;new_snd_devices[1] = SND_DEVICE_OUT_LINE;ret = 0;}return ret;
}

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