qemu声卡模拟原理-声音播放(pa+ac97)

连载目录
1.qemu声卡模拟
2.qemu声卡模拟原理-声卡初始化(pa+ac97)
3.qemu声卡模拟原理-声音播放(pa+ac97)

PCM数据

PCM数据格式这里抛砖引玉贴一点别人写的： PCM数据格式介绍更多详细的解释请参考度娘

PCM全称Pulse-Code Modulation，翻译一下是脉冲调制编码。
其实大可以不用关心英文释义，之所以这么命名是因为一些历史原因。
在音视频中，PCM是一种用数字表示采样模拟信号的方法。
要将一段音频模拟信号转换为数字表示，包含如下三个步骤：

Sampling(采样)
Quantization(量化)
Coding(编码)

#### PCM数据常用量化指标

采样率(Sample rate)：每秒钟采样多少次，以Hz为单位。

位深度(Bit-depth)：表示用多少个二进制位来描述采样数据，一般为16bit。

字节序：表示音频PCM数据存储的字节序是大端存储（big-endian）还是小端存储（little-endian），为了数据处理效率的高效，通常为小端存储。

声道数（channel number）：当前PCM文件中包含的声道数，是单声道（mono）、双声道（stereo）？此外还有5.1声道等。

采样数据是否有符号（Sign）：要表达的就是字面上的意思，需要注意的是，使用有符号的采样数据不能用无符号的方式播放。

以FFmpeg中常见的PCM数据格式s16le为例：它描述的是有符号16位小端PCM数据。

s表示有符号，16表示位深，le表示小端存储。

PCM采样到编码的过程如下：

qemu播放声音这个部分其实就是围绕PCM数据的转换和播放完成的。

之前声卡初始化说道了SWVoiceOut、HWVoiceOut两个结构体，在讲解声音播放之前有必要先介绍一下这两个对象。

QEMUSoundCard：建模一个给定的模拟的声卡
SWVoiceOut：建模一个来自 QEMUSoundCard 的音频输出
HWVoiceOut：建模一个主机端的音频输出（后端）

虚拟声卡的启动

虚拟声卡由虚拟机内部通过设备驱动启动，主要流程如下：

ac97.c:nabm_write->ac97.c:nabm_writeb->ac97.c:voice_set_active->audio.c:AUD_set_active_out->audio.c:audio_reset_timer

最后audio_reset_timer将启动一个定时器，不停的处理虚拟机发送出来的声音

虚拟声卡数据处理流程

声卡处理声音数据从定时器调用这里开始，主要流程如下：

audio.c:audio_timer->audio.c:audio_run->audio.c:audio_run_out->audio.c:sw->callback.fnac97.c:po_callback->ac97.c:transfer_audio->ac97.c:write_audio->ac97.c:pci_dma_read->audio.c:AUD_write->audio.c:audio_pcm_sw_write->audio.c:st_rate_flow_mixrate_template.h:NAMEaudio.c:audio_pcm_hw_run_outaudio.c:hw->pcm_ops->put_buffer_outac97.c:qpa_get_buffer_outac97.c:qpa_put_buffer_out

以上就是一次完整的声音处理流程，最先是定时器发起处理一次声音，从虚拟机内部读取音频数据，然后交给后端处理。下面详细看一下整个过程。

从虚拟机内部读取音频数据

ac97.c:po_callback到ac97.c:write_audio开始读取虚拟机内部的数据，首先判断虚拟机是否有音频数据，picb为需要读取的数据量,picb由驱动写入，具体逻辑请自行参考ac97芯片手册。然后做数据转换和音量调整

在后面通过一个循环不停的读取并转换数据，直到虚拟机内部的音频数据全部读取出来。pci_dma_read实际上就是根据地址从guest的内存中读取数据，AUD_write完成数据的转换，下面将详细描述数据转换流程。

转换音频数据

音频数据转换首先从audio_pcm_sw_write函数开始，先通过虚拟设备注册的sw->conv做初步转换。

sw的conv函数在audio_template.h中注册的

最后sw->conv = mixeng_conv[1][1][0][1] = conv_natural_int16_t_to_stereo

conv_natural_int16_t_to_stereo在mixeng_template.h中定义实现

这里的音频转换主要是完成PCM格式的转换，比如有些声卡使用浮点格式，有些使用整形格式，最后转换到一个统一的格式处理。具体转换逻辑不做详细分析，请参考芯片手册。

我们来看下音量大小控制，这个逻辑比较通用也比较简单

这里直接将音量大小乘以PCM音频数据便完成了音量的转换。

最后st_rate_flow_mix函数完成PCM的码率转换，源码在rate_template.h中。具体的算法就不详细分析了，比较简单。

播放音频数据

音频数据转换完成后回到audio_run_out函数后面的audio_pcm_hw_run_out开始正真的播放音频数据。

最后通过pa的音频api pa_stream_write播放声音。