Linux下音頻編程

其實 Linux 下的聲音裝置編程比大多數人想象的要簡單得多。一般說來，我們常用的聲音裝置是內部擴音器和音效卡，它們都對應 /dev 目錄下的一個或多個裝置檔案，我們象開啟普通檔案一樣開啟它們，用 ioctl（）函數設定一些參數，然後對這些開啟的特殊檔案進寫操作。
　　由於這些檔案不是普通的檔案，所以我們不能用 ANSI C（標準C）的 fopen、fclose 等來操作檔案，而應該使用系統檔案 I/O 處理函數（open、read、write、lseek 和 close）來處理這些裝置檔案。ioctl（）或許是 Linux 下最龐雜的函數，它可以控制各種檔案的屬性，在 Linux 聲音裝置編程中，最重要的就是使用此函數正確設定必要的參數。
　　下面我們舉兩個實際的例子來說明如何? Linux 下的聲音編程。由於此類編程涉及到系統裝置的讀寫，所以，很多時候需要你有 root 許可權，如果你將下面的例子編譯後不能正確執行，那麼，首先請你檢查是否是因為沒有操縱某個裝置的許可權。

1. 對內部擴音器編程
　　內部擴音器是控制台的一部分，所以它對應的裝置檔案為 /dev/console。變數 KIOCSOUND 在標頭檔 /usr /include /linux /kd.h 中聲明，ioctl 函數使用它可以來控制擴音器的發聲，使用規則為：
　　ioctl ( fd, KIOCSOUND, (int) tone);
　　fd 為檔案裝置號，tone 是音頻值。當 tone 為 0 時，終止發聲。必須一提的是它所理解的音頻和我們平常以為的音頻是不同的，由於電腦主板定時器的時鐘頻率為 1.19MHZ，所以要進行正確的發聲，必須進行如下的轉換：
　　擴音器音頻值 = 1190000/ 我們期望的音頻值。
　　擴音器發聲時間的長短我們通過函數 usleep（unsigned long usec）來控制。它是在標頭檔 /usr /include /unistd.h 中定義的，讓程式睡眠 usec 微秒。下面即是讓擴音器按指定的長度和音頻發聲的程式的完整清單：

#include < fcntl.h >
#include < stdio.h >
#include < stdlib.h >
#include < string.h >
#include < unistd.h >
#include < sys/ioctl.h >
#include < sys/types.h >
#include < linux/kd.h >

/* 設定預設值 */
#define DEFAULT_FREQ 440 /* 設定一個合適的頻率 */
#define DEFAULT_LENGTH 200 /* 200 微秒，發聲的長度是以微秒為單位的*/
#define DEFAULT_REPS 1 /* 預設不重複發聲 */
#define DEFAULT_DELAY 100 /* 同樣以微秒為單位*/

/* 定義一個結構，儲存所需的資料*/
typedef struct {
int freq; /* 我們期望輸出的頻率，單位為Hz */
int length; /* 發聲長度，以微秒為單位*/
int reps; /* 重複的次數*/
int delay; /* 兩次發聲間隔，以微秒為單位*/
} beep_parms_t;

/* 列印協助資訊並退出*/
void usage_bail ( const char *executable_name ) {
printf ( "Usage: /n /t%s [-f frequency] [-l length] [-r reps] [-d delay] /n ",
executable_name );
exit(1);
}

/ * 分析運行參數，各項意義如下：
* "-f <以 HZ 為單位的頻率值 >"
* "-l <以毫秒為單位的發聲時間長度 >"
* "-r <重複次數 >"
* "-d <以毫秒為單位的間歇時間長度 >"
*/
void parse_command_line(char **argv, beep_parms_t *result) {
char *arg0 = *(argv++);
while ( *argv ) {
if ( !strcmp( *argv,"-f" )) { /*頻率*/
int freq = atoi ( *( ++argv ) );
if ( ( freq <= 0 ) | | ( freq > 10000 ) ) {
fprintf ( stderr, "Bad parameter: frequency must be from 1..10000/n" );
exit (1) ;
} else {
result->freq = freq;
argv++;
}
} else if ( ! strcmp ( *argv, "-l" ) ) { /*時間長度*/
int length = atoi ( *(++argv ) );
if (length < 0) {
fprintf(stderr, "Bad parameter: length must be >= 0/n");
exit(1);
} else {
result->length = length;
argv++;
}
} else if (!strcmp(*argv, "-r")) { /*重複次數*/
int reps = atoi(*(++argv));
if (reps < 0) {
fprintf(stderr, "Bad parameter: reps must be >= 0/n");
exit(1);
} else {
result->reps = reps;
argv++;
}
} else if (!strcmp(*argv, "-d")) { /* 延時 */
int delay = atoi(*(++argv));
if (delay < 0) {
fprintf(stderr, "Bad parameter: delay must be >= 0/n");
exit(1);
} else {
result->delay = delay;
argv++;
}
} else {
fprintf(stderr, "Bad parameter: %s/n", *argv);
usage_bail(arg0);
}
}
}

int main(int argc, char **argv) {
int console_fd;
int i; /* 迴圈計數器 */
/* 設發聲參數為預設值*/
beep_parms_t parms = {DEFAULT_FREQ, DEFAULT_LENGTH, DEFAULT_REPS,
DEFAULT_DELAY};
/* 分析參數，可能的話更新發聲參數*/
parse_command_line(argv, &parms);

/* 開啟控制台，失敗則結束程式*/
if ( ( console_fd = open ( "/dev/console", O_WRONLY ) ) == -1 ) {
fprintf(stderr, "Failed to open console./n");
perror("open");
exit(1);
}

/* 真正開始讓擴音器發聲*/
for (i = 0; i < parms.reps; i++) {
/* 數字 1190000 從何而來，不得而知*/
int magical_fairy_number = 1190000/parms.freq;

ioctl(console_fd, KIOCSOUND, magical_fairy_number); /* 開始發聲 */
usleep(1000*parms.length); /*等待... */
ioctl(console_fd, KIOCSOUND, 0); /* 停止發聲*/
usleep(1000*parms.delay); /* 等待... */
} /* 重複播放*/
return EXIT_SUCCESS;
}
　　將上面的例子稍作擴充，使用者即可以讓擴音器唱歌。只要找到五線譜或簡譜的音階、音長、節拍和頻率、發聲時間長度、間隔的對應關係就可以了。我現在還記得以前在 DOS 下編寫出《世上只有媽媽好》時的興奮。最後，說一些提外話，這其實是一個很簡單的程式，但是我們卻用了很長的篇幅，希望讀者從以上的代碼裡能體會到寫好的程式的一些方法，或許最重要的是添加註釋吧。一個程式的注釋永遠不會嫌多，即便你寫的時候覺得它根本是多餘，但相信我，相信曾這樣告訴我們的許多優秀的程式員：養成寫很多注釋的習慣。

2. 對音效卡編程
　　只要我們不是進行諸如驅動裝置開發之類的工作，對音效卡的編程和上面對擴音器的編程沒有什麼本質的區別。當你試圖來編寫諸如 CD 播放器、MP3 播放器之類的複雜的程式時，你的工作是取獲得與CDROM 控制、MP3 解碼之類的資訊，而讀寫系統裝置的這一步在 Linux 下超互想象的簡單。例如，Linux下最簡單的播放 wav 的程式只有一行：cp $< >/dev/audio。將它寫成一個 shell 檔案，同樣是一個程式（shell 編程）。
　　我們首先需要知道一台機器上是否有音效卡，一個檢查的辦法是檢查檔案 /dev/sndstat 檔案，如果開啟此檔案錯誤，並且錯誤號碼是ENODEV，則說明此機器沒有安裝音效卡。除此之外，試著去開啟檔案 /dev/dsp 也可以來檢查是否安裝了音效卡。
　　Linux 下和音效卡相關的檔案有許多，如採集數字樣本的 /dev/dsp檔案，針對混音器的 /dev/mixer 檔案以及用於音序器的 /dev/sequencer 等。檔案 /dev/audio 是一個基於相容性考慮的聲音裝置檔案，它實際是到上述數字裝置的一個映射，它最大的特色或許是對諸如 wav 這類檔案格式的直接支援。我們下面的例子即使用了此裝置檔案實現了一個簡單的錄音機：我們從音效卡裝置（當然要用麥克風）讀取音頻資料，並將它存放到檔案 test.wav 中去。要播放這個 wav 檔案，只要如前面所述，使用命令 cp test.wav >/dev/audio 即可，當然你也可以用 Linux 下其他的多媒體軟體來播放這個檔案。
下面即是完整的程式清單：

/* 此檔案中定義了下面所有形如 SND_ 的變數*/
#include <sys/soundcard.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h

main()
{
/* id：讀取音頻檔案描述符；fd：寫入的檔案描述符。i，j為臨時變數*/
int id,fd,i,j;
/* 儲存音頻資料的緩衝區，可以調整*/
char testbuf[4096];
/* 開啟音效卡裝置，失敗則退出*/
if ( ( id = open ( "/dev/audio", O_RDWR ) ) < 0 ) {
fprintf (stderr, " Can't open sound device!/n");
exit ( -1 ) ;
}
/* 開啟輸出檔案，失敗則退出*/
if ( ( fd = open ("test.wav",O_RDWR))<0){
fprintf ( stderr, " Can't open output file!/n");
exit (-1 );
}
/* 設定適當的參數，使得聲音裝置工作正常*/
/* 詳細情況請參考Linux關於音效卡編程的文檔*/
i=0;
ioctl (id,SNDCTL_DSP_RESET,(char *)&i) ;
ioctl (id,SNDCTL_DSP_SYNC,(char *)&i);
i=1;
ioctl (id,SNDCTL_DSP_NONBLOCK,(char *)&i);
i=8000;
ioctl (id,SNDCTL_DSP_SPEED,(char *)&i);
i=1;
ioctl (id,SNDCTL_DSP_CHANNELS,(char *)&i);
i=8;
ioctl (id,SNDCTL_DSP_SETFMT,(char *)&i);
i=3;
ioctl (id,SNDCTL_DSP_SETTRIGGER,(char *)&i);
i=3;
ioctl (id,SNDCTL_DSP_SETFRAGMENT,(char *)&i);
i=1;
ioctl (id,SNDCTL_DSP_PROFILE,(char *)&i);
/* 讀取一定數量的音頻資料，並將之寫到輸出檔案中去*/
for ( j=0; j<10;){
i=read(id,testbuf,4096);
if(i>0){
write(fd,filebuf,i);
j++;
}
}
/* 關閉輸入、輸出檔案*/
close(fd);
close(id);
}