ALSA PCM 运行状态机与数据路径

1. 对象

snd_card
 └─ snd_pcm
     ├─ playback snd_pcm_str
     └─ capture snd_pcm_str
         └─ snd_pcm_substream
             └─ snd_pcm_runtime

runtime 保存 hw constraints、format/rate/channels、buffer/period、状态、hw_ptr/appl_ptr、wait queue 和 mmap control/status。

2. 设备打开

open("/dev/snd/pcmC0D0p")
 -> snd_open()
 -> registered minor f_ops
 -> snd_pcm_playback_open()
 -> snd_pcm_open()
 -> snd_pcm_open_substream()
 -> runtime allocation
 -> ops->open()
 -> constraint refinement

同一 PCM device 可有多个 substream，但硬件/ASoC link 常只暴露一个。

3. 配置

用户态顺序：

1. HW_REFINE 探测可行参数；
2. HW_PARAMS 确定 access/format/rate/channels/buffer/period；
3. 分配 DMA buffer；
4. 驱动 hw_params 配置 DAI/DMA；
5. SW_PARAMS 设置 start/stop threshold、avail_min、silence；
6. PREPARE 清状态并准备硬件。

ALSA constraint 求交确保 CPU DAI、codec DAI、platform DMA 与 machine policy 都能接受参数。

4. 状态

OPEN -> SETUP -> PREPARED -> RUNNING
                      \       |
                       \      v
                        -> XRUN
RUNNING <-> PAUSED
RUNNING -> DRAINING -> SETUP
SUSPENDED / DISCONNECTED

非法状态 ioctl 返回 EBADFD 等；XRUN 后通常需 prepare 恢复。

5. Playback

userspace write/mmap
 -> appl_ptr advances
 -> START threshold reached / explicit start
 -> trigger(START)
 -> cyclic DMA reads ring buffer -> I2S FIFO
 -> period IRQ/callback
 -> snd_pcm_period_elapsed()
 -> update hw_ptr + wake poll

若 DMA 消费追上 appl_ptr，发生 underrun。

6. Capture

PDM/I2S FIFO -> cyclic DMA writes ring
 -> period callback -> hw_ptr advances
 -> userspace read/mmap consumes -> appl_ptr

若 producer 覆盖未读取数据，发生 overrun。

7. Pointer

驱动 pointer() 返回当前 DMA hardware position（frame）。Core 结合 boundary 处理环绕并校验跳变。错误 pointer、丢 period callback 或 IRQ 延迟均可能造成 XRUN/hw_ptr 异常。

8. mmap

ALSA 映射：

• DMA data buffer；
• status page；
• control page。

用户态直接读写 ring，但必须使用正确内存屏障和同步协议。mmap 减少 syscall/copy，不代表 DMA 一定 cache coherent。

9. 锁

• PCM open mutex；
• runtime stream lock：atomic PCM 使用 spinlock，nonatomic PCM 使用 mutex；
• group/link lock；
• card controls/files 锁；
• ASoC runtime/card mutex。

period callback 多在 DMA tasklet/IRQ 类上下文，不能执行可睡眠操作。

10. 关键文件

• core/pcm.c
• core/pcm_native.c
• core/pcm_lib.c
• core/pcm_memory.c
• core/memalloc.c
• core/pcm_dmaengine.c

11. 观测

cat /proc/asound/cards
cat /proc/asound/pcm
cat /proc/asound/card0/pcm0p/sub0/status
cat /proc/asound/card0/pcm0p/sub0/hw_params
aplay --dump-hw-params -D hw:0,0 /dev/zero