Programmation audio sous LINUX

Janvier 2000

0. Résumé

Cette article est une introduction à la réalisation d'applications audios sous LINUX. Nous présenterons successivement la configuration du noyau LINUX pour le support audio, l'utilisation des fichiers spéciaux (devices) utilisés par le noyau et une introduction à la programmation en C de l'API audio de LINUX. Dans une dernière partie, nous présenterons un petit exemple d'application réalisant du streaming audio. Les archives des programmes d'exemples sont disponibles sur http://www.com1.fr/~pficheux/articles/lmf/audio/exemples/exemples.tar.gz

1. Principe d'une carte son

La carte son est un périphérique effectuant des conversions entre des données analogiques (un signal audio en entrée) et des données numériques (un fichier informatique de stockage). On a alors affaire à un échantillonnage du signal audio.
La conversion peut également se faire dans l'autre sens, lorsque l'on veut jouer un fichier audio sur la sortie audio du PC.

Pour effectuer cela, la carte audio est basée sur une paire de circuits électroniques appelés Convertisseur Analogique Numérique et Convertisseur Numérique Analogique, ou en anglais ADC (Analog to Digital Converter) et DAC (Digital to Analog Converter).

2. Configuration du noyau LINUX

Le multimédia est une partie importante de l'informatique d'aujourd'hui. Les développeurs du noyau LINUX ont réalisés des prouesses en permettant d'utiliser une bonne partie des chipsets audios actuels. La configuration du noyau LINUX passe comme d'habitude par la suite de commande:

cd /usr/src/linux
make config

On pourra avantageusement remplacer le make config par un make menuconfig (configuration en mode texte plein écran) ou un make xconfig (configuration par des scripts TCL/TK).

Si on prend pour exemple le support d'une bonne vieille carte Sound Blaster de Creative Labs, on devra valider les options suivantes:

Sound card support (CONFIG_SOUND) [M/n/y/?] m
ProAudioSpectrum 16 support (CONFIG_PAS) [N/y/?] 
Sound Blaster (SB, SBPro, SB16, clones) support (CONFIG_SB) [Y/n/?] 
...
/dev/dsp and /dev/audio support (CONFIG_AUDIO) [Y/n/?] 
MIDI interface support (CONFIG_MIDI) [N/y/?] 
FM synthesizer (YM3812/OPL-3) support (CONFIG_YM3812) [N/y/?] 
I/O base for SB Check from manual of the card (SBC_BASE) [220] 
Sound Blaster IRQ Check from manual of the card (SBC_IRQ) [5] 
Sound Blaster DMA 0, 1 or 3 (SBC_DMA) [1] 
Sound Blaster 16 bit DMA (_REQUIRED_for SB16, Jazz16, SMW) 5, 6 or 7 (use 1 for 8 bit cards) (SB_DMA2) [1] 
MPU401 I/O base of SB16, Jazz16 and ES1688 Check from manual of the card (SB_MPU_BASE) [0] 
SB MPU401 IRQ (Jazz16, SM Wave and ES1688) Use -1 with SB16 (SB_MPU_IRQ) [-1] 
Audio DMA buffer size 4096, 16384, 32768 or 65536 (DSP_BUFFSIZE) [65536]

Dans le cas présent, la configuration est la suivante:

Support audio en module
La carte est un SB ou une SB16
On supporte les fichiers spéciaux /dev/audio et /dev/dsp
La carte est à l'adresse de base 220, interruption 5 et canal DMA 1

La compilation du noyau se fera ensuite par:

make dep; make clean; make zlilo; make modules; make modules_install

3. Les fichiers spéciaux de l'API audio de LINUX

Nous nous bornerons ici à décrire les principaux fichiers spéciaux utilisés par le noyau LINUX, en l'occurence:

/dev/dsp	Ce device permet de lire/écrire les échantillons traités par la carte son. Dans ce cas la les données sont échantillonnées sur 8 bits.
/dev/dspW	Identique au device précédent, sauf que les données sont échantillonnées sur 16 bits, lorque la carte le permet.
/dev/audio	Ce device permet de lire/écrire des données au format mu-Law (encodage logarithmique). Pour info, ce device est compatible avec celui des stations de travail de type SUN.
/dev/mixer	Ce device permet de controler l'entrée/sortie audio, par exemple règler le volume de sortie, lorsque la carte le permet.
/dev/sndstat	Ce device permet d'obtenir des infos concernant la configuration audio;

L'utilisation de ces devices dans une session shell est extrèmement simple. Par exemple pour jouer un fichier audio mu-Law (en général suffixé .au) on fera:

cat fichier.au > /dev/audio

et pour enregistrer:

cat /dev/audio > fichier.au
^C

Pour obtenir les infos concernant la configuration audio:

[root@dc2000 /root]# cat /dev/sndstat 
Sound Driver:3.5.4-960630 (mar jan 18 17:35:32 CET 2000 root,
Linux atkins.local.com1.fr 2.0.36 #5 jeu sep 16 18:38:52 CEST 1999 i686 unknown)
Kernel: Linux dc2000.local.com1.fr 2.0.36 #67 mer jan 19 09:13:18 CET 2000 i486
Config options: 0

Installed drivers: 
Type 2: Sound Blaster

Card config: 
Sound Blaster at 0x220 irq 10 drq 1,5

Audio devices:
0: Sound Blaster 16 (4.12)

Synth devices:

Midi devices: NOT ENABLED IN CONFIG

Timers:
0: System clock

Mixers:
0: Sound Blaster

4. Programmation de l'API audio

Comme habituellement sous LINUX, l'API audio sera utilisable à travers les devices décrits ci dessus. On devra donc utiliser les appels systèmes classiques comme:

open
close
read
write
ioctl

L'ouverture d'un device audio en lecture se fera par une séquence du type:

int fd_audio;

if ((fd_audio = open ("/dev/audio", O_RDONLY)) < 0) {
  perror ("/dev/audio");
  exit (1);
}

/* Le device audio est disponible */
...

La lecture des échantillons se fera par:

#define BUF_SIZE 4096
int n;
char buf[BUF_SIZE];

if ((n = read (fd_audio, buf, sizeof(buf))) < 0) {
  perror ("audio read");
  exit (1);
}

/* Les échantillons sont disponibles dans buf */
...

La fermeture du device se fera par un simple:

close (fd_audio);

De même, on pourra jouer les échantillons mu-Law en utilisant la portion de code ci-dessous

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/soundcard.h>

#define BUF_SIZE 4096

main (int ac, char **av)
{
  int fd_file, fd_audio, n, nleft, nwritten;
  char buf[BUF_SIZE], *p;

  if ((fd_file = open (av[1], O_RDONLY)) < 0) {
    perror (av[1]);
    exit (1);
  }

  if ((fd_audio = open ("/dev/audio", O_WRONLY)) < 0) {
    perror ("/dev/audio");
    exit (1);
  }

  /* Lecture de l'échantillon */
  while ((n = read (fd_file, buf, sizeof(buf))) > 0) {
    nleft = n;
    p = buf;

    /* On envoit l'échantillon... */
    while (nleft) {
      if ((nwritten = write (fd_audio, p, nleft)) < 0)
	perror ("/dev/audio");
      else
	printf ("%d/%d written.\n", nwritten, nleft);

      nleft -= nwritten;
      p += nwritten;
    }
  }

  close (fd_file);
  close (fd_audio);
}

On pourra controler des paramètres tels que le volume de sortie en utilisant le device /dev/mixer. Pour lire le volume de sortie, on utilisera:

  int fd_mixer, vol;

  if ((fd_mixer = open ("/dev/mixer", O_RDWR)) < 0) {
    perror ("/dev/mixer");
    exit (1);
  }

  if (ioctl (fd_mixer, SOUND_MIXER_READ_VOLUME, &vol)==-1) {
    perror ("ioctl");
  }
  else
    printf ("vol= %d %d\n", vol&255, (vol >> 8)&255);

  close (fd_mixer);

et pour l'écrire:

  int fd_mixer, vol, v;

  if ((fd_mixer = open ("/dev/mixer", O_RDWR)) < 0) {
    perror ("/dev/mixer");
    exit (1);
  }

  v = atoi(av[1]);
  vol = (v << 8) | v;

  if (ioctl (fd_mixer, SOUND_MIXER_WRITE_VOLUME, &vol)==-1) {
    perror ("ioctl");
  }

  close (fd_mixer);

On pourra de même visualiser et modifier le canal d'enregistrement (par exemple mic ou line):

  static char *dev_names[] =  SOUND_DEVICE_NAMES;
  int fd_mixer, mask, i;

  if ((fd_mixer = open ("/dev/mixer", O_RDWR)) < 0) {
    perror ("/dev/mixer");
    exit (1);
  }

  if (ioctl (fd_mixer, SOUND_MIXER_READ_RECSRC, &mask)==-1) {
    perror ("ioctl");
  }

  for (i = 0 ; i < SOUND_MIXER_NRDEVICES ; i++) {
    if (mask & (1 << i)) 
      printf ("Enregistrement sur: %s\n", dev_names[i]);
  }

  close (fd_mixer);

Idem pour la sélection du canal d'enregistrement en utilisant:

  static char *dev_names[] =  SOUND_DEVICE_NAMES;
  int fd_mixer, mask, i;

  if ((fd_mixer = open ("/dev/mixer", O_RDWR)) < 0) {
    perror ("/dev/mixer");
    exit (1);
  }
  
  mask = 0;
  for (i = 0 ; i < SOUND_MIXER_NRDEVICES ; i++) {
    if (!strcmp (av[1], dev_names[i])) {
	mask |= (1 << i);
	break;
    }
  }

  if (!mask) {
    fprintf (stderr, "Device %s inconnu !\n", av[1]);
    close (fd_mixer);
    exit (1);
  }

  if (ioctl (fd_mixer, SOUND_MIXER_WRITE_RECSRC, &mask) == -1) {
    perror ("ioctl");
  }

  close (fd_mixer);

5. Un petit exemple de streaming audio

De plus en plus de sites Internet fournissent des services de streaming vidéo ou audio. Le principe est simple: il s'agit de jouer en continu grace à un navigateur Internet ou bien une application spécialisée un flux de données provenant d'un serveur. Un exemple est la possibilité d'écouter des stations de radios à travers un réseau de type TCP/IP et à l'aide d'un lecteur spécifique ou bien d'un navigateur Internet type NS Communicator équipé d'un plugin.

L'application qui suit est un petit serveur audioserver permettant de diffuser à travers le réseau les échantillons audios provenant de l'entrée d'une carte son d'un PC LINUX. Le principe de fonctionnement est le suivant:

Lorsque le client se connecte sur le port associé au service audio, l'application ouvre le device /dev/audio .
Si le client est un navigateur, ce dernier envoit une requète HTTP (de type GET) et le client doit répondre en acquittant cette demande et en renvoyant le type des données transmises (ici audio/ulaw). C'est la reception de ce type MIME qui provoquera le chargement du plugin coté navigateur.
Lorque le dialogue HTTP est terminé, le serveur copie en temps réel les données audios sur la connexion réseau.
Lorque le client coupe la connexion, le device audio est fermé

Pour installer une application de ce type on devra:

Modifier le fichier /etc/services en ajoutant une ligne:
```
audio  5555/tcp
```
si le port à utiliser est le 5555.

Modifier le fichier /etc/inetd.conf en ajoutant une ligne:

audio	stream	tcp	nowait	root	/usr/local/bin/audioserver	audioserver

Forcer le démon inetd à relire sa config en faisant:
```
kill -1 `cat /var/run/inetd.pid`
```
Cette application à but pédagogique est volontairement simplifiée:
- Elle utilise le démon inetd et n'accepte donc qu'une seule connexion.
- Le données audios ne sont pas compressées, ce qui n'est pas envisageable dans le cas d' une application réelle.
- Elle utilise le protocole TCP qui n'est pas le mieux adapté au transfert de données en streaming. Dans, ce cas il est plutôt conseillé d'utiliser le protocole UDP beaucoup moins gourmant en bande passante.
- Le plugin à utiliser coté client n'est pas explicité mais il sera très simple à écrire si vous relisez l'article concernant les plugins Netscape dans Linux Magazine numéro 10 ou bien sur http://www.com1.fr/~pficheux/articles/lmf/plugins !
Le code source commenté du serveur est donné ci-dessous:
Cette première partie comprends les includes et la définition de quelques constantes. La réponse HTTP est principalement constituée du code de réponse correcte HTTP/1.0 200 OK et du type des données Content-Type: audio/ulaw
```
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <syslog.h>
#include <sys/soundcard.h>

extern char *basename();

#define HTTP_REPLY	"HTTP/1.0 200 OK\r\nPragma: no-cache\r\nContent-Type: audio/ulaw\r\n\r\n"

#define MAXREQ				1024
#define BUF_SIZE			1024
```
La fonction ci-dessous effectue la lecture de la requête HTTP du navigateur
```
static char http_request[MAXREQ];

/* Lecture de la requête HTTP du client */
int get_http_request (int fd, char *request, int max_length)
{
  char end, c, last_char;
  int length = 0;

  end = 0;
  c = last_char = 0;

  while (!end) {

    if (read (fd, &c, 1) < 0)
      return -1;

    /* Test de fin de commande */
    if (c == '\r' && last_char == '\n') {
      if (read (fd, &c, 1) < 0)
	return -1;
      if (c == '\n')
	end = 1;
      else {
	syslog (LOG_ERR, "get_http_request: bad end of request!\n");

	return -1;
      }
    }
    else {
      if (request)
	*(request+length) = c;
      if (length < max_length-1)
	length++;
      /* Dépassement de taille de requète ou pas de marqueur de fin */
      else {
	syslog (LOG_ERR, "get_http_request: request too long!\n");
	return -1;
      }
    }

    last_char = c;
  }

  if (request)
    *(request+length) = 0;

  return length;
}
```
Cette fonction appelle la fonction précédente puis envoit la réponse HTTP au client.
```
/* Dialogue HTTPD  ? */
static void http_dialog (int fd_in, int fd_out)
{
  int n;

  /* Lecture requête */
  if ((n = get_http_request (fd_in, http_request, sizeof(http_request))) <= 0)
    return;

  /* Envoi réponse HTTP */
  write (fd_out, HTTP_REPLY, strlen(HTTP_REPLY));
}
```
La suite décrit le programme principal. On commence par ouvrir de device audio.
```
main (int ac, char **av)
{
  int n, nleft, nwritten, fd_audio;
  char buf[BUF_SIZE], *p, *progname = basename(av[0]);

  openlog (progname, LOG_PID | LOG_CONS, LOG_DAEMON);

  if ((fd_audio = open ("/dev/audio", O_RDONLY)) < 0) {
    syslog (LOG_ERR, "Can't open audio device, exiting.\n");
    exit (1);
  }
```
Puis on effectue le dialogue HTTP.
```
  /* Dialogue HTTP */
  http_dialog (0, 1);
```
Ensuite, on lit des données audios et on les envoit sur le réseau. La condition d'arrêt est en général la coupure de la connexion coté client.
```
  while ((n = read (fd_audio, buf, sizeof(buf))) > 0) {
    nleft = n;
    p = buf;

    /* On envoit l'échantillon... */
    while (nleft) {
      if ((nwritten = write (1, p, nleft)) < 0) {
	syslog (LOG_ERR, write: %m");
	exit (1);
      }

      nleft -= nwritten;
      p += nwritten;
    }
  }

  close (fd_audio);
}
```
6. Autres drivers audios sous LINUX
Le driver audio fourni avec le noyau LINUX 2.0 ou 2.2 supporte un bon nombre de chipsets. Il existe cependant d'autres alternatives. On pourra citer:
- Le driver OSS, qui est une version commerciale du driver audio standard. Il est développé par la société 4 Front Technologies fondée par l'auteur du driver LINUX. Ce driver supporte un très grand nombre de chipsets du marché et coute entre $10 et $30 suivant les options. L'installation est très simple et pas mal de chipsets sont détectés automatiquement. On peut télécharger une version d'essai sur http://www.opensound.com
- Le driver ALSA (Advanced Linux Sound Architecture) est un driver complètement indépendant du driver standard. Il est diffusé sous GPL sur http://www.alsa-project.org. Il faut noter que l'API de programmation est différente de celle du driver standard ou bien d'OSS.
7. Bibliographie
- Le Sound-HOWTO sur http://www.freenix.org/unix/linux/HOWTO-vo/Sound-HOWTO.html ou en français sur http://www.freenix.org/unix/linux/HOWTO/Sound-HOWTO.html
- Le Sound-Playing-HOWTO sur http://www.freenix.org/unix/linux/HOWTO-vo/Sound-HOWTO.html ou en français sur http://www.freenix.org/unix/linux/HOWTO/Sound-Playing-HOWTO.html
- Documentation OSS sur http://www.opensound.com
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