alsa之ASOC架构学习

高级Linux声音架构（ALSA）片上系统（ASoC）层的总体项目目标是为嵌入式片上系统处理器（如pxa2xx、au1x00、iMX等）和便携式音频编解码器提供更好的ALSA支持。在ASoC子系统出现之前，内核中对片上系统音频已有一定的支持，但存在一些局限性：

• 1、编解码器（Codec）驱动通常与底层 SoC 的 CPU 紧密耦合。
  这种做法并不理想，因为它会导致代码重复 —— 例如，Linux 内核中曾经为 4 个不同的 SoC 平台分别维护了各自的 wm8731 编解码器驱动。换句话来理解，在早期 Linux ASoC 框架出现之前，每个 SoC 都得单独写一份针对该平台的 Codec 驱动，比如：wm8731-s3c.c（Samsung S3C 平台）、wm8731-omap.c（TI OMAP 平台）、wm8731-pxa.c（Intel PXA 平台）、wm8731-imx.c（NXP i.MX 平台）；这些驱动功能几乎相同，只是硬件连接方式不同，造成了代码重复与维护困难。ASoC 框架后来引入了 CPU DAI / Codec DAI / Machine Driver 分层结构，才解决了这个问题。

• 2、当时没有一种标准化的方法来通知用户触发的音频事件（例如耳机/麦克风插入、插入后检测耳机或麦克风等）。这些事件在便携式设备上非常常见，但往往需要编写特定于机器（平台）的代码，来在此类事件发生后重新路由音频信号、开启放大器等操作。

• 3、在早期的驱动中，当播放或录制音频时，往往会直接给整个编解码器（Codec）上电。这种做法在 PC 上问题不大，但在便携式设备上会造成大量的电能浪费。
  此外，当时的驱动也不支持通过调整编解码器的过采样率（oversampling rate）、偏置电流（bias current）等方式来节省功耗。

ASoC Design

ASoC 层（ALSA System on Chip） 的设计目标是为了解决前面提到的问题，并提供以下特性：

• 1、Codec 独立性（Codec independence）允许在不同平台和机器之间复用同一个编解码器驱动。也就是说，同一颗音频 Codec 芯片（例如 WM8731），可以在多个 SoC 平台上通用使用，而不必为每个平台分别编写驱动。
• 2、简化 Codec 与 SoC 之间的 I2S/PCM 接口配置（Easy I2S/PCM audio interface setup）每个 SoC 接口驱动与 Codec 驱动都会向 ASoC 核心层注册它们各自的音频接口能力。当上层应用（如 ALSA PCM）确定音频硬件参数（采样率、位宽、通道数）时，ASoC 核心会自动匹配并配置对应的 Codec 与 SoC 接口。
• 3、动态音频功耗管理（Dynamic Audio Power Management，DAPM）DAPM 机会自动让 Codec 始终保持在最低功耗状态。它会根据 Codec 内部的音频路由结构和当前活跃的音频流，自动上电或关闭内部电源模块，从而实现精细化的功耗控制。
• 4、减少“啪”声和“咔”声（Pop and Click Reduction）通过在正确的时序下为 Codec 上电/断电（包括使用数字静音），可以显著减少音频输出中的“啪”“咔”声。
  ASoC 框架会在 Codec 需要切换电源状态时主动发出信号，以确保顺序正确。
• 5、机器特定控制（Machine Specific Controls）允许特定机器（板级）添加自定义的音频控制项，例如扬声器放大器音量调节、耳机插入检测等，从而满足不同硬件平台的特殊需求。

为了实现上述所有功能，ASoC（ALSA System on Chip） 基本上将一个嵌入式音频系统拆分为多个可复用的组件驱动（component drivers）：

• 1、Codec 类驱动（Codec class drivers）：
  Codec 类驱动与平台无关，包含以下内容：

  – 音频控制（Audio Controls）

  – 音频接口能力定义（Audio Interface Capabilities）

  – Codec 的 DAPM 功耗管理定义（Codec DAPM Definition）

  – Codec 的寄存器读写函数（Codec IO Functions）

该类驱动在必要时还可以扩展到 蓝牙（BT）、FM 收音机、MODEM 调制解调器等音频 IC。Codec 类驱动应当是通用的、可移植的代码，能在任意体系架构和平台上运行。

• 2、Platform 类驱动（Platform class drivers）：
  Platform 类驱动包含：

  – “音频 DMA 引擎驱动（Audio DMA Engine Driver）；”

  – “数字音频接口（DAI）驱动（如 I²S、AC97、PCM 等）；”

  – “以及该平台上任何与音频相关的 DSP 驱动。”

这些驱动直接面向具体 SoC 平台的音频硬件实现部分。

• 3、Machine 类驱动（Machine class driver）：
  Machine 类驱动相当于“胶水层”，负责将上述各个组件驱动描述并绑定在一起，
  从而组成一个完整的 ALSA “声卡设备（sound card device）”。

它还负责处理所有与具体机器相关的控制逻辑与音频事件，例如：

– 在播放开始时打开扬声器放大器；

– 在耳机插入时切换音频路由；

– 控制外部功放电源等。

什么是 Codec（音频编解码器）

Codec（Coder/Decoder） 是一个 音频编解码芯片，负责：

• 把模拟信号（来自麦克风）转换为数字信号（ADC），

• 或把数字音频信号（来自 CPU/DSP）转换为模拟信号（DAC）。

例如常见的外部音频 Codec 芯片：

• WM8731（Wolfson Microelectronics）

• ALC5640（Realtek）

• TLV320AIC31（TI）

• AK4556、CS42L52 等

这些芯片通过 I²S、TDM、PCM、AC97、SPI、I²C 等总线与 SoC 连接。
Codec 芯片通常包含以下功能模块：

  +-------------------+|    Audio Codec    ||-------------------||  ADC  (Mic In)    ||  DAC  (Spk Out)   ||  Mixer / EQ / AGC ||  Headphone AMP    |+-------------------+

🔹 Mixer（混音器）

用于将多个输入源（Mic、Line-in、Playback 等）混合输出；

可控制输入增益、开关、路径选择。

🔹 EQ（Equalizer，均衡器）

用于调节频率响应；

可实现低频增强、高频抑制、声音优化等；

一般通过寄存器配置滤波器系数实现。

🔹 AGC（Automatic Gain Control，自动增益控制）

自动调节输入信号的增益，使输出音量保持稳定；

特别常用于麦克风通道，防止说话太轻或太响时音量差距过大。

4️⃣ Headphone AMP（耳机放大器）

功能：

将 DAC 输出的低电平音频信号放大，驱动耳机或小型扬声器；

通常包括可调音量、增益、负载检测（耳机插入检测）功能。

特点：

输出阻抗低；

能检测插入状态（Jack Detect）；

有时支持差分输出（Differential Out）。

pipelie总结：

[Mic/Line-in] ─▶ [ADC] ─▶ [Digital Interface → SoC]
[SoC → Digital Interface] ─▶ [DAC] ─▶ [Mixer/EQ/AGC] ─▶ [Headphone AMP] ─▶ [Speaker/Headphone]

输入路径（录音）：模拟信号 → ADC → 数字数据

输出路径（播放）：数字数据 → DAC → 放大器 → 模拟输出

Mixer / EQ / AGC：在中间起到信号调节作用

所有模块都由驱动（Codec Driver）通过寄存器配置控制。

什么是 Codec Driver（编解码器驱动）

Codec 驱动 是运行在 Linux 内核中的一段代码，用来驱动这个外部 Codec 芯片。
它的职责包括：

功能	描述
寄存器配置	通过 I²C 或 SPI 配置 Codec 寄存器（音量、输入选择、采样率等）
电源控制	管理 Codec 的上电、下电、休眠状态
音频格式设置	设置采样率、位宽、时钟、I2S 模式（主从、左对齐、右对齐）
Mixer 控制	提供 alsamixer 控件（音量、静音、增益）
音频路径控制	控制输入输出通路（Mic→ADC、DAC→Spk）

ASoC Codec Class Driver：

Codec 类驱动（Codec class driver） 是一种通用的、与硬件平台无关的代码，
其作用是配置 音频编解码器（Codec）、FM 收音机模块（FM）、调制解调器（MODEM）、蓝牙音频模块（BT） 或 外部音频 DSP，
以实现音频的**采集（Capture）与播放（Playback）**功能。

Codec 类驱动不应包含任何与目标平台或特定机器相关的代码。
所有与平台或机器相关的逻辑，都应分别放在 Platform 驱动 与 Machine 驱动 中实现。

每个 Codec 类驱动必须提供以下功能：

1️⃣ Codec DAI 与 PCM 配置
定义编解码器的数字音频接口（如 I²S/TDM/PCM）及其能力（采样率、位宽、通道数等）。

2️⃣ Codec 控制 IO（使用 RegMap API）
通过内核的 RegMap 框架访问 Codec 的寄存器，统一寄存器读写接口。

3️⃣ 混音器（Mixer）与音频控制（Audio Controls）
定义音量、静音、输入选择、通道开关等 ALSA 控件。

4️⃣ Codec 音频操作函数（Audio Operations）
包括启动播放/录音、停止、设置参数、切换采样率等操作接口。

5️⃣ DAPM 描述（DAPM Description）
定义 Codec 内部各音频模块的 DAPM 节点（Widget）及连接关系（Route）。

6️⃣ DAPM 事件处理函数（DAPM Event Handler）
用于在 DAPM 电源状态变化时执行特定操作（如上电延时、消除“啪声”）。

可选地，Codec 驱动还可以提供：

🔸 DAC 数字静音控制（DAC Digital Mute Control）
用于在播放停止或切换时快速静音，防止“pop/click”噪声。

参考资料：https://www.kernel.org/doc/html/latest/sound/soc/index.html