Linux 音频驱动实验_linux下声卡调试

一、音频芯片及接口介绍

开发板通过此接口外接了一个 WM8960 音频 DAC 芯片，本章我们就来学习一下如何使能 WM8960 驱动，并且通过 WM8960 芯片来完成音乐播放与录音。

1、WM8960 简介

①、此部分是 WM8960 提供的输入接口，作为立体声音频输入源，一共提供了三路，分别为 LINPUT1/RINPUT1、LINPUT2/RINPUT2、LINPUT3/RINPUT3。麦克风或线路输入就连接到此接口上，这部分是需要硬件工程师重点关心的，因为音频选择从哪一路进入需要在画 PCB 的时候就应该定好。

②、此部分是 WM8960 的输出接口，比如输出给耳机或喇叭，SPK_LP/SPK_LN 用于连接左声道的喇叭，支持 1W 的 8Ω喇叭。SPK_RP/SPK_RN 用于连接右声道的喇叭，同样支持 1W的 8Ω喇叭，最后就是 HP_L/HP_R，用于连接耳机。

③、此部分是数字音频接口，用于和主控制器连接，有 5 根线，用于主控制器和 WM8960之间进行数据“沟通”。主控制器向 WM8960 的 DAC 发送的数据，WM8960 的 ADC 向主控制传递的数据都是通过此音频接口来完成的。这个接口非常重要，是我们驱动开发人员重点关注
的，此接口支持 I2S 格式。此接口 5 根线的作用如下：
ADCDAT：ADC 数据输出引脚，采集到的音频数据转换为数字信号以后通过此引脚传输给主控制器。
ADCLRC：ADC 数据对齐时钟，也就是帧时钟(LRCK)，用于切换左右声道数据，此信号的频率就是采样率。此引脚可以配置为 GPIO 功能，配置为 GPIO 以后 ADC 就会使用 DACLRC引脚作为帧时钟。
DACDAT：DAC 数据输入引脚，主控器通过此引脚将数字信号输入给 WM8960 的 DAC。
DACLRC：DAC 数据对齐时钟，功能和 ADCLRC 一样，都是帧时钟(LRCK)，用于切换左右声道数据，此信号的频率等于采样率。
BCLK：位时钟，用于同步。
MCLK：主时钟，WM8960 工作的时候还需要一路主时钟，此时钟由 I.MX6ULL 提供，MCLK 频率等于采样率的 256 或 384 倍，因此大家在 WM8960 的数据手册里面常看到MCLK=256fs 或 MCLK=384fs。

④、此部分为控制接口，是一个标准的 I2C 接口，WM8960 要想工作必须对其进行配置，这个 I2C 接口就是用于配置 WM8960 的。

2、I2S 总线接口

I2S 接口需要 3 根信号线(如果需要实现收和发，那么就要 4根信号线，收和发分别使用一根信号线)：

SCK：串行时钟信号，也叫做位时钟(BCLK)，音频数据的每一位数据都对应一个 SCK，立体声都是双声道的，因此 SCK=2×采样率×采样位数。比如采样率为 44.1KHz、16 位的立体声音频，那么 SCK=2×44100×16=1411200Hz=1.4112MHz。

WS：字段(声道)选择信号，也叫做 LRCK，也叫做帧时钟，用于切换左右声道数据，WS 为“1”表示正在传输左声道的数据，WS 为“0”表示正在传输右声道的数据。WS 的频率等于采样率，比如采样率为 44.1KHz 的音频，WS=44.1KHz。

SD：串行数据信号，也就是我们实际的音频数据，如果要同时实现放音和录音，那么就需要 2 根数据线，比如 WM8960 的 ADCDAT 和 DACDAT，就是分别用于录音和放音。不管音频数据是多少位的，数据的最高位都是最先传输的。数据的最高位总是出现在一帧开始后(LRCK变化)的第 2 个 SCK 脉冲处。

另外，有时候为了使音频 CODEC 芯片与主控制器之间能够更好的同步，会引入另外一个叫做 MCLK 的信号，也叫做主时钟或系统时钟，一般是采样率的 256 倍或 384 倍。

3、I.MX6ULL SAI 简介

I.MX6ULL 的 SAI 是一个全双工、支持帧同步的串行接口，支持 I2S、AC97、TDM 和音频DSP，SAI 主要特性如下：
①、帧最大为 32 个字。
②、字大小可选择 8bit 或 32bit。
③、每个接收和发送通道拥有 32×32bit 的 FIFO。
④、FIFO 错误以后支持平滑重启。

4、硬件原理图分析

①、SAI 接口一共用到了 6 根数据线，这 6 根数据线用于 I.MX6ULL 与 WM8960 之间的音频数据收发。
②、WM8960 在使用的时候需要进行配置，配置接口为 I2C，连接到了 I.MX6ULL 的 I2C2上。

二、音频驱动使能

NXP 官方已经写好了 WM8960 驱动，因此我们直接配置内核使能 WM8960 驱动即可，按照如下所示步骤使能 WM8960 驱动。

1、修改设备树

WM8960 与 I.MX6ULL 之间有两个通信接口：I2C 和SAI，因此设备树中会涉及到 I2C 和 SAI 两个设备节点。其中 I2C 用于配置 WM8960，SAI 接口用于音频数据传输，我们依次来配置一下这两个接口。

1.1、wm8960 i2c 接口设备树

如果去添加肯定是要看设备树的绑定手册，打开 Documentation/devicetree/bindings/sound/wm8960.txt，此文件仅仅用于描述如何在 I2C 节点下添加 WM8960 相关信息，此文档适用于所有的主控，不局限于 I.MX6ULL。
有 2 个必要的属性：

compatible：兼容属性，属性值要设置为“wlf,wm8960”。所以大家在 linux 内核里面全局搜索“wlf,wm8960”的话就会找到WM8960的I2C驱动文件，此文件为sound/soc/codecs/wm8960.c。

reg：设置 WM8960 的 I2C 地址，在正点原子的 ALPHA 开发板中 WM8960 的 I2C 地址为0X1A。
还要几个其他的可选属性：

wlf,shared-lrclk：这是一个 bool 类型的属性，如果添加了此属性，WM8960 的 R24 寄存器的 LRCM 位(bit2)就会置 1。当 LRCM 为 1 的时候只有当 ADC 和 DAC 全部关闭以后 ADCLRC和 DACLRC 时钟才会关闭。

wlf,capless：这也是一个 bool 类型的属性，如果添加了此属性，OUT3 引脚将会使能，并且为了响应耳机插入响应事件，HP_L 和 HP_R 这两个引脚都会关闭。

打开 imx6ull-alientek-emmc.dts，找到名为“i2c2”的节点，此节点下都是连接到 I2C2 总线上的设备，其中就包括了 wm8960，wm8960 节点信息如下所示：

codec: wm8960@1a {
	compatible = "wlf,wm8960";
	
	reg = <0x1a>;
	clocks = <&clks IMX6UL_CLK_SAI2>;
	clock-names = "mclk";
	wlf,shared-lrclk;
};
1
2
3
4
5
6
7
8

第 4 行指定时钟源为 SAI2，第 5行指定时钟的名字为“mclk”。前面我们说过，为了更好的同步，一般都会额外提供一条 MCLK
时钟。

1.2、I.MX6ULL SAI 音频接口设备树

接下来就是 I.MX6ULL 的 SAI 音频接口设备树相关内容的修改了，同样的，先查阅一下相应的绑定文档：Documentation/devicetree/bindings/sound/fsl-sai.txt。和我们前面讲过的 IIC 接口、ECSPI 等接口一样，在 imx6ull.dtsi 文件中会有关于 SAI 相关接口的描述，这部分是 NXP 原厂编写的，我们不需要做任何修改，SAI2 的设备子节点内容如下所示：

sai2: sai@0202c000 {
	compatible = "fsl,imx6ul-sai",
	"fsl,imx6sx-sai";
	reg = <0x0202c000 0x4000>;
	interrupts = <GIC_SPI 98 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
	clocks = <&clks IMX6UL_CLK_SAI2_IPG>,
	<&clks IMX6UL_CLK_DUMMY>,
	<&clks IMX6UL_CLK_SAI2>,
	<&clks 0>, <&clks 0>;
	clock-names = "bus", "mclk0", "mclk1", "mclk2", "mclk3";
	dma-names = "rx", "tx";
	dmas = <&sdma 37 24 0>, <&sdma 38 24 0>;
	status = "disabled";  
};
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14

向 sai2 节点里面追加或者修改一些属性值。打开 imx6ull-alientek-emmc.dts 文件，找到如下内容：

&sai2 {
	pinctrl-names = "default";
	pinctrl-0 = <&pinctrl_sai2
		&pinctrl_sai2_hp_det_b>;
	assigned-clocks = <&clks IMX6UL_CLK_SAI2_SEL>,
		<&clks IMX6UL_CLK_SAI2>;
	 
	assigned-clock-parents = <&clks IMX6UL_CLK_PLL4_AUDIO_DIV>;
	assigned-clock-rates = <0>, <12288000>;
	status = "okay";
};
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

pinctrl_sai2: sai2grp {
	fsl,pins = <
		MX6UL_PAD_JTAG_TDI__SAI2_TX_BCLK 	0x17088
		MX6UL_PAD_JTAG_TDO__SAI2_TX_SYNC 	0x17088
		MX6UL_PAD_JTAG_TRST_B__SAI2_TX_DATA 0x11088
		MX6UL_PAD_JTAG_TCK__SAI2_RX_DATA 	0x11088
		MX6UL_PAD_JTAG_TMS__SAI2_MCLK	 	0x17088
	>;
};

pinctrl_sai2_hp_det_b: sai2_hp_det_grp {		//耳机插入检测引脚
	fsl,pins = <
		MX6ULL_PAD_SNVS_TAMPER4__GPIO5_IO04 0x17059
	>;
};
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15

1.3、I.MX6ULL sound 节点

最后在根节点“/”下创建一个名为“sound”的子节点，只有一份在 I.MX 系列芯片中使用 WM8962 芯片的 sound 节点绑定文档，路径为：Documentation/devicetree/bindings/sound/imx-audio-wm8962.txt。虽然不是 wm8960的绑定文档，但是我们也可以参考 imx-audio-wm8962.txt。NXP 官方已经针对 EVK 开发板编写了 sound 节点，我们可以在此基础上针对我们所使用的平台来修改出对应的 sound 节点，修改完成以后的 sound 节点内容如下所示：

sound {
	compatible = "fsl,imx6ul-evk-wm8960",
			"fsl,imx-audio-wm8960";
	model = "wm8960-audio";
	cpu-dai = <&sai2>;
	audio-codec = <&codec>;
	asrc-controller = <&asrc>;
	codec-master;
	gpr = <&gpr 4 0x100000 0x100000>;
	/*
	* hp-det = <hp-det-pin hp-det-polarity>;
	* hp-det-pin: JD1 JD2 or JD3
	* hp-det-polarity = 0: hp detect high for headphone
	* hp-det-polarity = 1: hp detect high for speaker
	*/
	hp-det = <3 0>;
	/*hp-det-gpios = <&gpio5 4 0>;
	 mic-det-gpios = <&gpio5 4 0>;*/
	audio-routing =
		"Headphone Jack", "HP_L",
		"Headphone Jack", "HP_R",
		"Ext Spk", "SPK_LP",
		"Ext Spk", "SPK_LN",
		"Ext Spk", "SPK_RP",
		"Ext Spk", "SPK_RN",
		"LINPUT2", "Mic Jack",
		"LINPUT3", "Mic Jack",
		"RINPUT1", "Main MIC",
		"RINPUT2", "Main MIC",
		"Mic Jack", "MICB",
		"Main MIC", "MICB",
		"CPU-Playback", "ASRC-Playback",
		"Playback", "CPU-Playback",
		"ASRC-Capture", "CPU-Capture",
		"CPU-Capture", "Capture";
};
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36

简单看一下 sound 节点中几个重要的属性：

compatible：非常重要，用于匹配相应的驱动文件，有两个属性值，在整个 linux 内核源码中搜索这两个属性值即可找到对应的驱动文件，这里找到的驱动文件为：sound/soc/fsl/imx-wm8960.c。

model：最终用户看到的此声卡名字，这里设置为“wm8960-audio”。

cpu-dai：CPU DAI(Digital Audio Interface)句柄，这里是 sai2 这个节点。

audio-codec：音频解码芯片句柄，也就是 WM8960 芯片，这里为“codec”这个节点。

asrc-controller：asrc 控制器，asrc 全称为 Asynchronous Sample Rate Converters，翻译过来就是异步采样频率转化器。

hp-det：耳机插入检测引脚设置，第一个参数为检测引脚，3 表示 JD3 为检测引脚。第二个参数设置检测电平，设置为 0 的时候，hp 检测到高电平表示耳机插入；设置为 1 的时候，hp 检测到高电平表示是喇叭，也就是耳机拔出了。

audio-routing：音频器件一系列的连接设置，每个条目都是一对字符串，第一个字符串是连接的 sink，第二个是连接的 source(源)。

2、使能内核的 WM8960 驱动

设备树配置完成以后就可以使能内核自带的 WM8960 驱动了，直接通过图形化界面配置即可，输入如下命令打开 linux 内核的图形化配置界面：

make menuconfig
1

2.1、取消 ALSA 模拟 OSS API

-> Device Drivers 
	 -> Sound card support (SOUND [=y]) 
		 -> Advanced Linux Sound Architecture (SND [=y]) 
			-> <> OSS Mixer API //不选择
			-> <> OSS PCM (digital audio) API //不选择
1
2
3
4
5

2.2、使能 I.MX6ULL 的 WM8960 驱动

-> Device Drivers 
	-> Sound card support (SOUND [=y]) 
		-> Advanced Linux Sound Architecture (SND [=y]) 
 			-> ALSA for SoC audio support (SND_SOC [=y]) 
				 -> SoC Audio for Freescale CPUs
					-> <*> Asynchronous Sample Rate Converter (ASRC) module support //选中
					-> <*> SoC Audio support for i.MX boards with wm8960 //选中
1
2
3
4
5
6
7

驱动使能以后重新编译 linux 内核，编译完成以后使用新的 zImage 和.dtb 文件启动，如果

设备树和驱动都使能的话系统启动过程中就会如图 65.5.2.4 所示的 log 信息：

进入系统以后查看一下/dev/snd 目录，看看有没有如图 65.5.2.6 所示文件：

controlC0：用于声卡控制，C0 表示声卡 0。

pcmC0D0c 和 pcmC0D1c：用于录音的 pcm 设备，其中的“COD0”和“C0D1”分别表示声卡 0 中的设备 0 和设备 1，最后面的“c”是 capture 的缩写，表示录音。

pcmC0D0p 和 pcmC0D1p：用于播放的 pcm 设备，其中的“COD0”和“C0D1”分别表示声卡 0 中的设备 0 和设备 1，最后面的“p”是 playback 的缩写，表示放音。

timer：定时器。

音频驱动使能以后还不能直接播放音乐或录音，我们还需要移植 alsa-lib 和 alsa-utils 这两个东西。

2.3、alsa-lib 和 alsa-utils 移植（内容太多略，可自行查找安装方法）

首 选 下 载 alsa-lib 和 alsa-utils 源码，下载地址为： http://www.alsaproject.org/main/index.php/Main_Page。当前最新版本为 1.2.2，如图所示：

2.4 、alsa-lib 移植

注意 alsa-lib 编译过程中会生成一些配置文件，而这些配置信息的路径都是绝对路径，因此为了保证 ubuntu 和开发板根文件系统中的路径一致！我们需要在 ubuntu 和开发板中各创建一个路径和名字完全一样的目录，这里我们都创建一个/usr/share/arm-alsa 目录，ubuntu 中创建命令如下：

cd /usr/share //进入 ubuntu 的/usr/share 目录
sudo mkdir arm-alsa //创建 arm-alsa 目录
1
2

最后在开发板根文件系统中也创建一个/usr/share/arm-alsa 目录，命令如下：

mkdir /usr/share/arm-alsa (空格) -p //开发板根文件系统创建 arm-alsa 目录
1

			.
			.
			.
			.
			.
			.
1
2
3
4
5
6

3、声卡设置与测试

amixer --help //查看 amixer 帮助信息
1

amixer 软件命令分为两组，scontrols、scontents、sset 和 sget 为一一组。controls、contents、cset 和 cget 为另一组。这两组的基本功能都是一样的，只不过“s”开头的是 simple(简单)组，这一组命令是简化版，本教程最终使用“s”开头的命令设置声卡，因为少输入很多字符。

amixer scontrols //查看所有设置项
1

amixer controls //查看所有设置项
1

amixer scontents //查看设置值
1

4、设置声卡

amixer sset 设置项目 设置值
1

或

amixer cset 设置项目 设置值
1

5、获取声卡设置值

amixer sget 设置项目
1

或

amixer cget 设置项目
1

6、音乐播放测试

第一次使用声卡之前一定要先使用 amixer 设置声卡，打开耳机和喇叭，并且设置喇叭和耳机音量，输入如下命令：

amixer sset Headphone 100,100
amixer sset Speaker 120,120
amixer sset 'Right Output Mixer PCM' on
amixer sset 'Left Output Mixer PCM' on
1
2
3
4

使用 aplay 软件播放 wav 格式的音乐测试

aplay test.wav //播放歌曲
1