ALPHA I.MX6U开发板支持音频，板上搭载了音频编解码芯片WM8960，支持播放以及录音功能！
本章我们来学习Linux下的音频应用编程，音频应用编程相比于前面几个章节所介绍的内容、其难度有所上升，但是笔者仅向大家介绍Linux音频应用编程中的基础知识，而更多细节、更加深入的内容需要大家自己去学习。
本章将会讨论如下主题内容。
- Linux下ALSA框架概述；
- alsa-lib库介绍；
- alsa-lib库移植；
- alsa-lib库的使用；
- 音频应用编程之播放；
- 音频应用编程之录音。
ALSA是Advanced Linux Sound Architecture（高级的Linux声音体系）的缩写，目前已经成为了linux下的主流音频体系架构，提供了音频和MIDI的支持，替代了原先旧版本中的OSS（开发声音系统）；学习过Linux音频驱动开发的读者肯定知道这个；事实上，ALSA是Linux系统下一套标准的、先进的音频驱动框架，那么这套框架的设计本身是比较复杂的，采用分离、分层思想设计而成，具体的细节便不给大家介绍了！作为音频应用编程，我们不用去研究这个。
在应用层，ALSA为我们提供了一套标准的API，应用程序只需要调用这些API就可完成对底层音频硬件设备的控制，譬如播放、录音等，这一套API称为alsa-lib。如下图所示：
图 29.1.1 alsa音频示意图
alsa-lib简介如上所述，alsa-lib是一套Linux应用层的C语言函数库，为音频应用程序开发提供了一套统一、标准的接口，应用程序只需调用这一套API即可完成对底层声卡设备的操控，譬如播放与录音。
用户空间的alsa-lib对应用程序提供了统一的API接口，这样可以隐藏驱动层的实现细节，简化了应用程序的实现难度、无需应用程序开发人员直接去读写音频设备节点。所以本章，对于我们来说，学习音频应用编程其实就是学习alsa-lib库函数的使用、如何基于alsa-lib库函数开发音频应用程序。
ALSA提供了关于alsa-lib的使用说明文档，其链接地址为：alsa-project/alsa-doc/alsa-lib/，进入到该链接地址后，如下所示：
图 29.2.1 alsa-lib使用参考手册
alsa-lib库支持功能比较多，提供了丰富的API接口供应用程序开发人员调用，根据函数的功能、作用将这些API进行了分类，可以点击上图中Modules按钮查看其模块划分，如下所示：
图 29.2.2 alsa-lib模块
一个分类就是一个模块（module），有些模块下可能该包含了子模块，譬如上图中，模块名称前面有三角箭头的表示该模块包含有子模块。
- Global defines and functions：包括一些全局的定义，譬如函数、宏等；
- Constants for Digital Audio Interfaces：数字音频接口相关的常量；
- Input Interface：输入接口；
- Output Interface：输出接口；
- Error handling：错误处理相关接口；
- Configuration Interface：配置接口；
- Control Interface：控制接口；
- PCM Interface：PCM设备接口；
- RawMidi Interface：RawMidi接口；
- Timer Interface：定时器接口；
- Hardware Dependant Interface：硬件相关接口；
- MIDI Sequencer：MIDI音序器；
- External PCM plugin SDK：外部PCM插件SDK；
- External Control Plugin SDK：外部控制插件SDK；
- Mixer Interface：混音器接口；
- Use Case Interface：用例接口；
- Topology Interface：拓扑接口。
可以看到，alsa-lib提供的接口确实非常多、模块很多，以上所列举出来的这些模块，很多模块笔者也不是很清楚它们的具体功能、作用，但是本章我们仅涉及到三个模块下的API函数，包括：PCM Interface、Error Interface以及Mixer Interface。
PCM Interface
PCM Interface，提供了PCM设备相关的操作接口，譬如打开/关闭PCM设备、配置PCM设备硬件或软件参数、控制PCM设备（启动、暂停、恢复、写入/读取数据），该模块下还包含了一些子模块，如下所示：
图 29.2.3 PCM Interface下的子模块
点击模块名称可以查看到该模块提供的API接口有哪些以及相应的函数说明，这里就不给大家演示了！
Error Interface
该模块提供了关于错误处理相关的接口，譬如函数调用发生错误时，可调用该模块下提供的函数打印错误描述信息。
Mixer Interface
提供了关于混音器相关的一系列操作接口，譬如音量、声道控制、增益等等。
sound设备节点在Linux内核设备驱动层、基于ALSA音频驱动框架注册的sound设备会在/dev/snd目录下生成相应的设备节点文件，譬如ALPHA I.MX6U开发板出厂系统/dev/snd目录下有如下文件：
图 29.3.1 /dev/snd目录下的文件
Tips：注意，Mini I.MX6U开发板出厂系统/dev/snd目录下是没有这些文件的，因为Mini板不支持音频、没有板载音频编解码芯片，所以本章实验例程无法在Mini板上进行测试，请悉知！
从上图可以看到有如下设备文件：
- controlC0：用于声卡控制的设备节点，譬如通道选择、混音器、麦克风的控制等，C0表示声卡0（card0）；
- pcmC0D0c：用于录音的PCM设备节点。其中C0表示card0，也就是声卡0；而D0表示device 0，也就是设备0；最后一个字母c是capture的缩写，表示录音；所以pcmC0D0c便是系统的声卡0中的录音设备0；
- pcmC0D0p：用于播放（或叫放音、回放）的PCM设备节点。其中C0表示card0，也就是声卡0；而D0表示device 0，也就是设备0；最后一个字母p是playback的缩写，表示播放；所以pcmC0D0p便是系统的声卡0中的播放设备0；
- pcmC0D1c：用于录音的PCM设备节点。对应系统的声卡0中的录音设备1；
- pcmC0D1p：用于播放的PCM设备节点。对应系统的声卡0中的播放设备1。
- timer：定时器。
本章我们编写的应用程序，虽然是调用alsa-lib库函数去控制底层音频硬件，但最终也是落实到对sound设备节点的I/O操作，只不过alsa-lib已经帮我们封装好了。在Linux系统的/proc/asound目录下，有很多的文件，这些文件记录了系统中声卡相关的信息，如下所示：
图 29.3.2 /proc/asound目录下的文件
cards：
通过"cat /proc/asound/cards"命令、查看cards文件的内容，可列出系统中可用的、注册的声卡，如下所示：
cat /proc/asound/cards
图 29.3.3 查看系统中注册的所有声卡
我们的阿尔法板子上只有一个声卡（WM8960音频编解码器），所以它的编号为0，也就是card0。系统中注册的所有声卡都会在/proc/asound/目录下存在一个相应的目录，该目录的命名方式为cardX（X表示声卡的编号），譬如图 29.3.2中的card0；card0目录下记录了声卡0相关的信息，譬如声卡的名字以及声卡注册的PCM设备，如下所示：
图 29.3.4 card0目录下的文件
devices：
列出系统中所有声卡注册的设备，包括control、pcm、timer、seq等等。如下所示：
cat /proc/asound/devices
图 29.3.5 列出所有设备
pcm：
列出系统中的所有PCM设备，包括playback和capture：
cat /proc/asound/pcm
图 29.3.6 列出系统中所有PCM设备
alsa-lib移植因为alsa-lib是ALSA提供的一套Linux下的C语言函数库，需要将alsa-lib移植到开发板上，这样基于alsa-lib编写的应用程序才能成功运行，除了移植alsa-lib库之外，通常还需要移植alsa-utils，alsa-utils包含了一些用于测试、配置声卡的工具。
事实上，ALPHA I.MX6U开发板出厂系统中已经移植了alsa-lib和alsa-utils，本章我们直接使用出厂系统移植好的alsa-lib和alsa-utils进行测试，笔者也就不再介绍移植过程了。其实它们的移植方法也非常简单，如果你想自己尝试移植，网上有很多参考，大家可以自己去看看。
alsa-utils提供了一些用于测试、配置声卡的工具，譬如aplay、arecord、alsactl、alsaloop、alsamixer、amixer等，在开发板出厂系统上可以直接使用这些工具，这些应用程序也都是基于alsa-lib编写的。
aplay
aplay是一个用于测试音频播放功能程序，可以使用aplay播放wav格式的音频文件，如下所示：
图 29.4.1 使用aplay播放wav音乐
程序运行之后就会开始播放音乐，因为ALPHA开发板支持喇叭和耳机自动切换，如果不插耳机默认从喇叭播放音乐，插上耳机以后喇叭就会停止播放，切换为耳机播放音乐，这个大家可以自己进行测试。
需要注意的是，aplay工具只能解析wav格式音频文件，不支持mp3格式解码，所以无法使用aplay工具播放mp3音频文件。稍后笔者会向大家介绍如何基于alsa-lib编写一个简单地音乐播放器，实现与aplay相同的效果。
alsamixer
alsamixer是一个很重要的工具，用于配置声卡的混音器，它是一个字符图形化的配置工具，直接在开发板串口终端运行alsamixer命令，打开图形化配置界面，如下所示：
图 29.4.2 alsamixer界面
alsamixer可对声卡的混音器进行配置，左上角“Card: wm8960-audio”表示当前配置的声卡为wm8960-audio，如果你的系统中注册了多个声卡，可以按F6进行选择。
按下H键可查看界面的操作说明，如下所示：
图 29.4.3 alsamixer界面操作说明
不同声卡支持的混音器配置选项是不同的，这个与具体硬件相关，需要硬件上的支持！上图展示的便是开发板WM8960声卡所支持的配置项，包括Playback播放和Capture录音，左上角View处提示：
View: F3:[Playback] F4: Capture F5: All
表示当前显示的是[Playback]的配置项，通过F4按键切换为Capture、或按F5显示所有配置项。
Tips：在终端按下F4或F5按键时，可能会直接退出配置界面，这个原因可能是F4或F5快捷键被其它程序给占用了，大家可以试试在Ubuntu系统下使用ssh远程登录开发板，然后在Ubuntu ssh终端执行alsamixer程序，笔者测试F4、F5都是正常的。
左上角Item处提示：
Item: Headphone [dB gain: -8.00, -8.00]
表示当前选择的是Headphone配置项，可通过键盘上的LEFT（向左）和RIGHT（向右）按键切换到其它配置项。当用户对配置项进行修改时，只能修改被选中的配置项，而中括号[dB gain: -7.00, -7.00]中的内容显示了该配置项当前的配置值。
上图中只是列出了其中一部分，还有一部分配置项并未显示出来，可以通过左右按键移动查看到其余配置项。WM8960声卡所支持的配置项特别多，包括播放音量、耳机音量、喇叭音量、capture录音音量、通道使能、ZC、AC、DC、ALC、3D等，配置项特别多，很多配置项笔者也不懂。以下列出了其中一些配置项及其说明：
Headphone：耳机音量，使用上（音量增加）、下（音量降低）按键可以调节播放时耳机输出的音量大小，当然可以通过Q（左声道音量增加）、Z（左声道音量降低）按键单独调节左声道音量或通过E（右声道音量增加）、C（右声道音量降低）按键单独调节右声道音量。
Headphone Playback ZC：耳机播放ZC（交流），通过M键打开或关闭ZC。
Speaker：喇叭播放音量，音量调节方法与Headphon相同。
Speaker AC：喇叭ZC，通过上下按键可调节大小。
Speaker DC：喇叭DC，通过上下按键可调节大小。
Speaker Playback ZC：喇叭播放ZC，通过M键打开或关闭ZC。
Playback：播放音量，播放音量作用于喇叭、也能作用于耳机，能同时控制喇叭和耳机的输出音量。调节方法与Headphon相同。
Capture：采集音量，也就是录音时的音量大小，调节方法与Headphon相同。
其它的配置项就不再介绍了，笔者也看不懂，后面会用到时再给大家解释！
开发板出厂系统中有一个配置文件/var/lib/alsa/asound.state，这其实就是WM8960声卡的配置文件，每当开发板启动进入系统时会自动读取该文件加载声卡配置；而每次系统关机时，又会将声卡当前的配置写入到该文件中进行保存，以便下一次启动时加载。加载与保存操作其实是通过alsactl工具完成的，稍后向大家介绍。
alsactl
配置好声卡之后，如果直接关机，下一次重启之后之前的设置都会消失，必须要重新设置，所以我们需要对配置进行保存，如何保存呢？可通过alsactl工具完成。
使用alsactl工具可以将当前声卡的配置保存在一个文件中，这个文件默认是/var/lib/alsa/asound.state，譬如使用alsactl工具将声卡配置保存在该文件中：
alsactl -f /var/lib/alsa/asound.state store
-f选项指定保存在哪一个文件中，当然也可以不用指定，如果不指定则使用alsactl默认的配置文件/var/lib/alsa/asound.state，store表示保存配置。保存成功以后就会生成/var/lib/alsa/asound.state这个文件，asound.state文件中保存了声卡的各种设置信息，大家可以打开此文件查看里面的内容，如下所示：
图 29.4.4 asound.state文件部分内容
除了保存配置之外，还可以加载配置，譬如使用/var/lib/alsa/asound.state文件中的配置信息来配置声卡，可执行如下命令：
alsactl -f /var/lib/alsa/asound.state restore
restore表示加载配置，读取/var/lib/alsa/asound.state文件中的配置信息并对声卡进行设置。关于alsactl的详细使用方法，可以执行"alsactl -h"进行查看。
开发板出厂系统每次开机启动时便会自动从/var/lib/alsa/asound.state文件中读取配置信息并配置声卡，而每次关机时（譬如执行reset或poweroff命令）又会将声卡当前的配置写入到该文件中进行保存，以便下一次启动时加载。其实也就是在系统启动（或关机）时通过alsactl工具加载（或保存）配置。
amixer
amixer工具也是一个声卡配置工具，与alsamixer功能相同，区别在于，alsamixer是一个基于字符图形化的配置工具、而amixer不是图形化配置工具，直接使用命令行配置即可，详细地用法大家可以执行"amixer --help"命令查看，下面笔者简单地提一下该工具怎么用：
执行命令"amixer scontrols"可以查看到有哪些配置项，如下所示：
图 29.4.5 查看有哪些配置项
从打印信息可知，这里打印出来的配置项与alsamixer配置界面中所看到的配置项是相同的，那如何进去配置呢？不同的配置项对应的配置方法（配置值或值类型）是不一样的，可以先使用命令"amixer scontents"查看配置项的说明，如下所示：
amixer scontents
图 29.4.6 每一个配置项的配置说明
“Headphone”配置项用于设置耳机音量，音量可调节范围为0-127，当前音量为115（左右声道都是115）；有些设置项是bool类型，只有on和off两种状态。
譬如将耳机音量左右声道都设置为100，可执行如下命令进行设置：
amixer sset Headphone 100,100
譬如打开或关闭Headphone Playback ZC：
amixer sset "Headphone Playback ZC" off #关闭ZC
amixer sset "Headphone Playback ZC" on #打开ZC
以上给大家举了两个例子，配置方法还是很简单地！
arecord
arecord工具是一个用于录音测试的应用程序，这里笔者简单地给大家介绍一下工具的使用方法，详细的使用方法大家可以执行"arecord --help"命令查看帮助信息。譬如使用arecord录制一段10秒钟的音频，可以执行如下命令：
arecord -f cd -d 10 test.wav
图 29.4.7 使用arecord工具录音
-f选项指定音频格式，cd则表示cd级别音频，也就是“16 bit little endian, 44100, stereo”；-d选项指定音频录制时间长度，单位是秒；test.wav指定音频数据保存的文件。当录制完成之后，会生成test.wav文件，接着我们可以使用aplay工具播放这一段音频。
以上给大家介绍了alsa-utils提供的几个测试音频、配置声卡的工具，当然，本文也只是进行了简单地介绍，更加详细的使用方法还需要大家自己查看帮助信息。
编写一个简单地alsa-lib应用程序本小节开始，我们来学习如何基于alsa-lib编写音频应用程序，alsa-lib提供的库函数也别多，笔者肯定不会全部给大家介绍，只介绍基础的使用方法，关于更加深入、更加详细的使用方法需要大家自己去研究、学习。
对于alsa-lib库的使用，ALSA提供了一些参考资料来帮助应用程序开发人员快速上手alsa-lib、基于alsa-lib进行应用编程，以下笔者给出了链接：
users.suse/~mana/alsa090_howto.html
alsa-project/alsa-doc/alsa-lib/examples.html
第一份文档向用户介绍了如何使用alsa-lib编写简单的音频应用程序，包括PCM播放音频、PCM录音等，笔者也是参考了这份文档来编写本章教程，对应初学者，建议大家看一看。
第二个链接地址是ALSA提供的一些示例代码，如下所示：
图 29.5.1 ALSA提供的参考代码
点击对应源文件即可查看源代码。
以上便是ALSA提供的帮助文档以及参考代码，链接地址已经给出了，大家有兴趣可以看一下。
本小节笔者将向大家介绍如何基于alsa-lib编写一个简单地音频应用程序，譬如播放音乐、录音等；但在此之前，首先我们需要先来了解一些基本的概念，为后面的学习打下一个坚实的基础！
一些基本概念主要是与音频相关的基本概念，因为在alsa-lib应用编程中会涉及到这些概念，所以先给大家进行一个简单地介绍。
样本长度（Sample）
样本是记录音频数据最基本的单元，样本长度就是采样位数，也称为位深度（Bit Depth、Sample Size、Sample Width）。是指计算机在采集和播放声音文件时，所使用数字声音信号的二进制位数，或者说每个采样样本所包含的位数（计算机对每个通道采样量化时数字比特位数），通常有8bit、16bit、24bit等。
声道数（channel）
分为单声道(Mono)和双声道/立体声(Stereo)。1表示单声道、2表示立体声。
帧（frame）
帧记录了一个声音单元，其长度为样本长度与声道数的乘积，一段音频数据就是由苦干帧组成的。
把所有声道中的数据加在一起叫做一帧，对于单声道：一帧 = 样本长度 * 1；双声道：一帧 = 样本长度 * 2。譬如对于样本长度为16bit的双声道来说，一帧的大小等于：16 * 2 / 8 = 4个字节。
采样率（Sample rate）
也叫采样频率，是指每秒钟采样次数，该次数是针对桢而言。譬如常见的采样率有：
8KHz - 电话所用采样率
22.05KHz - FM调频广播所用采样率
44.1KHz - 音频 CD，也常用于MPEG-1音频（VCD、SVCD、MP3）所用采样率
48KHz - miniDV、数字电视、DVD、DAT、电影和专业音频所用的数字声音所用采样率。
交错模式（interleaved）
交错模式是一种音频数据的记录方式，分为交错模式和非交错模式。在交错模式下，数据以连续桢的形式存放，即首先记录完桢1的左声道样本和右声道样本（假设为立体声格式），再记录桢2的左声道样本和右声道样本。而在非交错模式下，首先记录的是一个周期内所有桢的左声道样本，再记录右声道样本，数据是以连续通道的方式存储。不过多数情况下，我们一般都是使用交错模式。
周期（period）
周期是音频设备处理（读、写）数据的单位，换句话说，也就是音频设备读写数据的单位是周期，每一次读或写一个周期的数据，一个周期包含若干个帧；譬如周期的大小为1024帧，则表示音频设备进行一次读或写操作的数据量大小为1024帧，假设一帧为4个字节，那么也就是1024*4=4096个字节数据。
一个周期其实就是两次硬件中断之间的帧数，音频设备每处理（读或写）完一个周期的数据就会产生一个中断，所以两个中断之间相差一个周期，关于中断的问题，稍后再向大家介绍！
缓冲区（buffer）
数据缓冲区，一个缓冲区包含若干个周期，所以buffer是由若干个周期所组成的一块空间。下面一张图直观地表示了buffer、period、frame、sample（样本长度）之间的关系，假设一个buffer包含4个周期、而一个周包含1024帧、一帧包含两个样本（左、右两个声道）：
图 29.5.2 buffer/period/frame/sample之间的关系示例图
音频设备底层驱动程序使用DMA来搬运数据，这个buffer中有4个period，每当DMA搬运完一个period的数据就会触发一次中断，因此搬运整个buffer中的数据将产生4次中断。ALSA为什么这样做？直接把整个buffer中的数据一次性搬运过去岂不是更快？情况并非如此，我们没有考虑到一个很重要的问题，那就是延迟；如果数据缓存区buffer很大，一次传输整个buffer中的数据可能会导致不可接受的延迟，因为一次搬运的数据量越大，所花费的时间就越长，那么必然会导致数据从传输开始到发出声音（以播放为例）这个过程所经历的时间就会越长，这就是延迟。为了解决这个问题，ALSA把缓存区拆分成多个周期，以周期为传输单元进行传输数据。
所以，周期不宜设置过大，周期过大会导致延迟过高；但周期也不能太小，周期太小会导致频繁触发中断，这样会使得CPU被频繁中断而无法执行其它的任务，使得效率降低！所以，周期大小要合适，在延迟可接受的情况下，尽量设置大一些，不过这个需要根据实际应用场合而定，有些应用场合，可能要求低延迟、实时性高，但有些应用场合没有这种需求。
数据之间的传输
这里再介绍一下数据之间传输的问题，这个问题很重要，大家一定要理解，这样会更好的帮助我们理解代码、理解代码的逻辑。
- PCM播放情况下
在播放情况下，buffer中存放了需要播放的PCM音频数据，由应用程序向buffer中写入音频数据，buffer中的音频数据由DMA传输给音频设备进行播放，所以应用程序向buffer写入数据、音频设备从buffer读取数据，这就是buffer中数据的传输情况。
图 29.5.2中标识有read pointer和write pointer指针，write pointer指向当前应用程序写buffer的位置、read pointer指向当前音频设备读buffer的位置。在数据传输之前（播放之前），buffer缓冲区是没有数据的，此时write/read pointer均指向了buffer的起始位置，也就是第一个周期的起始位置，如下所示：
图 29.5.3 pointer指向buffer起始位置
应用程序向buffer写入多少帧数据，则write pointer指针向前移动多少帧，当应用程序向buffer中写入一个周期的数据时，write pointer指针将向前移动一个周期；接着再写入一个周期，指针再向前移动一个周期，以此类推！当write pointer移动到buffer末尾时，又会回到buffer的起始位置，以此循环！所以由此可知，这是一个环形缓冲区。
以上是应用程序写buffer的一个过程，接着再来看看音频设备读buffer（播放）的过程。在播放开始之前，read pointer指向了buffer的起始位置，也就是第一个周期的起始位置。音频设备每次只播放一个周期的数据（读取一个周期），每一次都是从read pointer所指位置开始读取；每读取一个周期，read pointer指针向前移动一个周期，同样，当read pointer指针移动到buffer末尾时，又会回到buffer的起始位置，以此构成一个循环！
应用程序需要向buffer中写入音频数据，音频设备才能读取数据进行播放，如果read pointer所指向的周期并没有填充音频数据，则无法播放！当buffer数据满时，应用程序将不能再写入数据，否则就会覆盖之前的数据，必须要等待音频设备播放完一个周期，音频设备每播放完一个周期，这个周期就变成空闲状态了，此时应用程序就可以写入一个周期的数据以填充这个空闲周期。
- PCM录音情况下
在录音情况下，buffer中存放了音频设备采集到的音频数据（外界模拟声音通过ADC转为数字声音），由音频设备向buffer中写入音频数据（DMA搬运），而应用程序从buffer中读取数据，所以音频设备向buffer写入数据、应用程序从buffer读取数据，这就是录音情况下buffer中数据的传输情况。
回到图 29.5.2中，此时write pointer指向音频设备写buffer的位置、read pointer指向应用程序读buffer的位置。在录音开始之前，buffer缓冲区是没有数据的，此时write/read pointer均指向了buffer的起始位置，也就是第一个周期的起始位置，如图 29.5.3中所示。
音频设备向buffer写入多少帧数据，则write pointer指针向前移动多少帧，音频设备每次只采集一个周期，将采集到的数据写入buffer中，从write pointer所指位置开始写入；当音频设备向buffer中写入一个周期的数据时，write pointer指针将向前移动一个周期；接着再写入一个周期，指针再向前移动一个周期，以此类推！当write pointer移动到buffer末尾时，又会回到buffer的起始位置，以此构成循环！
以上是音频设备写buffer的一个过程，接着再来看看应用程序读buffer的过程。在录音开始之前，read pointer指向了buffer的起始位置，也就是第一个周期的起始位置。同样，应用程序从buffer读取了多少帧数据，则read pointer指针向前移动多少帧；从read pointer所指位置开始读取，当read pointer指针移动到buffer末尾时，又会回到buffer的起始位置，以此构成一个循环！
音频设备需要向buffer中写入音频数据，应用程序才能从buffer中读取数据（录音），如果read pointer所指向的周期并没有填充音频数据，则无法读取！当buffer中没有数据时，需要等待音频设备向buffer中写入数据，音频设备每次写入一个周期，当应用程序读取完这个周期的数据后，这个周期又变成了空闲周期，需要等待音频设备写入数据。
Over and Under Run
当一个声卡处于工作状态时，环形缓冲区buffer中的数据总是连续地在音频设备和应用程序缓存区间传输，如下图所示：
图 29.5.4 buffer中数据的传输
上图展示了声卡在工作状态下，buffer中数据的传输情况，总是连续地在音频设备和应用程序缓存区间传输，但事情并不总是那么完美、也会出现有例外；譬如在录音例子中，如果应用程序读取数据不够快，环形缓冲区buffer中的数据已经被音频设备写满了、而应用程序还未来得及读走，那么数据将会被覆盖；这种数据的丢失被称为overrun。在播放例子中，如果应用程序写入数据到环形缓冲区buffer中的速度不够快，缓存区将会“饿死”（缓冲区中无数据可播放）；这样的错误被称为underrun（欠载）。在ALSA文档中，将这两种情形统称为"XRUN"，适当地设计应用程序可以最小化XRUN并且可以从中恢复过来。
打开PCM设备从本小节开始，将正式介绍如何编写一个音频应用程序，首先我们需要在应用程序中包含alsa-lib库的头文件<alsa/asoundlib.h>，这样才能在应用程序中调用alsa-lib库函数以及使用相关宏。
第一步需要打开PCM设备，调用函数snd_pcm_open()，该函数原型如下所示：
int snd_pcm_open(snd_pcm_t **pcmp, const char *name, snd_pcm_stream_t stream, int mode)
该函数一共有4个参数，如下所示：
- pcmp：snd_pcm_t用于描述一个PCM设备，所以一个snd_pcm_t对象表示一个PCM设备；snd_pcm_open函数会打开参数name所指定的设备，实例化snd_pcm_t对象，并将对象的指针（也就是PCM设备的句柄）通过pcmp返回出来。
- name：参数name指定PCM设备的名字。alsa-lib库函数中使用逻辑设备名而不是设备文件名，命名方式为"hw:i,j"，i表示声卡的卡号，j则表示这块声卡上的设备号；譬如"hw:0,0"表示声卡0上的PCM设备0，在播放情况下，这其实就对应/dev/snd/pcmC0D0p（如果是录音，则对应/dev/snd/pcmC0D0c）。除了使用"hw:i,j"这种方式命名之外，还有其它两种常用的命名方式，譬如"plughw:i,j"、"default"等，关于这些名字的不同，本章最后再向大家进行简单地介绍，这里暂时先不去理会这个问题。
- stream：参数stream指定流类型，有两种不同类型：SND_PCM_STREAM_PLAYBACK和SND_PCM_STREAM_CAPTURE；SND_PCM_STREAM_PLAYBACK表示播放，SND_PCM_STREAM_CAPTURE则表示采集。
- mode：最后一个参数mode指定了open模式，通常情况下，我们会将其设置为0，表示默认打开模式，默认情况下使用阻塞方式打开设备；当然，也可将其设置为SND_PCM_NONBLOCK，表示以非阻塞方式打开设备。
设备打开成功，snd_pcm_open函数返回0；打开失败，返回一个小于0的错误编号，可以使用alsa-lib提供的库函数snd_strerror()来得到对应的错误描述信息，该函数与C库函数strerror()用法相同。
与snd_pcm_open相对应的是snd_pcm_close()，函数snd_pcm_close()用于关闭PCM设备，函数原型如下所示：
int snd_pcm_close(snd_pcm_t *pcm);
使用示例：
调用snd_pcm_open()函数打开声卡0的PCM播放设备0：
snd_pcm_t *pcm_handle = NULL;
int ret;
ret = snd_pcm_open(&pcm_handle, "hw:0,0", SND_PCM_STREAM_PLAYBACK, 0);
if (0 > ret) {
fprintf(stderr, "snd_pcm_open error: %s\n", snd_strerror(ret));
return -1;
}
打开PCM设备之后，接着我们需要对设备进行设置，包括硬件配置和软件配置。软件配置就不再介绍了，使用默认配置即可！我们主要是对硬件参数进行配置，譬如采样率、声道数、格式、访问类型、period周期大小、buffer大小等。
实例化snd_pcm_hw_params_t对象
alsa-lib使用snd_pcm_hw_params_t数据类型来描述PCM设备的硬件配置参数，在配置参数之前，我们需要实例化一个snd_pcm_hw_params_t对象，使用snd_pcm_hw_params_malloc或snd_pcm_hw_params_alloca()来实例化一个snd_pcm_hw_params_t对象，如下所示：
snd_pcm_hw_params_t *hwparams = NULL;
snd_pcm_hw_params_malloc(&hwparams);
或
snd_pcm_hw_params_alloca(&hwparams);
它们之间的区别也就是C库函数malloc和alloca之间的区别。当然，你也可以直接使用malloc()或alloca()来分配一个snd_pcm_hw_params_t对象，亦或者直接定义全局变量或栈自动变量。与snd_pcm_hw_params_malloc/snd_pcm_hw_params_alloca相对应的是snd_pcm_hw_params_free，snd_pcm_hw_params_free()函数用于释放snd_pcm_hw_params_t对象占用的内存空间。函数原型如下所示：
void snd_pcm_hw_params_free(snd_pcm_hw_params_t *obj)
初始化snd_pcm_hw_params_t对象
snd_pcm_hw_params_t对象实例化完成之后，接着我们需要对其进行初始化操作，调用snd_pcm_hw_params_any()对snd_pcm_hw_params_t对象进行初始化操作，调用该函数会使用PCM设备当前的配置参数去初始化snd_pcm_hw_params_t对象，如下所示：
snd_pcm_hw_params_any(pcm_handle, hwparams);
第一个参数为PCM设备的句柄，第二个参数传入snd_pcm_hw_params_t对象的指针。
对硬件参数进行设置
alsa-lib提供了一系列的snd_pcm_hw_params_set_xxx函数用于设置PCM设备的硬件参数，同样也提供了一系列的snd_pcm_hw_params_get_xxx函数用于获取硬件参数。
(1)设置access访问类型：snd_pcm_hw_params_set_access()
调用snd_pcm_hw_params_set_access设置访问类型，其函数原型如下所示：
int snd_pcm_hw_params_set_access(snd_pcm_t *pcm,
snd_pcm_hw_params_t * params,
snd_pcm_access_t access
)
参数access指定设备的访问类型，是一个snd_pcm_access_t类型常量，这是一个枚举类型，如下所示：
enum snd_pcm_access_t {
SND_PCM_ACCESS_MMAP_INTERLEAVED = 0, //mmap access with simple interleaved channels
SND_PCM_ACCESS_MMAP_NONINTERLEAVED, //mmap access with simple non interleaved channels
SND_PCM_ACCESS_MMAP_COMPLEX, //mmap access with complex placement
SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED, //snd_pcm_readi/snd_pcm_writei access
SND_PCM_ACCESS_RW_NONINTERLEAVED, //snd_pcm_readn/snd_pcm_writen access
SND_PCM_ACCESS_LAST = SND_PCM_ACCESS_RW_NONINTERLEAVED
};
通常，将访问类型设置为SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED，交错访问模式，通过snd_pcm_readi/snd_pcm_writei对PCM设备进行读/写操作。
函数调用成功返回0；失败将返回一个小于0的错误码，可通过snd_strerror()函数获取错误描述信息。
使用示例：
ret = snd_pcm_hw_params_set_access(pcm_handle, hwparams, SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED);
if (0 > ret)
fprintf(stderr, "snd_pcm_hw_params_set_access error: %s\n", snd_strerror(ret));
(2)设置数据格式：snd_pcm_hw_params_set_format()
调用snd_pcm_hw_params_set_format()函数设置PCM设备的数据格式，函数原型如下所示：
int snd_pcm_hw_params_set_format(snd_pcm_t *pcm,
snd_pcm_hw_params_t *params,
snd_pcm_format_t format
)
参数format指定数据格式，该参数是一个snd_pcm_format_t类型常量，这是一个枚举类型，如下所示：
enum snd_pcm_format_t {
SND_PCM_FORMAT_UNKNOWN = -1,
SND_PCM_FORMAT_S8 = 0,
SND_PCM_FORMAT_U8,
SND_PCM_FORMAT_S16_LE,
SND_PCM_FORMAT_S16_BE,
SND_PCM_FORMAT_U16_LE,
SND_PCM_FORMAT_U16_BE,
SND_PCM_FORMAT_S24_LE,
SND_PCM_FORMAT_S24_BE,
SND_PCM_FORMAT_U24_LE,
SND_PCM_FORMAT_U24_BE,
SND_PCM_FORMAT_S32_LE,
SND_PCM_FORMAT_S32_BE,
SND_PCM_FORMAT_U32_LE,
SND_PCM_FORMAT_U32_BE,
SND_PCM_FORMAT_FLOAT_LE,
SND_PCM_FORMAT_FLOAT_BE,
SND_PCM_FORMAT_FLOAT64_LE,
SND_PCM_FORMAT_FLOAT64_BE,
SND_PCM_FORMAT_IEC958_SUBFRAME_LE,
SND_PCM_FORMAT_IEC958_SUBFRAME_BE,
SND_PCM_FORMAT_MU_LAW,
SND_PCM_FORMAT_A_LAW,
SND_PCM_FORMAT_IMA_ADPCM,
SND_PCM_FORMAT_MPEG,
SND_PCM_FORMAT_GSM,
SND_PCM_FORMAT_S20_LE,
SND_PCM_FORMAT_S20_BE,
SND_PCM_FORMAT_U20_LE,
SND_PCM_FORMAT_U20_BE,
SND_PCM_FORMAT_SPECIAL = 31,
SND_PCM_FORMAT_S24_3LE = 32,
SND_PCM_FORMAT_S24_3BE,
SND_PCM_FORMAT_U24_3LE,
SND_PCM_FORMAT_U24_3BE,
SND_PCM_FORMAT_S20_3LE,
SND_PCM_FORMAT_S20_3BE,
SND_PCM_FORMAT_U20_3LE,
SND_PCM_FORMAT_U20_3BE,
SND_PCM_FORMAT_S18_3LE,
SND_PCM_FORMAT_S18_3BE,
SND_PCM_FORMAT_U18_3LE,
SND_PCM_FORMAT_U18_3BE,
SND_PCM_FORMAT_G723_24,
SND_PCM_FORMAT_G723_24_1B,
SND_PCM_FORMAT_G723_40,
SND_PCM_FORMAT_G723_40_1B,
SND_PCM_FORMAT_DSD_U8,
SND_PCM_FORMAT_DSD_U16_LE,
SND_PCM_FORMAT_DSD_U32_LE,
SND_PCM_FORMAT_DSD_U16_BE,
SND_PCM_FORMAT_DSD_U32_BE,
SND_PCM_FORMAT_LAST = SND_PCM_FORMAT_DSD_U32_BE,
SND_PCM_FORMAT_S16 = SND_PCM_FORMAT_S16_LE,
SND_PCM_FORMAT_U16 = SND_PCM_FORMAT_U16_LE,
SND_PCM_FORMAT_S24 = SND_PCM_FORMAT_S24_LE,
SND_PCM_FORMAT_U24 = SND_PCM_FORMAT_U24_LE,
SND_PCM_FORMAT_S32 = SND_PCM_FORMAT_S32_LE,
SND_PCM_FORMAT_U32 = SND_PCM_FORMAT_U32_LE,
SND_PCM_FORMAT_FLOAT = SND_PCM_FORMAT_FLOAT_LE,
SND_PCM_FORMAT_FLOAT64 = SND_PCM_FORMAT_FLOAT64_LE,
SND_PCM_FORMAT_IEC958_SUBFRAME = SND_PCM_FORMAT_IEC958_SUBFRAME_LE,
SND_PCM_FORMAT_S20 = SND_PCM_FORMAT_S20_LE,
SND_PCM_FORMAT_U20 = SND_PCM_FORMAT_U20_LE
};
用的最多的格式是SND_PCM_FORMAT_S16_LE，有符号16位、小端模式。当然，音频设备不一定支持用户所指定的格式，在此之前，用户可以调用snd_pcm_hw_params_test_format()函数测试PCM设备是否支持某种格式，如下所示：
if (snd_pcm_hw_params_test_format(pcm_handle, hwparams, SND_PCM_FORMAT_S16_LE)) {
// 返回一个非零值 表示不支持该格式
}
else {
// 返回0表示支持
}
(3)设置声道数：snd_pcm_hw_params_set_channels()
调用snd_pcm_hw_params_set_channels()函数设置PCM设备的声道数，函数原型如下所示：
int snd_pcm_hw_params_set_channels(snd_pcm_t *pcm,
snd_pcm_hw_params_t *params,
unsigned int val
)
参数val指定声道数量，val=2表示双声道，也就是立体声。函数调用成功返回0，失败返回小于0的错误码。
使用示例：
ret = snd_pcm_hw_params_set_channels(pcm_handle, hwparams, 2);
if (0 > ret)
fprintf(stderr, "snd_pcm_hw_params_set_channels error: %s\n", snd_strerror(ret));
(4)设置采样率大小：snd_pcm_hw_params_set_rate()
调用snd_pcm_hw_params_set_rate设置采样率大小，其函数原型如下所示：
int snd_pcm_hw_params_set_rate(snd_pcm_t *pcm,
snd_pcm_hw_params_t *params,
unsigned int val,
int dir
)
参数val指定采样率大小，譬如44100；参数dir用于控制方向，若dir=-1，则实际采样率小于参数val指定的值；dir=0表示实际采样率等于参数val；dir=1表示实际采样率大于参数val。
函数调用成功返回0；失败将返回小于0的错误码。
使用示例：
ret = snd_pcm_hw_params_set_rate(pcm_handle, hwparams, 44100, 0);
if (0 > ret)
fprintf(stderr, "snd_pcm_hw_params_set_rate error: %s\n", snd_strerror(ret));
(5)设置周期大小：snd_pcm_hw_params_set_period_size()
这里说的周期，也就是29.5.1小节中向大家介绍的周期，一个周期的大小使用帧来衡量，譬如一个周期1024帧；调用snd_pcm_hw_params_set_period_size()函数设置周期大小，其函数原型如下所示：
int snd_pcm_hw_params_set_period_size(snd_pcm_t *pcm,
snd_pcm_hw_params_t *params,
snd_pcm_uframes_t val,
int dir
)
alsa-lib使用snd_pcm_uframes_t类型表示帧的数量；参数dir与snd_pcm_hw_params_set_rate()函数的dir参数意义相同。
使用示例（将周期大小设置为1024帧）：
ret = snd_pcm_hw_params_set_period_size(pcm_handle, hwparams, 1024, 0);
if (0 > ret)
fprintf(stderr, "snd_pcm_hw_params_set_period_size error: %s\n", snd_strerror(ret));
注意，参数val的单位是帧、而不是字节。
(6)设置buffer大小：snd_pcm_hw_params_set_buffer_size()
调用snd_pcm_hw_params_set_buffer_size()函数设置buffer的大小，其函数原型如下所示：
int snd_pcm_hw_params_set_buffer_size(snd_pcm_t *pcm,
snd_pcm_hw_params_t *params,
snd_pcm_uframes_t val
)
参数val指定buffer的大小，以帧为单位，通常buffer的大小是周期大小的整数倍，譬如16个周期；但函数snd_pcm_hw_params_set_buffer_size()是以帧为单位来表示buffer的大小，所以需要转换一下，譬如将buffer大小设置为16个周期，则参数val等于16 * 1024（假设一个周期为1024帧）=16384帧。
函数调用成功返回0；失败返回一个小于0的错误码。
使用示例：
ret = snd_pcm_hw_params_set_buffer_size(pcm_handle, hwparams, 16*1024);
if (0 > ret)
fprintf(stderr, "snd_pcm_hw_params_set_buffer_size error: %s\n", snd_strerror(ret));
除了snd_pcm_hw_params_set_buffer_size()函数之外，我们还可以调用snd_pcm_hw_params_set_periods()函数设置buffer大小，其函数原型如下所示：
int snd_pcm_hw_params_set_periods(snd_pcm_t *pcm,
snd_pcm_hw_params_t *params,
unsigned int val,
int dir
)
参数val指定了buffer的大小，该大小以周期为单位、并不是以帧为单位，注意区分！
参数dir与snd_pcm_hw_params_set_rate()函数的dir参数意义相同。
函数调用成功返回0；失败将返回一个小于0的错误码。
使用示例：
ret = snd_pcm_hw_params_set_periods(pcm_handle, hwparams, 16, 0); //buffer大小为16个周期
if (0 > ret)
fprintf(stderr, "snd_pcm_hw_params_set_periods error: %s\n", snd_strerror(ret));
(7)安装/加载硬件配置参数：snd_pcm_hw_params()
参数设置完成之后，最后调用snd_pcm_hw_params()加载/安装配置、将配置参数写入硬件使其生效，其函数原型如下所示：
int snd_pcm_hw_params(snd_pcm_t *pcm, snd_pcm_hw_params_t *params)
函数调用成功返回0，失败将返回一个小于0的错误码。函数snd_pcm_hw_params()调用之后，其内部会自动调用snd_pcm_prepare()函数，PCM设备的状态被更改为SND_PCM_STATE_PREPARED。
设备有多种不同的状态，SND_PCM_STATE_PREPARED为其中一种，关于状态的问题，后面在向大家介绍。调用snd_pcm_prepare()函数会使得PCM设备处于SND_PCM_STATE_PREPARED状态（也就是处于一种准备好的状态）。
使用示例：
ret = snd_pcm_hw_params(pcm_handle, hwparams);
if (0 > ret)
fprintf(stderr, "snd_pcm_hw_params error: %s\n", snd_strerror(ret));
接下来就可以进行读/写数据了，如果是PCM播放，则调用snd_pcm_writei()函数向播放缓冲区buffer中写入音频数据；如果是PCM录音，则调用snd_pcm_readi()函数从录音缓冲区buffer中读取数据，它们的函数原型如下所示：
snd_pcm_sframes_t snd_pcm_writei(snd_pcm_t *pcm,
const void *buffer,
snd_pcm_uframes_t size
)
snd_pcm_sframes_t snd_pcm_readi(snd_pcm_t *pcm,
void *buffer,
snd_pcm_uframes_t size
)
参数pcm为PCM设备的句柄；调用snd_pcm_writei()函数，将参数buffer（应用程序的缓冲区）缓冲区中的数据写入到驱动层的播放环形缓冲区buffer中，参数size指定写入数据的大小，以帧为单位；通常情况下，每次调用snd_pcm_writei()写入一个周期数据。
调用snd_pcm_readi()函数，将从驱动层的录音环形缓冲区buffer中读取数据到参数buffer指定的缓冲区中（应用程序的缓冲区），参数size指定读取数据的大小，以帧为单位；通常情况下，每次调用snd_pcm_readi()读取一个周期数据。
Tips：snd_pcm_writei/snd_pcm_readi函数原型中，参数buffer指的是应用程序的缓冲区，不要与驱动层的环形缓冲区搞混了！
snd_pcm_readi/snd_pcm_writei调用成功，返回实际读取/写入的帧数；调用失败将返回一个负数错误码。即使调用成功，实际读取/写入的帧数不一定等于参数size所指定的帧数，仅当发生信号或XRUN时，返回的帧数可能会小于参数size。
阻塞与非阻塞
调用snd_pcm_open()打开设备时，若指定为阻塞方式，则调用snd_pcm_readi/snd_pcm_writei以阻塞方式进行读/写。对于PCM录音来说，当buffer缓冲区中无数据可读时，调用snd_pcm_readi()函数将会阻塞，直到音频设备向buffer中写入采集到的音频数据；同理，对于PCM播放来说，当buffer缓冲区中的数据满时，调用snd_pcm_writei()函数将会阻塞，直到音频设备从buffer中读走数据进行播放。
若调用snd_pcm_open()打开设备时，指定为非阻塞方式，则调用snd_pcm_readi/snd_pcm_writei以非阻塞方式进行读/写。对于PCM录音来说，当buffer缓冲区中无数据可读时，调用snd_pcm_readi()不会阻塞、而是立即以错误形式返回；同理，对于PCM播放来说，当buffer缓冲区中的数据满时，调用snd_pcm_writei()函数也不会阻塞、而是立即以错误形式返回。
snd_pcm_readn和snd_pcm_writen
snd_pcm_readi/snd_pcm_writei适用于交错模式（interleaved）读/写数据，如果用户设置的访问类型并不是交错模式，而是非交错模式（non interleaved），此时便不可再使用snd_pcm_readi/snd_pcm_writei进行读写操作了，而需要使用snd_pcm_readn和snd_pcm_writen进行读写。
示例代码之PCM播放通过上小节的一个介绍，相信大家对alsa-lib音频应用编程已经有了基本的认识和理解，本小节我们来编写一个简单地音乐播放器，可以播放WAV音频文件，代码笔者已经写好了，如下所示：
本例程源码对应的路径为：开发板光盘->11、Linux C应用编程例程源码->29_alsa-lib->pcm_playback.c。
示例代码 29.5.1 一个简单地PCM播放示例程序
/***************************************************************
Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2021. All rights reserved.
文件名 : pcm_playback.c
作者 : 邓涛
版本 : V1.0
描述 : 一个简单地PCM播放示例代码--播放WAV音频文件
其他 : 无
论坛 : openedv
日志 : 初版 V1.0 2021/7/20 邓涛创建
***************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <alsa/asoundlib.h>
/************************************
宏定义
************************************/
#define PCM_PLAYBACK_DEV "hw:0,0"
/************************************
WAV音频文件解析相关数据结构申明
************************************/
typedef struct WAV_RIFF {
char ChunkID[4]; /* "RIFF" */
u_int32_t ChunkSize; /* 从下一个地址开始到文件末尾的总字节数 */
char Format[4]; /* "WAVE" */
} __attribute__ ((packed)) RIFF_t;
typedef struct WAV_FMT {
char Subchunk1ID[4]; /* "fmt " */
u_int32_t Subchunk1Size; /* 16 for PCM */
u_int16_t AudioFormat; /* PCM = 1*/
u_int16_t NumChannels; /* Mono = 1, Stereo = 2, etc. */
u_int32_t SampleRate; /* 8000, 44100, etc. */
u_int32_t ByteRate; /* = SampleRate * NumChannels * BitsPerSample/8 */
u_int16_t BlockAlign; /* = NumChannels * BitsPerSample/8 */
u_int16_t BitsPerSample; /* 8bits, 16bits, etc. */
} __attribute__ ((packed)) FMT_t;
static FMT_t wav_fmt;
typedef struct WAV_DATA {
char Subchunk2ID[4]; /* "data" */
u_int32_t Subchunk2Size; /* data size */
} __attribute__ ((packed)) DATA_t;
/************************************
static静态全局变量定义
************************************/
static snd_pcm_t *pcm = NULL; //pcm句柄
static unsigned int buf_bytes; //应用程序缓冲区的大小（字节为单位）
static void *buf = NULL; //指向应用程序缓冲区的指针
static int fd = -1; //指向WAV音频文件的文件描述符
static snd_pcm_uframes_t period_size = 1024; //周期大小（单位: 帧）
static unsigned int periods = 16; //周期数（设备驱动层buffer的大小）
static int snd_pcm_init(void)
{
snd_pcm_hw_params_t *hwparams = NULL;
int ret;
/* 打开PCM设备 */
ret = snd_pcm_open(&pcm, PCM_PLAYBACK_DEV, SND_PCM_STREAM_PLAYBACK, 0);
if (0 > ret) {
fprintf(stderr, "snd_pcm_open error: %s: %s\n",
PCM_PLAYBACK_DEV, snd_strerror(ret));
return -1;
}
/* 实例化hwparams对象 */
snd_pcm_hw_params_malloc(&hwparams);
/* 获取PCM设备当前硬件配置,对hwparams进行初始化 */
ret = snd_pcm_hw_params_any(pcm, hwparams);
if (0 > ret) {
fprintf(stderr, "snd_pcm_hw_params_any error: %s\n", snd_strerror(ret));
goto err2;
}
/**************
设置参数
***************/
/* 设置访问类型: 交错模式 */
ret = snd_pcm_hw_params_set_access(pcm, hwparams, SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED);
if (0 > ret) {
fprintf(stderr, "snd_pcm_hw_params_set_access error: %s\n", snd_strerror(ret));
goto err2;
}
/* 设置数据格式: 有符号16位、小端模式 */
ret = snd_pcm_hw_params_set_format(pcm, hwparams, SND_PCM_FORMAT_S16_LE);
if (0 > ret) {
fprintf(stderr, "snd_pcm_hw_params_set_format error: %s\n", snd_strerror(ret));
goto err2;
}
/* 设置采样率 */
ret = snd_pcm_hw_params_set_rate(pcm, hwparams, wav_fmt.SampleRate, 0);
if (0 > ret) {
fprintf(stderr, "snd_pcm_hw_params_set_rate error: %s\n", snd_strerror(ret));
goto err2;
}
/* 设置声道数: 双声道 */
ret = snd_pcm_hw_params_set_channels(pcm, hwparams, wav_fmt.NumChannels);
if (0 > ret) {
fprintf(stderr, "snd_pcm_hw_params_set_channels error: %s\n", snd_strerror(ret));
goto err2;
}
/* 设置周期大小: period_size */
ret = snd_pcm_hw_params_set_period_size(pcm, hwparams, period_size, 0);
if (0 > ret) {
fprintf(stderr, "snd_pcm_hw_params_set_period_size error: %s\n", snd_strerror(ret));
goto err2;
}
/* 设置周期数（驱动层buffer的大小）: periods */
ret = snd_pcm_hw_params_set_periods(pcm, hwparams, periods, 0);
if (0 > ret) {
fprintf(stderr, "snd_pcm_hw_params_set_periods error: %s\n", snd_strerror(ret));
goto err2;
}
/* 使配置生效 */
ret = snd_pcm_hw_params(pcm, hwparams);
snd_pcm_hw_params_free(hwparams); //释放hwparams对象占用的内存
if (0 > ret) {
fprintf(stderr, "snd_pcm_hw_params error: %s\n", snd_strerror(ret));
goto err1;
}
buf_bytes = period_size * wav_fmt.BlockAlign; //变量赋值，一个周期的字节大小
return 0;
err2:
snd_pcm_hw_params_free(hwparams); //释放内存
err1:
snd_pcm_close(pcm); //关闭pcm设备
return -1;
}
static int open_wav_file(const char *file)
{
RIFF_t wav_riff;
DATA_t wav_data;
int ret;
fd = open(file, O_RDONLY);
if (0 > fd) {
fprintf(stderr, "open error: %s: %s\n", file, strerror(errno));
return -1;
}
/* 读取RIFF chunk */
ret = read(fd, &wav_riff, sizeof(RIFF_t));
if (sizeof(RIFF_t) != ret) {
if (0 > ret)
perror("read error");
else
fprintf(stderr, "check error: %s\n", file);
close(fd);
return -1;
}
if (strncmp("RIFF", wav_riff.ChunkID, 4) ||//校验
strncmp("WAVE", wav_riff.Format, 4)) {
fprintf(stderr, "check error: %s\n", file);
close(fd);
return -1;
}
/* 读取sub-chunk-fmt */
ret = read(fd, &wav_fmt, sizeof(FMT_t));
if (sizeof(FMT_t) != ret) {
if (0 > ret)
perror("read error");
else
fprintf(stderr, "check error: %s\n", file);
close(fd);
return -1;
}
if (strncmp("fmt ", wav_fmt.Subchunk1ID, 4)) {//校验
fprintf(stderr, "check error: %s\n", file);
close(fd);
return -1;
}
/* 打印音频文件的信息 */
printf("<<<<音频文件格式信息>>>>\n\n");
printf(" file name: %s\n", file);
printf(" Subchunk1Size: %u\n", wav_fmt.Subchunk1Size);
printf(" AudioFormat: %u\n", wav_fmt.AudioFormat);
printf(" NumChannels: %u\n", wav_fmt.NumChannels);
printf(" SampleRate: %u\n", wav_fmt.SampleRate);
printf(" ByteRate: %u\n", wav_fmt.ByteRate);
printf(" BlockAlign: %u\n", wav_fmt.BlockAlign);
printf(" BitsPerSample: %u\n\n", wav_fmt.BitsPerSample);
/* sub-chunk-data */
if (0 > lseek(fd, sizeof(RIFF_t) 8 wav_fmt.Subchunk1Size,
SEEK_SET)) {
perror("lseek error");
close(fd);
return -1;
}
while(sizeof(DATA_t) == read(fd, &wav_data, sizeof(DATA_t))) {
/* 找到sub-chunk-data */
if (!strncmp("data", wav_data.Subchunk2ID, 4))//校验
return 0;
if (0 > lseek(fd, wav_data.Subchunk2Size, SEEK_CUR)) {
perror("lseek error");
close(fd);
return -1;
}
}
fprintf(stderr, "check error: %s\n", file);
return -1;
}
/************************************
main主函数
************************************/
int main(int argc, char *argv[])
{
int ret;
if (2 != argc) {
fprintf(stderr, "Usage: %s <audio_file>\n", argv[0]);
exit(EXIT_FAILURE);
}
/* 打开WAV音频文件 */
if (open_wav_file(argv[1]))
exit(EXIT_FAILURE);
/* 初始化PCM Playback设备 */
if (snd_pcm_init())
goto err1;
/* 申请读缓冲区 */
buf = malloc(buf_bytes);
if (NULL == buf) {
perror("malloc error");
goto err2;
}
/* 播放 */
for ( ; ; ) {
memset(buf, 0x00, buf_bytes); //buf清零
ret = read(fd, buf, buf_bytes); //从音频文件中读取数据
if (0 >= ret) // 如果读取出错或文件读取完毕
goto err3;
ret = snd_pcm_writei(pcm, buf, period_size);
if (0 > ret) {
fprintf(stderr, "snd_pcm_writei error: %s\n", snd_strerror(ret));
goto err3;
}
else if (ret < period_size) {//实际写入的帧数小于指定的帧数
//此时我们需要调整下音频文件的读位置
//将读位置向后移动（往回移）(period_size-ret)*frame_bytes个字节
//frame_bytes表示一帧的字节大小
if (0 > lseek(fd, (ret-period_size) * wav_fmt.BlockAlign, SEEK_CUR)) {
perror("lseek error");
goto err3;
}
}
}
err3:
free(buf); //释放内存
err2:
snd_pcm_close(pcm); //关闭pcm设备
err1:
close(fd); //关闭打开的音频文件
exit(EXIT_FAILURE);
}
本应用程序实现可以播放WAV音频文件，关于WAV文件格式的解析，本文档不作说明，WAV文件格式其实非常简单，大家自己百度了解。
在main()函数中，首先对参数进行了校验，执行测试程序需要用户传入一个参数，这个参数用于指定一个需要播放的WAV音频文件。接着调用自定义函数open_wav_file()对WAV文件进行解析，其实也就是对它的头部数据进行校验、解析，获取音频格式信息以及音频数据的位置偏移量。
接着调用自定义函数snd_pcm_init()对PCM设备进行初始化，在snd_pcm_init()函数中，首先调用alsa-lib库函数snd_pcm_open()打开PCM播放设备，接着对PCM设备硬件参数进行设置，包括：访问类型、数据格式、采样率、声道数、周期大小以及buffer的大小，这些内容前面已经给大家详细介绍过，这里不再重述！
回到main()函数，调用C库函数malloc()申请分配一个缓冲区，用于存放从音频文件中读取出来的音频数据。
一切准备好之后，就可以播放音频了，在for循环中，首先调用read()函数从音频文件中读取出音频数据，每次读取一个周期，将读取到的数据存放在buf指向的缓冲区中，接着调用alsa-lib库函数snd_pcm_writei()写入数据进行播放。示例程序中调用snd_pcm_open()时使用的是阻塞方式，当驱动层环形缓冲区buffer还未满时，调用snd_pcm_writei()并不会阻塞，而是会将数据写入到环形缓冲区中、然后返回；调用一次snd_pcm_writei()写入一个周期数据、调用一次再写入一个周期；当环形缓冲区数据满时，调用snd_pcm_writei()会阻塞，直到音频设备播放完一个周期、此时会出现一个空闲周期，接着snd_pcm_writei()将数据填充到这个空闲周期后返回。
以上对示例代码进行了一个简单地介绍，代码本身非常简单，没什么难点，代码中注释信息也已经描述地比较清楚了，相信大家都可以看懂。需要注意，必须要在源码中包含alsa-lib的头文件<alsa/asoundlib.h>！
编译示例代码
接下来编译上述示例代码，编译的方法非常简单，按照以前的惯例，编译时无非是要指定两个路径（alsa-lib头文件所在路径、alsa-lib库文件所在路径）以及链接库（需要链接的库文件名称），譬如：
${CC} -o testApp testApp.c -Ixxx -Lyyy -lzzz
xxx表示头文件的路径，yyy表示库文件的路径，zzz表示链接库。
但是我们并没有自己移植alsa-lib，也就意味着我们在Ubuntu下并没有移植、安装alsa-lib，所以这些路径无法指定。其实，我们使用的交叉编译工具对应的安装目录下已经安装了alsa-lib，进入到交叉编译工具安装目录下的sysroots/cortexa7hf-neon-poky-linux-gnueabi目录，譬如笔者使用的Ubuntu系统，交叉编译工具安装路径为/opt/fsl-imx-x11/4.1.15-2.1.0。
图 29.5.5 cortexa7hf-neon-poky-linux-gnueabi目录下的文件夹
该目录下有两个目录，lib和usr，这两个目录其实就是Linux系统根目录下的lib和usr；所以lib目录下存放了一些链接库文件，usr目录下包含了include和lib目录，分别存放了头文件和链接库文件。usr/include/alsa目录下存放了alsa-lib的头文件，如下所示：
图 29.5.6 alsa-lib的头文件
我们需要包含的头文件asoundlib.h头文件就在该目录下。
usr/lib目录下包含了alsa-lib库文件，如下所示：
图 29.5.7 alsa-lib库文件
alsa-lib链接库libasound.so就在该目录下。那既然找到了alsa-lib的头文件路径和库文件路径，编译应用程序时直接指定这些路径即可。但我们不需要自己手动指定这些路径，交叉编译器已经把这些路径添加到它的搜索路径中了，使用echo ${CC}查看环境变量CC的内容，如下所示：
图 29.5.8 CC环境变量的内容
其中交叉编译器arm-poky-linux-gnueabi-gcc有一个选--sysroot，它指定了一个路径，这个路径就是交叉编译工具安装目录下的sysroots/cortexa7hf-neon-poky-linux-gnueabi目录，--sysroot选项用于设置目标平台的根目录，设置了平台根目录之后，当编译应用程序时，编译器会将根目录下的usr/include添加到头文件搜索路径中、将根目录下的lib和usr/lib添加到库文件搜索路径中。
所以由此可知，编译应用程序时，我们只需指定链接库即可，如下所示：
${CC} -o testApp testApp.c -lasound
图 29.5.9 编译应用程序
测试应用程序
将编译得到的可执行文件拷贝到开发板Linux系统/home/root目录下，并拷贝一个WAV音频文件到/home/root目录下，如下所示：
图 29.5.10 将测试程序和WAV音频文件拷贝到开发板家目录
接着进行测试，在测试之前，我们还需要对声卡混音器进行配置，当然，你也可以不配置，因为开发板出厂系统中声卡是已经配置好的。这里我们直接使用amixer工具进行配置，配置如下：
# 打开耳机播放ZC
amixer sset 'Headphone Playback ZC' on
# 打开喇叭播放ZC
amixer sset 'Speaker Playback ZC' on
amixer sset 'Speaker AC' 3
amixer sset 'Speaker DC' 3
# 音量设置
amixer sset Headphone 105,105 //耳机音量设置
amixer sset Playback 230,230 //播放音量设置
amixer sset Speaker 118,118 //喇叭音量设置
# 打开左右声道
amixer sset 'Right Output Mixer PCM' on //打开右声道
amixer sset 'Left Output Mixer PCM' on //打开左声道
图 29.5.11 声卡设置
由于篇幅有限，打印信息不能给大家全部截取出来。声音的大小，大家根据情况进行调节。
声卡设置完成之后，接着运行测试程序，如下所示：
图 29.5.12 执行测试程序
程序运行之后，对传入的WAV文件进行解析，并将其音频格式信息打印出来。
此时开发板喇叭便会开始播放音乐，如果连接了耳机，则会通过耳机播放音乐。
示例代码值PCM录音本小节我们来编写一个PCM音频录制（录音）的测试程序，示例代码笔者已经给出，如下所示：
本例程源码对应的路径为：开发板光盘->11、Linux C应用编程例程源码->29_alsa-lib->pcm_capture.c。
示例代码 29.5.2 一个简单地PCM录音示例程序
/***************************************************************
Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2021. All rights reserved.
文件名 : pcm_capture.c
作者 : 邓涛
版本 : V1.0
描述 : 一个简单地PCM音频采集示例代码--录音
其他 : 无
论坛 : openedv
日志 : 初版 V1.0 2021/7/20 邓涛创建
***************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <alsa/asoundlib.h>
/************************************
宏定义
************************************/
#define PCM_CAPTURE_DEV "hw:0,0"
/************************************
static静态全局变量定义
************************************/
static snd_pcm_t *pcm = NULL; //pcm句柄
static snd_pcm_uframes_t period_size = 1024; //周期大小（单位: 帧）
static unsigned int periods = 16; //周期数（buffer的大小）
static unsigned int rate = 44100; //采样率
static int snd_pcm_init(void)
{
snd_pcm_hw_params_t *hwparams = NULL;
int ret;
/* 打开PCM设备 */
ret = snd_pcm_open(&pcm, PCM_CAPTURE_DEV, SND_PCM_STREAM_CAPTURE, 0);
if (0 > ret) {
fprintf(stderr, "snd_pcm_open error: %s: %s\n",
PCM_CAPTURE_DEV, snd_strerror(ret));
return -1;
}
/* 实例化hwparams对象 */
snd_pcm_hw_params_malloc(&hwparams);
/* 获取PCM设备当前硬件配置,对hwparams进行初始化 */
ret = snd_pcm_hw_params_any(pcm, hwparams);
if (0 > ret) {
fprintf(stderr, "snd_pcm_hw_params_any error: %s\n", snd_strerror(ret));
goto err2;
}
/**************
设置参数
***************/
/* 设置访问类型: 交错模式 */
ret = snd_pcm_hw_params_set_access(pcm, hwparams, SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED);
if (0 > ret) {
fprintf(stderr, "snd_pcm_hw_params_set_access error: %s\n", snd_strerror(ret));
goto err2;
}
/* 设置数据格式: 有符号16位、小端模式 */
ret = snd_pcm_hw_params_set_format(pcm, hwparams, SND_PCM_FORMAT_S16_LE);
if (0 > ret) {
fprintf(stderr, "snd_pcm_hw_params_set_format error: %s\n", snd_strerror(ret));
goto err2;
}
/* 设置采样率 */
ret = snd_pcm_hw_params_set_rate(pcm, hwparams, rate, 0);
if (0 > ret) {
fprintf(stderr, "snd_pcm_hw_params_set_rate error: %s\n", snd_strerror(ret));
goto err2;
}
/* 设置声道数: 双声道 */
ret = snd_pcm_hw_params_set_channels(pcm, hwparams, 2);
if (0 > ret) {
fprintf(stderr, "snd_pcm_hw_params_set_channels error: %s\n", snd_strerror(ret));
goto err2;
}
/* 设置周期大小: period_size */
ret = snd_pcm_hw_params_set_period_size(pcm, hwparams, period_size, 0);
if (0 > ret) {
fprintf(stderr, "snd_pcm_hw_params_set_period_size error: %s\n", snd_strerror(ret));
goto err2;
}
/* 设置周期数（buffer的大小）: periods */
ret = snd_pcm_hw_params_set_periods(pcm, hwparams, periods, 0);
if (0 > ret) {
fprintf(stderr, "snd_pcm_hw_params_set_periods error: %s\n", snd_strerror(ret));
goto err2;
}
/* 使配置生效 */
ret = snd_pcm_hw_params(pcm, hwparams);
snd_pcm_hw_params_free(hwparams); //释放hwparams对象占用的内存
if (0 > ret) {
fprintf(stderr, "snd_pcm_hw_params error: %s\n", snd_strerror(ret));
goto err1;
}
return 0;
err2:
snd_pcm_hw_params_free(hwparams); //释放内存
err1:
snd_pcm_close(pcm); //关闭pcm设备
return -1;
}
/************************************
main主函数
************************************/
int main(int argc, char *argv[])
{
unsigned char *buf = NULL;
unsigned int buf_bytes;
int fd = -1;
int ret;
if (2 != argc) {
fprintf(stderr, "Usage: %s <output_file>\n", argv[0]);
exit(EXIT_FAILURE);
}
/* 初始化PCM Capture设备 */
if (snd_pcm_init())
exit(EXIT_FAILURE);
/* 申请读缓冲区 */
buf_bytes = period_size * 4; //字节大小 = 周期大小*帧的字节大小 16位双声道
buf = malloc(buf_bytes);
if (NULL == buf) {
perror("malloc error");
goto err1;
}
/* 打开一个新建文件 */
fd = open(argv[1], O_WRONLY | O_CREAT | O_EXCL);
if (0 > fd) {
fprintf(stderr, "open error: %s: %s\n", argv[1], strerror(errno));
goto err2;
}
/* 录音 */
for ( ; ; ) {
//memset(buf, 0x00, buf_bytes); //buf清零
ret = snd_pcm_readi(pcm, buf, period_size);//读取PCM数据 一个周期
if (0 > ret) {
fprintf(stderr, "snd_pcm_readi error: %s\n", snd_strerror(ret));
goto err3;
}
// snd_pcm_readi的返回值ret等于实际读取的帧数 * 4 转为字节数
ret = write(fd, buf, ret * 4); //将读取到的数据写入文件中
if (0 >= ret)
goto err3;
}
err3:
close(fd); //关闭文件
err2:
free(buf); //释放内存
err1:
snd_pcm_close(pcm); //关闭pcm设备
exit(EXIT_FAILURE);
}
在main()函数中，首先对参数进行了校验，执行测试程序需要用户传入一个参数，指定输出文件，因为示例程序中会将录制的音频数据保存到该文件中。
接着调用自定义函数snd_pcm_init()对PCM设备进行初始化，在snd_pcm_init()函数中，首先调用alsa-lib库函数snd_pcm_open()打开PCM录音设备，接着对PCM设备硬件参数进行设置，访问类型设置交错模式SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED、数据格式设置为SND_PCM_FORMAT_S16_LE、采样率设置为44100、双声道、周期大小设置为1024帧、buffer大小设置为16个周期。
回到main()函数，调用C库函数malloc()申请分配一个缓冲区，用于存放从驱动层环形缓冲区buffer读取出来的音频数据。并打开一个新建文件（因为使用了O_CREAT | O_EXCL标志）。
一切准备好之后，就可以进行音频录制了，在for循环中，首先调用alsa-lib库函数snd_pcm_readi()从环形缓冲区中读取音频设备采集到的音频数据，读取出来之后调用write()函数将数据写入到文件中。示例程序中调用snd_pcm_open()时使用的是阻塞方式，当环形缓冲区buffer中有数据可读时，调用snd_pcm_readi()并不会阻塞，而是读取出数据、然后返回；调用一次snd_pcm_readi()读取一个周期、调用一次再读取一个周期；当环形缓冲区为空时，调用snd_pcm_readi()会阻塞，直到音频设备采集到一个周期数据、此时被阻塞snd_pcm_readi()调用被唤醒、读取这一个周期然后返回。
编译示例代码
接下来我们编译示例代码，如下所示：
${CC} -o testApp testApp.c -lasound
图 29.5.13 编译示例代码
测试应用程序
将编译得到的可执行文件拷贝到开发板Linux系统/home/root目录下，在执行测试程序之前，我们需要对声卡进行配置，同样使用amixer工具进行配置，如下：
amixer sset Capture 58,58 //录制音量大小
amixer sset 'ADC PCM' 200,200 //PCM ADC
# 左声道Mixer Boost管理
amixer sset 'Left Input Mixer Boost' off
amixer sset 'Left Boost Mixer LINPUT1' off
amixer sset 'Left Input Boost Mixer LINPUT1' 0
amixer sset 'Left Boost Mixer LINPUT2' off
amixer sset 'Left Input Boost Mixer LINPUT2' 0
amixer sset 'Left Boost Mixer LINPUT3' off
amixer sset 'Left Input Boost Mixer LINPUT3' 0
# 右声道Mixer Boost管理
amixer sset 'Right Input Mixer Boost' on
amixer sset 'Right Boost Mixer RINPUT1' on
amixer sset 'Right Input Boost Mixer RINPUT1' 5
amixer sset 'Right Boost Mixer RINPUT2' on
amixer sset 'Right Input Boost Mixer RINPUT2' 5
amixer sset 'Right Boost Mixer RINPUT3' off
amixer sset 'Right Input Boost Mixer RINPUT3' 0
图 29.5.14 声卡配置（录音）
左右声道的Mixer Boost（混音器增强）为什么要这样去配置？这个与硬件设计有关系，我们就不去解释这个了。具体详情可以参考《I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南》文档中音频驱动章节的内容。
接下来，执行测试程序进行录音，如下所示：
图 29.5.15 录音
执行测试程序之后，就开始录音了，接着我们可以对着底板上的麦（MIC）说话，板载的MIC如下所示：
图 29.5.16 板载麦克风
程序就会把我们说的话录进去；如果想要停止录音、只能终止进程，按Ctrl C终止应用程序；此时在当前目录下会生成cap.wav音频文件，如下所示：
图 29.5.17 生成cap.wav文件
生成的文件是一个纯音频数据的文件，并不是WAV格式的文件，因为这个文件没有头部信息，程序中如果检测到该文件不是WAV格式文件、会直接退出，所以不能直接使用上小节29.5.5的测试程序播放cap.wav文件，这里要注意！当然你可以对上小节的示例代码进行修改，也可直接使用aplay工具播放这段录制的音频，如下：
aplay -f cd cap.wav
图 29.5.18 使用aplay播放录制的音频
如果录制正常，使用aplay播放出来的声音就是我们录制的声音！
LINE_IN测试
除了麦克风之外，开发板底板上还有一个LINE_IN接口，也就是线路输入，如下图所示：
图 29.5.19 LINE_IN接口
上图中左边的是耳机接口、右边的是LINE_IN接口，支持音频输入，我们通过本测试程序对LINE_IN接口进行测试，采集LINE_IN接口输入的音频。测试时我们使用一根3.5mm公对公音频线，一头连接到手机或者电脑、另外一头连接到LINE_IN接口上，然后手机或电脑端播放音乐，那么音频数据就会通过LINE_IN接口输入到开发板被我们的应用程序采集（录制）。
在测试之前，我们需要对声卡进行配置，如下所示：
amixer sset Capture 58,58 //录制音量大小
amixer sset 'ADC PCM' 200,200 //PCM ADC
# 左声道Mixer Boost管理
amixer sset 'Left Input Mixer Boost' off
amixer sset 'Left Boost Mixer LINPUT1' off
amixer sset 'Left Input Boost Mixer LINPUT1' 0
amixer sset 'Left Boost Mixer LINPUT2' on
amixer sset 'Left Input Boost Mixer LINPUT2' 5
amixer sset 'Left Boost Mixer LINPUT3' off
amixer sset 'Left Input Boost Mixer LINPUT3' 0
# 右声道Mixer Boost管理
amixer sset 'Right Input Mixer Boost' on
amixer sset 'Right Boost Mixer RINPUT1' off
amixer sset 'Right Input Boost Mixer RINPUT1' 0
amixer sset 'Right Boost Mixer RINPUT2' off
amixer sset 'Right Input Boost Mixer RINPUT2' 0
amixer sset 'Right Boost Mixer RINPUT3' on
amixer sset 'Right Input Boost Mixer RINPUT3' 5
配置 好之后就可以进行测试了，执行程序之后，手机或电脑端播放音乐，开发板采集从LINE_IN接口输入的音频数据，测试方式跟MIC麦克风一样，大家自己去测试！
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