【音视频|ALSA】基于alsa-lib开发ALSA应用层程序--附带源码

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【音视频|ALSA】ALSA是什么？ALSA框架详细介绍
【音视频|ALSA】SS528开发板编译Linux内核ALSA驱动、移植alsa-lib、采集与播放usb耳机声音

目录

  • 一、ALSA应用层开发基础知识
  • 二、alsa-lib常用函数
  • 三、编写ALSA应用层程序
    • 3.1 alsa播放程序开发--alsa-playback.c
    • 3.2 alsa录制音频程序开发--alsa-capture.c
  • 四、XRUN( underrun和overrun)
  • 五、总结

在这里插入图片描述

一、ALSA应用层开发基础知识

  • sample：样本，采样点。数字音频最小单位，其大小与位宽有关，一般为8bit(1个字节)、16bit(2个字节)；
  • channel：声道，一般单声道(mono)和立体声(stereo)，还有一些多声道如5.1声道。
  • frame：帧，一个完整的声音单元，即单次采样的所有声道的数据。frame=sample*channel；
    例如：48Khz、16位的立体声PCM流的1帧是4个字节。
  • sample rate：采样率，即每秒的采样次数。如果采样率为48kHz，则说明一秒采样48000帧。
  • period size：周期大小，是每次硬件中断之间的帧数。
  • buffer size：缓冲区大小，必须大于一个周期的大小。一般为周期大小的2倍。单位也是帧数。

在这里插入图片描述

例子：
结合上面的知识点，这里以48kHz、16bit的立体声音频流举例：

  • 16bit则每个样本为2个字节，
  • 立体声表示有2个声道，
  • 48kHz 表示每秒有48000个音频帧。

由此可以计算出每秒钟传输的数据大小：2 * 2 * 48000=192000字节；

现在如果ALSA每秒钟产生一个硬件中断，在每秒结束时，我们需要准备好192000字节；
如果它每半秒中断一次，对于同一个流，我们需要在每次中断时准备好192000/2 = 96000字节；
如果每100毫秒发生一次中断，我们需要在每次中断时准备好192000*(0.1/1) = 19200字节。

我们可以通过设置周期大小(以帧为单位)来控制PCM中断的产生时间。
如果我们将48kHz、16bit的立体声音频流的period size设置为4800帧(也就是480022=19200字节)，则每19200字节就会产生一个中断，也就是100ms。
相应地，buffer size至少应为2*period_size = 2*4800= 9600帧(960022 = 38400字节)。

实际编程中，可能需要计算一个周期的总字节数period bytes，就是等于period size乘以每一帧的大小。同样的，buffer的总字节数buffer bytes等于buffer size乘以一帧大小。

如果已知音频的采样率、通道数、位宽、周期数，则buffer size、buffer time、period size、period time 这四个值可以相互推断出来：
以48000Hz采样率、2声道、16bit、4周期来举例，这样的音频流一秒钟的帧数是48000帧，如果buffer size是48000，则buffer time刚好就是一秒；如果buffer time是500ms，则buffer size是24000帧。
而period size=buffer size/周期数；period time=buffer time/周期数

在这里插入图片描述

二、alsa-lib常用函数

alsa-lib的函数声明在pcm.h，总共可以分为16个模块：

  • PCM Interface
  • Stream Information
  • Hardware Parameters
  • Software Parameters
  • Access Mask Functions
  • Format Mask Functions
  • Subformat Mask Functions
  • Status Functions
  • Description Functions
  • Debug Functions
  • Direct Access (MMAP) Functions
  • Helper Functions
  • Hook Extension
  • Scope Plugin Extension
  • Simple setup functions
  • Deprecated Functions

可以在官方文档查看对应的模块函数说明：
https://www.alsa-project.org/alsa-doc/alsa-lib/group___p_c_m.html
在这里插入图片描述

下表介绍一些常用的函数：

函数说明
snd_pcm_open根据pcm设备名字打开一个pcm设备
snd_pcm_hw_params_malloc使用标准malloc分配无效的snd_pcm_hw_params_t
snd_pcm_hw_params_any用PCM的完整配置空间填充参数。
snd_pcm_hw_params_set_access将配置空间限制为仅包含一种访问类型。
snd_pcm_hw_params_set_format将配置空间限制为仅包含一种格式。
snd_pcm_hw_params_set_channels将配置空间限制为仅包含一个通道计数。
snd_pcm_hw_params_set_rate_near将配置空间限制为具有最接近目标的速率。
snd_pcm_hw_params_get_buffer_time_max从配置空间中提取最大缓冲时间。
snd_pcm_stream获取PCM句柄的流
snd_pcm_hw_params_set_buffer_time_near限制配置空间以使缓冲时间最接近目标。
snd_pcm_hw_params_set_period_time_near限制配置空间以使周期时间最接近目标。
snd_pcm_hw_params安装从配置空间中选择的一个PCM硬件配置，并调用snd_pcm_prepare。
snd_pcm_nonblock设置非阻塞模式
snd_pcm_hw_params_get_period_size从配置空间中提取周期大小。
snd_pcm_hw_params_get_buffer_size从配置空间中提取周期大小。
snd_pcm_format_physical_width返回存储PCM样本所需的位。

更多函数说明参考：
https://www.alsa-project.org/alsa-doc/alsa-lib/group___p_c_m___h_w___params.html
https://www.alsa-project.org/alsa-doc/alsa-lib/group___p_c_m.html
在这里插入图片描述

三、编写ALSA应用层程序

这小节介绍简单的ALSA应用程序开发流程，以及给出例子源码。

在编写代码前，可以先使用cat /proc/asound/card0/stream0查看ALSA设备支持的参数：

# cat /proc/asound/card0/stream0 
Rapoo Gaming Headset at usb-10300000.xhci_0-1.1, full speed : USB AudioPlayback:Status: StopInterface 1Altset 1Format: S16_LEChannels: 2Endpoint: 1 OUT (ADAPTIVE)Rates: 48000, 44100Capture:Status: StopInterface 2Altset 1Format: S16_LEChannels: 1Endpoint: 2 IN (ASYNC)Rates: 48000, 44100

Playback：播放设备
Capture：录音设备
Interface：接口序号
Format：格式
Channels：通道数
Rates：支持的采样率

3.1 alsa播放程序开发–alsa-playback.c

开发流程：

  • 1、打开设备：调用 snd_pcm_open，指定类型为SND_PCM_STREAM_PLAYBACK，以及设备名称，打开设备；
  • 2、设置硬件参数
    设置存取方式、格式、通道数、采样率、缓冲时间、周期时间，最后将参数写入设备；
    如果有一些参数不清楚怎么设置，可以使用命令cat /proc/asound/card0/stream0查看支持的参数：
  • 3、播放音频
    每次往alsa驱动写入一个周期大小的字节，不足一周期的要填0；
  • 4、释放资源，关闭设备

下面是一个非常简单的ALSA播放音频的代码，复制后保存为alsa-playback.c，使用命令aarch64-mix210-linux-gcc alsa-playback.c -I /usr/lib/alsa-lib-1.2.10/include/ -L /usr/lib/alsa-lib-1.2.10/lib/ -l asound -lpthread -ldl -lm -o alsa-playback 已编译通过。

48000Hz-16bit-2ch-ChengDu.pcm 文件下载：https://download.csdn.net/download/wkd_007/88421282

// alsa-playback.c
// aarch64-mix210-linux-gcc alsa-playback.c -I /usr/lib/alsa-lib-1.2.10/include/ -L /usr/lib/alsa-lib-1.2.10/lib/ -l asound -lpthread -ldl -lm -o alsa-playback/*
* snd_pcm_hw_params_alloca 申请的内存在函数返回后会自动释放，不需要手动释放。这个函数会在栈上分配一块内存，函数返回后，栈上的内存会自动被回收。
*/
#include <stdio.h>
#include <alsa/asoundlib.h>#define PCM_NAME	"hw:0,0"
#define PLAYBACK_FILE "48000Hz-16bit-2ch-ChengDu.pcm"snd_pcm_hw_params_t *hw_params;
static unsigned int rate = 48000;           /* stream rate */int set_hw_params(snd_pcm_t *handle, int format, int channels, snd_pcm_uframes_t *period_frames)
{int err = -1;// 分配硬件参数空间,调用 alloca 在栈分配内存，函数结束后自动释放，不需要调用 snd_pcm_hw_params_freesnd_pcm_hw_params_alloca(&hw_params);//1、以默认值填充硬件参数if ((err = snd_pcm_hw_params_any(handle, hw_params)) < 0) {return err;}//2、 Restrict a configuration space to contain only real hardware rates.if ((err = snd_pcm_hw_params_set_rate_resample(handle, hw_params, 0)) < 0) {return err;}//3、设置存取方式为交叉存储if ((err = snd_pcm_hw_params_set_access(handle, hw_params, SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED)) < 0) {return err;}//4、设置格式，S16_LE等if ((err = snd_pcm_hw_params_set_format(handle, hw_params, format)) < 0) {return err;}//5、设置通道if ((err = snd_pcm_hw_params_set_channels(handle, hw_params, channels)) < 0) {return err;}//6、大致设置采样率unsigned int rrate;rrate =rate;if ((err = snd_pcm_hw_params_set_rate_near(handle, hw_params, &rrate, NULL)) < 0) 	   {return err;}//7、设置缓冲时间unsigned int buffer_time, period_time;// 先获取缓存时间if((err = snd_pcm_hw_params_get_buffer_time_max(hw_params, &buffer_time, 0))<0){return err;}if (buffer_time > 500000){buffer_time = 500000; // 500ms读取完整个buffer，结合下面代码一个周期就是 buffer_time/4=125ms，每个周期会产生一个中断printf("[%s %d] buffer_time=%d, irq=%d\n",__FILE__,__LINE__,buffer_time, buffer_time/4);}// 设置缓冲时间if ((err = snd_pcm_hw_params_set_buffer_time_near(handle, hw_params, &buffer_time, 0)) < 0) {return err;}// 8、设置周期时间，也就是中断时间period_time = buffer_time / 4;if ((err = snd_pcm_hw_params_set_period_time_near(handle, hw_params, &period_time, 0)) < 0) {return err;}// 9、将参数写入设备if ((err = snd_pcm_hw_params(handle, hw_params)) < 0){return err;}snd_pcm_uframes_t buffer_frames;snd_pcm_hw_params_get_buffer_size(hw_params, &buffer_frames);if(period_frames != NULL) {//获取一个周期有多少帧数据if((err =snd_pcm_hw_params_get_period_size(hw_params, period_frames, 0)) < 0){printf("cannot get period size (%s)\n", snd_strerror(err));return err;}}if(err = (snd_pcm_nonblock(handle, 1) < 0)){return err;}// 10、释放 snd_pcm_hw_params_malloc 分配的内存//snd_pcm_hw_params_free(hw_params);return 0;
}int main()
{int err = -1;snd_pcm_t *playback_handle;snd_pcm_uframes_t period_frames; // 一周期的帧数// 1、打开设备if((err = snd_pcm_open(&playback_handle, PCM_NAME, SND_PCM_STREAM_PLAYBACK, 0)) < 0) {printf("cannot snd_pcm_open (%s)\n",snd_strerror(err));return -1;}// 2、设置硬件参数set_hw_params(playback_handle, SND_PCM_FORMAT_S16_LE, 2, &period_frames);// 3、播放音频// 3.1 打开pcm文件int fd = open(PLAYBACK_FILE,O_RDONLY,0644);if(fd < 0){printf("open %s error!!!\n",PLAYBACK_FILE);return -1;}// 3.2 获取一周期的字节数const int period_bytes = snd_pcm_frames_to_bytes(playback_handle,period_frames);char *playback_buf = malloc(period_bytes);// 3.3 循环播放音频int readframes = 0;while(readframes = read(fd, playback_buf, period_bytes)) {//解决最后一个周期数据问题if(readframes < period_bytes) {memset(playback_buf+readframes, 0, period_bytes-readframes);}//向PCM写入数据，播放err = snd_pcm_writei(playback_handle, playback_buf, period_frames);if(err == -EPIPE) {snd_pcm_prepare(playback_handle);fprintf(stderr, "<<< snd_pcm_writei --> Buffer Underrun >>> \n");err = snd_pcm_writei(playback_handle, playback_buf, period_frames);if(err != period_frames) {printf("write to audio interface failede err:%d (period_frames:%d)\n",err,period_frames);break;}}else if(err != period_frames) {printf("write to audio interface failede err:%d (period_frames:%d)\n",err,period_frames);break;}//printf("process:playback wrote %d frames\n",period_frames);//usleep(100*1000);usleep(130*1000); //测试用，超过 125ms，会报错 Underrun}// 4.释放资源，关闭设备free(playback_buf);close(fd);snd_pcm_close(playback_handle);return 0;
}

3.2 alsa录制音频程序开发–alsa-capture.c

开发流程：

  • 1、打开设备：调用 snd_pcm_open，指定类型为SND_PCM_STREAM_CAPTURE，以及设备名称，打开设备；
  • 2、设置硬件参数
    设置存取方式、格式、通道数、采样率、缓冲时间、周期时间，最后将参数写入设备；
    如果有一些参数不清楚怎么设置，可以使用命令cat /proc/asound/card0/stream0查看支持的参数：
  • 3、读取音频
    每次从alsa驱动读取一个周期大小的字节；
  • 4、释放资源，关闭设备
// alsa-capture.c
// aarch64-mix210-linux-gcc alsa-capture.c -I /usr/lib/alsa-lib-1.2.10/include/ -L /usr/lib/alsa-lib-1.2.10/lib/ -l asound -lpthread -ldl -lm -o alsa-capture/*
* snd_pcm_hw_params_alloca 申请的内存在函数返回后会自动释放，不需要手动释放。这个函数会在栈上分配一块内存，函数返回后，栈上的内存会自动被回收。
*/
#include <stdio.h>
#include <alsa/asoundlib.h>#define PCM_NAME	"hw:0,0"
#define CAPTURE_FILE "alsa-capture.pcm"snd_pcm_hw_params_t *hw_params;
static unsigned int rate = 48000;           /* stream rate */int set_hw_params(snd_pcm_t *handle, int format, int channels, snd_pcm_uframes_t *period_frames)
{int err = -1;// 分配硬件参数空间,调用 alloca 在栈分配内存，函数结束后自动释放，不需要调用 snd_pcm_hw_params_freesnd_pcm_hw_params_alloca(&hw_params);//1、以默认值填充硬件参数if ((err = snd_pcm_hw_params_any(handle, hw_params)) < 0) {return err;}//2、 Restrict a configuration space to contain only real hardware rates.if ((err = snd_pcm_hw_params_set_rate_resample(handle, hw_params, 0)) < 0) {return err;}//3、设置存取方式为交叉存储if ((err = snd_pcm_hw_params_set_access(handle, hw_params, SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED)) < 0) {return err;}//4、设置格式，S16_LE等if ((err = snd_pcm_hw_params_set_format(handle, hw_params, format)) < 0) {return err;}//5、设置通道if ((err = snd_pcm_hw_params_set_channels(handle, hw_params, channels)) < 0) {return err;}//6、大致设置采样率unsigned int rrate;rrate =rate;if ((err = snd_pcm_hw_params_set_rate_near(handle, hw_params, &rrate, NULL)) < 0) 	   {return err;}//7、设置缓冲时间unsigned int buffer_time, period_time;// 先获取缓存时间if((err = snd_pcm_hw_params_get_buffer_time_max(hw_params, &buffer_time, 0))<0){return err;}if (buffer_time > 500000){buffer_time = 500000; // 500ms写完整个buffer，结合下面代码一个周期就是 buffer_time/4=125ms，每个周期会产生一个中断printf("[%s %d] buffer_time=%d, irq=%d\n",__FILE__,__LINE__,buffer_time, buffer_time/4);}// 设置缓冲时间if ((err = snd_pcm_hw_params_set_buffer_time_near(handle, hw_params, &buffer_time, 0)) < 0) {return err;}// 8、设置周期时间，也就是中断时间period_time = buffer_time / 4;if ((err = snd_pcm_hw_params_set_period_time_near(handle, hw_params, &period_time, 0)) < 0) {return err;}// 9、将参数写入设备if ((err = snd_pcm_hw_params(handle, hw_params)) < 0){return err;}snd_pcm_uframes_t buffer_frames;snd_pcm_hw_params_get_buffer_size(hw_params, &buffer_frames);if(period_frames != NULL) {//获取一个周期有多少帧数据if((err =snd_pcm_hw_params_get_period_size(hw_params, period_frames, 0)) < 0){printf("cannot get period size (%s)\n", snd_strerror(err));return err;}}if(err = (snd_pcm_nonblock(handle, 1) < 0)){return err;}// 10、释放 snd_pcm_hw_params_malloc 分配的内存//snd_pcm_hw_params_free(hw_params);return 0;
}int main()
{int err = -1;snd_pcm_t *capture_handle;snd_pcm_uframes_t period_frames; // 一周期的帧数// 1、打开设备if((err = snd_pcm_open(&capture_handle, PCM_NAME, SND_PCM_STREAM_CAPTURE, 0)) < 0) {printf("cannot snd_pcm_open (%s)\n",snd_strerror(err));return -1;}// 2、设置硬件参数set_hw_params(capture_handle, SND_PCM_FORMAT_S16_LE, 1, &period_frames);// 3、获取音频// 3.1 打开录制文件int fd = open(CAPTURE_FILE,O_RDWR | O_TRUNC | O_CREAT,0644);if(fd < 0){printf("open %s error!!!\n",CAPTURE_FILE);return -1;}// 3.2 获取一周期的字节数const int period_bytes = snd_pcm_frames_to_bytes(capture_handle,period_frames);char *capture_buf = malloc(period_bytes);int count = 100; // 捕获100个周期int readframes = 0;while(count--) {//向PCM读一周期数据memset(capture_buf,0,period_bytes);if((readframes = snd_pcm_readi(capture_handle, capture_buf, period_frames)) < 0) {if(readframes == -EPIPE)printf("read from audio interface failed (%d), overrun, Need to read faster\n",readframes);elseprintf("read from audio interface failed (%d)\n",readframes);break;}printf("--process:capture read %d frames\n",readframes);write(fd,capture_buf,snd_pcm_frames_to_bytes(capture_handle,readframes));usleep(100*1000); //usleep(130*1000); //测试用，超过 125ms，会报错 overrun}// 4、释放资源，关闭设备free(capture_buf);close(fd);snd_pcm_close(capture_handle);return 0;
}

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四、XRUN( underrun和overrun)

在 ALSA 数据传输中，最容易出现的错误是 underrun 和 overrun。

  • underrun：pcm 播放的时候，接口 snd_pcm_writei 返回 -EPIPE，为 underrun（不足）
    出现这问题原因是应用准备的音频数据不够，比如，驱动需要播放需要 1026 帧数据，但应用只准备好了 1024 帧。可以根据采样率和buffer size、period size去调整；
  • overrun：录制音频的时候， 接口 snd_pcm_readi 返回 -EPIPE， 为 overrun（超载）
    alsa驱动一直往buffer里面写，但应用程序却读取的很慢，例如：驱动写了1026帧，而应用层只读取了1024帧。需要加快读取速度。或者调整buffer size、period size。

在这里插入图片描述

五、总结

文章介绍了alsa的基础知识，以及基于alsa-lib开发ALSA应用层程序的开发流程和alsa开发过程钟常见的报错，提供了简单的alsa应用层代码。

参考资料：
ALSA官网资料——FramesPeriods：https://alsa-project.org/main/index.php/FramesPeriods
【Linux&音频】Alsa音频编程【精华】：https://blog.csdn.net/u012183924/article/details/53407668
ALSA 音频数据传输 underrun 和 overrun：https://blog.csdn.net/qq_38350702/article/details/111995039
Linux应用开发【第八章】ALSA应用开发：https://blog.csdn.net/thisway_diy/article/details/121809633

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通讯协议之路主要分为两部分&#xff0c;第一部分从理论上面讲解各类协议的通讯原理以及通讯格式&#xff0c;第二部分从具体运用上讲解各类通讯协议的具体应用方法。 后续文章会同时发表在个人博客(jason1016.club)、CSDN&#xff1b;视频会发布在bilibili(UID:399951374) 一、…
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【Django 01】环境搭配与项目配置

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1. 介绍 https://github.com/Joe-2002/sweettalk-django4.2#readme Django 是一个使用 Python 编写的开源 Web 应用程序框架&#xff0c;它提供了一套用于快速开发安全、 可扩展和高效的 Web 应用程序的工具和功能。Django 基于 MVC&#xff08;Model-View-Controller&#xf…
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Windows11家庭版没有本地组策略编辑器解决

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1. 新建一个文本文件将下面代码粘到里面&#xff0c;保存后修改后缀为.cmd或者.bat echo off pushd "%~dp0"dir /b C:\Windows\servicing\Packages\Microsoft-Windows-GroupPolicy-ClientExtensions-Package~3*.mum >List.txt dir /b C:\Windows\servicing\Packa…
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redis（普通连接和连接池、字符串类型、hash类型、列表类型）

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1 redis普通连接和连接池 1.1 普通连接 1.2 连接池 2 redis字符串类型 3 redis hash类型 4 redis列表类型 1 redis普通连接和连接池 #1 python 代码作为客户端---》连接# 2 安装模块&#xff1a;pip install redis1.1 普通连接 from redis import Redisconn Redis(host&qu…
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Selenium浏览器自动化怎么上传文件

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Selenium 封装了现成的文件上传操作。但是随着现代前端框架的发展&#xff0c;文件上传的方式越来越多样。而有一些文件上传的控件&#xff0c;要做自动化控制会更复杂一些&#xff0c;这篇文章主要讨论在复杂情况下&#xff0c;如何通过自动化完成文件上传。 1. input 元素上传…
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