ALSA应用层编程播放音乐

傷城~ 2023-05-31 07:55 13阅读 0赞

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关于ALSA，网上也有介绍，但是我在看的时候看的也是一脸懵逼，不是介绍的不好，是因为我之前对于嵌入式软件这一块实在没什么了解，之前一直学的JAVA，整个体系跟JAVA还是有很大的区别，要学的也完全是我之前没了解过的，所以以下有说错的请及时纠正。

# 功能 #

实现在linux中通过编程.**C**文件播放一个.**wav**格式的音频文件

播放： 将音频文件进行解码(Decode)生成PCM数据, 并将其送入音频设备中播出.

录音： 本程序暂时不涉及录音功能

# ALSA #

关于ALSA我不过多介绍，这篇笔记主要是记录我如何成功播放音乐，主要是怕误导别人，在我看来就是向上提供了接口供我们使用，向下控制了硬件播放音乐，跟JAVA中的JDK提供的接口函数类似，你只管使用就可以了。

*  [Linux ALSA声卡驱动之一：ALSA架构简介][Linux ALSA_ALSA]

还有一个是ALSA的官方的教程好像是，播放音乐整体顺序我也是参考的这篇文章来写的。

*  [ALSA Programming HOWTO][]

## 术语 ##

关于ALSA中有一些术语着实是让我懵逼的一批，有几个术语我到现在还不知道理解的对不对，所以在正式编程之前**一定要先知道**，等自己编程的时候再理解一下。

因为声音是连续模拟量，计算机将它离散化之后用数字表示，就有了以下几个名词术语

*  **样本长度(sample)**：样本是记录音频数据最基本的单位，计算机对每个通道采样量化时数字比特位数，常见的有8位和16位。

> 这个样本长度后面编程时会用到的，按照字面意思理解的话，就是取出来8bit或者16bit的数据做样本；就理解成一个样本就可以，只不过一个样本的大小是8bit或者16bit，或者其他大小。

*  **通道(channel)**：该参数为1表示单声道，2则是立体声。

> 这个术语也好理解，单声道应该就是只有一个左耳机或右出声音，而立体就是左右耳机都出声的意思；每一个通道都有一个样本长度，单声道的数据就是一个样本长度（样本），立体声道的话2个样本长度（样本）。

*  **帧(frame)**：帧记录了一个声音单元，其长度为样本长度与通道数的乘积，一段音频数据就是由苦干帧组成的。

> 帧单位，把所有通道中的数据加在一起叫做一帧，所以单声道：一帧 = 样本长度 \* 1；双声道：一帧 = 样本长度 \* 2

*  **采样率(rate)**：每秒钟采样次数，该次数是针对帧而言，常用的采样率如8KHz的人声，44.1KHz的mp3音乐, 96Khz的蓝光音频。

> 这个在编程时也比较好设置，没什么混淆的，固定的值也就那么几个，一般没有随便乱设置的数值

*  **周期(period)**：音频设备一次处理所需要的桢数，对于音频设备的数据访问以及音频数据的存储，都是以此为单位。

> 一个周期用来存放若干个帧的单元，ALSA函数是以一个周期为单位来读取音频数据的，其实这个周期现在我也没很好的理解到底什么个意思，  
> 是说ALSA向硬件输入数据时，是以时间为周期，在这个时间周期中输入若干个帧呢？  
> 还是说就是一个固定存储空间大小叫做周期，然后这个周期大小的空间放入若干个帧？ 真是让人头大！！！！！！！

*  **缓冲区(buffer)**: 用来存放将要被输入到硬件的数据，我这么理解也不知道对还是不对

> 一个缓冲区一般有两个周期，缓冲区是循环读取的，比如一个缓冲区有两个周期，那么硬件在读取一个缓冲区时便会产生两次中断，当第一个周期的音频数据被取走就准备取第二个周期的音频数据，同时第三个周期的音频数据会填充到第一个音频数据的位置，以此循环

*  **交错模式(interleaved)**：是一种音频数据的记录方式，分为交错模式和非交错模式

> 交错模式与非交错模式只是音频数据存放在缓冲区时的一种方式，  
> 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），再开始桢2的记录。  
> 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。

看到上面的术语真是让人头大，但是不理解这些，等编程的时候也是瞎子摸象–一通乱摸，所以务必要先理解了这些术语，如果实在看不下去这术语，可以编程的时候走到哪一步时再回过来一一对照理解也可以。

# ALSA编程 #

在用户空间使用ALSA需要安装依赖

**alsa-lib：** 用户空间函数库, 封装驱动提供的抽象接口, 通过文件libasound.so提供API给应用程序使用

**alsa-utils：** 实用工具包,通过调用alsa-lib实现播放音频(aplay)、录音(arecord) 等工具

## 安装 ##

ubuntu 安装

$ sudo apt-get update
    $ sudo apt-get install alsa-lib alsa-utils

Arch 安装

$ sudo pacman -Sy alsa-lib alsa-utils glibc

安装好以后需要运行 **aplay -l** 确认当前用户可以使用声卡设备

$ aplay -l

![应用层声卡设备][format_png 1]

如果没有显示图片中的内容，可以切换到**root**用户试一下，或者把当前用户加入到音频组也可以

$ gpasswd -a [user_name] audio
    # 记得注销一下，或者切换用户后再切换回来,通过下面的命令可以查看当前用户是否已经加入audio组
    $ groups [user_name]
    # 再运行查看声卡设备是否有了
    $ aplay -l

## 编程 ##

代码我已经上传到**github**，可自行下载后运行。

*  [GIthub ALSA 源码][GIthub ALSA]

文件分为：

*  Makefile：make 的配置文件
 *  1.wav：音频文件
 *  alsa-myself-rw-wav-file-paly-music.c：C源码文件
 *  const.h：C头文件

在**C**源码文件中我每一步都有注释，使用的函数都可以在参考中的**函数接口文档**中找到。

在源码中我有一些自己的理解，如果觉得我的注释对你起不到辅助作用可以删除。

### buff\_size 和 frame 的关系 ###

在**alsa**中有这么两个函数 **snd\_pcm\_hw\_params\_set\_buffer\_size**函数 和 **snd\_pcm\_writei** 函数，在这之前我对这两个函数的第三个参数就特别混淆，不知道该设置什么，现在我有点明白了

> 首先这两个函数的第三个参数都是传入以 帧 为单位的值，所以根本就是同一个值，第一个函数设置的是每次硬件可以向多大的缓存中拿数据，第二个是应用层向多大的缓存输入多少数据，这里的数据都是 帧，所以我输入的就是你拿的数据，那可不就是一个东西嘛

所以buff\_size大小就无所谓了，通常为 **buffer\_size = period\_size \* periods**

最主要的是第三个参数**frame**如何计算，也特别好计算，就好像 RMB和美元的换算是一个道理

**buffer\_size = RMB**

**frame（帧） = 美元**

钱的是1:7，在计算机中按照字节换算，首先要知道一帧（frame）等于到少字节，才能换算，以下使用**16bit**采样长度换算，如果是其他采样长度换掉采样长度即可。

# 这里除以8 是因为 1字节 = 8bit
    1 帧（frame） = 采样长度 * 通道数 = 16 * 2 / 8 = 4
    # 知道一帧的大小后，就可以计算总共的帧大小了，右移两位相当于除以4
    frames = buffer_size >> 2;

经过计算的**frames** 就是要传入两个函数的第三个参数的值了。

## 使用 ##

我自己是在树莓派4上编译使用的，进入到文件夹后，直接运行 **make** 命令即可在本目录出现可执行文件 **alsa**

$ git clone https://github.com/ywhs/rpi-arm64.git
    $ cd ALSA
    $ make
    # -m 参数的意思音乐文件，-f 是术语中提到的样本长度，-r 是术语中提到的采样率
    $ ./alsa -m 1.wav -f 161 -r 44
    # 161 是 S16_LE 162 是 S16_BE，以此类推，或者直接运行 ./alsa 查看都可以设置什么值
    $ ./alsa
    +++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
    Either 1'st, 2'nd, 3'th or all parameters were missing 1'st : -m [music_filename] 
    		music_filename.wav 
    
    2'nd : -f [format 241bit or 16bit or 32bit] 161 for S16_LE, 162 for S16_BE 241 for S24_LE, 242 for S24_BE 2431 for S24_3LE, 2432 for S24_3BE 321 for S32_LE, 322 for S32_BE 3'th : -r [rate,44 or 88] 
    		44 for 44100hz 
    		82 for 88200hz 
    
    For example: alsa -m 1.wav -f 161 -r 44 
    +++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

一般不报错的话把耳机插入树莓派的耳机插口就可以听到音乐了

# 参考 #

*  [ALSA project C 函数接口文档][ALSA project C]
 *  [Linux音频编程][Linux]

[format_png]: /images/20230531/450740c9f0fe4a9d8cc3bd48734d668f.png
[Linux ALSA_ALSA]: https://blog.csdn.net/droidphone/article/details/6271122
[ALSA Programming HOWTO]: https://users.suse.com/~mana/alsa090_howto.html
[format_png 1]: /images/20230531/c3c0d6d9a87141b293635a3113052c6b.png
[GIthub ALSA]: https://github.com/ywhs/rpi-arm64/tree/master/ALSA
[ALSA project C]: https://www.alsa-project.org/alsa-doc/alsa-lib/
[Linux]: https://www.cnblogs.com/hzl6255/p/8245578.html