Documentation/sound/soc/dpcm.rst

   1 ===========
   2 Dynamic PCM
   3 ===========
   4
   5 Description
   6 ===========
   7
   8 Dynamic PCM allows an ALSA PCM device to digitally route its PCM audio to
   9 various digital endpoints during the PCM stream runtime. e.g. PCM0 can route
  10 digital audio to I2S DAI0, I2S DAI1 or PDM DAI2. This is useful for on SoC DSP
  11 drivers that expose several ALSA PCMs and can route to multiple DAIs.
  12
  13 The DPCM runtime routing is determined by the ALSA mixer settings in the same
  14 way as the analog signal is routed in an ASoC codec driver. DPCM uses a DAPM
  15 graph representing the DSP internal audio paths and uses the mixer settings to
  16 determine the path used by each ALSA PCM.
  17
  18 DPCM re-uses all the existing component codec, platform and DAI drivers without
  19 any modifications.
  20
  21
  22 Phone Audio System with SoC based DSP
  23 -------------------------------------
  24
  25 Consider the following phone audio subsystem. This will be used in this
  26 document for all examples :-
  27 ::
  28
  29   | Front End PCMs    |  SoC DSP  | Back End DAIs | Audio devices |
  30
  31                       *************
  32   PCM0 <------------> *           * <----DAI0-----> Codec Headset
  33                       *           *
  34   PCM1 <------------> *           * <----DAI1-----> Codec Speakers
  35                       *   DSP     *
  36   PCM2 <------------> *           * <----DAI2-----> MODEM
  37                       *           *
  38   PCM3 <------------> *           * <----DAI3-----> BT
  39                       *           *
  40                       *           * <----DAI4-----> DMIC
  41                       *           *
  42                       *           * <----DAI5-----> FM
  43                       *************
  44
  45 This diagram shows a simple smart phone audio subsystem. It supports Bluetooth,
  46 FM digital radio, Speakers, Headset Jack, digital microphones and cellular
  47 modem. This sound card exposes 4 DSP front end (FE) ALSA PCM devices and
  48 supports 6 back end (BE) DAIs. Each FE PCM can digitally route audio data to any
  49 of the BE DAIs. The FE PCM devices can also route audio to more than 1 BE DAI.
  50
  51
  52
  53 Example - DPCM Switching playback from DAI0 to DAI1
  54 ---------------------------------------------------
  55
  56 Audio is being played to the Headset. After a while the user removes the headset
  57 and audio continues playing on the speakers.
  58
  59 Playback on PCM0 to Headset would look like :-
  60 ::
  61
  62                       *************
  63   PCM0 <============> *           * <====DAI0=====> Codec Headset
  64                       *           *
  65   PCM1 <------------> *           * <----DAI1-----> Codec Speakers
  66                       *   DSP     *
  67   PCM2 <------------> *           * <----DAI2-----> MODEM
  68                       *           *
  69   PCM3 <------------> *           * <----DAI3-----> BT
  70                       *           *
  71                       *           * <----DAI4-----> DMIC
  72                       *           *
  73                       *           * <----DAI5-----> FM
  74                       *************
  75
  76 The headset is removed from the jack by user so the speakers must now be used :-
  77 ::
  78
  79                       *************
  80   PCM0 <============> *           * <----DAI0-----> Codec Headset
  81                       *           *
  82   PCM1 <------------> *           * <====DAI1=====> Codec Speakers
  83                       *   DSP     *
  84   PCM2 <------------> *           * <----DAI2-----> MODEM
  85                       *           *
  86   PCM3 <------------> *           * <----DAI3-----> BT
  87                       *           *
  88                       *           * <----DAI4-----> DMIC
  89                       *           *
  90                       *           * <----DAI5-----> FM
  91                       *************
  92
  93 The audio driver processes this as follows :-
  94
  95 1. Machine driver receives Jack removal event.
  96
  97 2. Machine driver OR audio HAL disables the Headset path.
  98
  99 3. DPCM runs the PCM trigger(stop), hw_free(), shutdown() operations on DAI0
 100    for headset since the path is now disabled.
 101
 102 4. Machine driver or audio HAL enables the speaker path.
 103
 104 5. DPCM runs the PCM ops for startup(), hw_params(), prepare() and
 105    trigger(start) for DAI1 Speakers since the path is enabled.
 106
 107 In this example, the machine driver or userspace audio HAL can alter the routing
 108 and then DPCM will take care of managing the DAI PCM operations to either bring
 109 the link up or down. Audio playback does not stop during this transition.
 110
 111
 112
 113 DPCM machine driver
 114 ===================
 115
 116 The DPCM enabled ASoC machine driver is similar to normal machine drivers
 117 except that we also have to :-
 118
 119 1. Define the FE and BE DAI links.
 120
 121 2. Define any FE/BE PCM operations.
 122
 123 3. Define widget graph connections.
 124
 125
 126 FE and BE DAI links
 127 -------------------
 128 ::
 129
 130   | Front End PCMs    |  SoC DSP  | Back End DAIs | Audio devices |
 131
 132                       *************
 133   PCM0 <------------> *           * <----DAI0-----> Codec Headset
 134                       *           *
 135   PCM1 <------------> *           * <----DAI1-----> Codec Speakers
 136                       *   DSP     *
 137   PCM2 <------------> *           * <----DAI2-----> MODEM
 138                       *           *
 139   PCM3 <------------> *           * <----DAI3-----> BT
 140                       *           *
 141                       *           * <----DAI4-----> DMIC
 142                       *           *
 143                       *           * <----DAI5-----> FM
 144                       *************
 145
 146 For the example above we have to define 4 FE DAI links and 6 BE DAI links. The
 147 FE DAI links are defined as follows :-
 148 ::
 149
 150   static struct snd_soc_dai_link machine_dais[] = {
 151         {
 152                 .name = "PCM0 System",
 153                 .stream_name = "System Playback",
 154                 .cpu_dai_name = "System Pin",
 155                 .platform_name = "dsp-audio",
 156                 .codec_name = "snd-soc-dummy",
 157                 .codec_dai_name = "snd-soc-dummy-dai",
 158                 .dynamic = 1,
 159                 .trigger = {SND_SOC_DPCM_TRIGGER_POST, SND_SOC_DPCM_TRIGGER_POST},
 160                 .dpcm_playback = 1,
 161         },
 162         .....< other FE and BE DAI links here >
 163   };
 164
 165 This FE DAI link is pretty similar to a regular DAI link except that we also
 166 set the DAI link to a DPCM FE with the ``dynamic = 1``. The supported FE stream
 167 directions should also be set with the ``dpcm_playback`` and ``dpcm_capture``
 168 flags. There is also an option to specify the ordering of the trigger call for
 169 each FE. This allows the ASoC core to trigger the DSP before or after the other
 170 components (as some DSPs have strong requirements for the ordering DAI/DSP
 171 start and stop sequences).
 172
 173 The FE DAI above sets the codec and code DAIs to dummy devices since the BE is
 174 dynamic and will change depending on runtime config.
 175
 176 The BE DAIs are configured as follows :-
 177 ::
 178
 179   static struct snd_soc_dai_link machine_dais[] = {
 180         .....< FE DAI links here >
 181         {
 182                 .name = "Codec Headset",
 183                 .cpu_dai_name = "ssp-dai.0",
 184                 .platform_name = "snd-soc-dummy",
 185                 .no_pcm = 1,
 186                 .codec_name = "rt5640.0-001c",
 187                 .codec_dai_name = "rt5640-aif1",
 188                 .ignore_suspend = 1,
 189                 .ignore_pmdown_time = 1,
 190                 .be_hw_params_fixup = hswult_ssp0_fixup,
 191                 .ops = &haswell_ops,
 192                 .dpcm_playback = 1,
 193                 .dpcm_capture = 1,
 194         },
 195         .....< other BE DAI links here >
 196   };
 197
 198 This BE DAI link connects DAI0 to the codec (in this case RT5460 AIF1). It sets
 199 the ``no_pcm`` flag to mark it has a BE and sets flags for supported stream
 200 directions using ``dpcm_playback`` and ``dpcm_capture`` above.
 201
 202 The BE has also flags set for ignoring suspend and PM down time. This allows
 203 the BE to work in a hostless mode where the host CPU is not transferring data
 204 like a BT phone call :-
 205 ::
 206
 207                       *************
 208   PCM0 <------------> *           * <----DAI0-----> Codec Headset
 209                       *           *
 210   PCM1 <------------> *           * <----DAI1-----> Codec Speakers
 211                       *   DSP     *
 212   PCM2 <------------> *           * <====DAI2=====> MODEM
 213                       *           *
 214   PCM3 <------------> *           * <====DAI3=====> BT
 215                       *           *
 216                       *           * <----DAI4-----> DMIC
 217                       *           *
 218                       *           * <----DAI5-----> FM
 219                       *************
 220
 221 This allows the host CPU to sleep while the DSP, MODEM DAI and the BT DAI are
 222 still in operation.
 223
 224 A BE DAI link can also set the codec to a dummy device if the codec is a device
 225 that is managed externally.
 226
 227 Likewise a BE DAI can also set a dummy cpu DAI if the CPU DAI is managed by the
 228 DSP firmware.
 229
 230
 231 FE/BE PCM operations
 232 --------------------
 233
 234 The BE above also exports some PCM operations and a ``fixup`` callback. The fixup
 235 callback is used by the machine driver to (re)configure the DAI based upon the
 236 FE hw params. i.e. the DSP may perform SRC or ASRC from the FE to BE.
 237
 238 e.g. DSP converts all FE hw params to run at fixed rate of 48k, 16bit, stereo for
 239 DAI0. This means all FE hw_params have to be fixed in the machine driver for
 240 DAI0 so that the DAI is running at desired configuration regardless of the FE
 241 configuration.
 242 ::
 243
 244   static int dai0_fixup(struct snd_soc_pcm_runtime *rtd,
 245                         struct snd_pcm_hw_params *params)
 246   {
 247         struct snd_interval *rate = hw_param_interval(params,
 248                         SNDRV_PCM_HW_PARAM_RATE);
 249         struct snd_interval *channels = hw_param_interval(params,
 250                                                 SNDRV_PCM_HW_PARAM_CHANNELS);
 251
 252         /* The DSP will convert the FE rate to 48k, stereo */
 253         rate->min = rate->max = 48000;
 254         channels->min = channels->max = 2;
 255
 256         /* set DAI0 to 16 bit */
 257         params_set_format(params, SNDRV_PCM_FORMAT_S16_LE);
 258         return 0;
 259   }
 260
 261 The other PCM operation are the same as for regular DAI links. Use as necessary.
 262
 263
 264 Widget graph connections
 265 ------------------------
 266
 267 The BE DAI links will normally be connected to the graph at initialisation time
 268 by the ASoC DAPM core. However, if the BE codec or BE DAI is a dummy then this
 269 has to be set explicitly in the driver :-
 270 ::
 271
 272   /* BE for codec Headset -  DAI0 is dummy and managed by DSP FW */
 273   {"DAI0 CODEC IN", NULL, "AIF1 Capture"},
 274   {"AIF1 Playback", NULL, "DAI0 CODEC OUT"},
 275
 276
 277 Writing a DPCM DSP driver
 278 =========================
 279
 280 The DPCM DSP driver looks much like a standard platform class ASoC driver
 281 combined with elements from a codec class driver. A DSP platform driver must
 282 implement :-
 283
 284 1. Front End PCM DAIs - i.e. struct snd_soc_dai_driver.
 285
 286 2. DAPM graph showing DSP audio routing from FE DAIs to BEs.
 287
 288 3. DAPM widgets from DSP graph.
 289
 290 4. Mixers for gains, routing, etc.
 291
 292 5. DMA configuration.
 293
 294 6. BE AIF widgets.
 295
 296 Items 6 is important for routing the audio outside of the DSP. AIF need to be
 297 defined for each BE and each stream direction. e.g for BE DAI0 above we would
 298 have :-
 299 ::
 300
 301   SND_SOC_DAPM_AIF_IN("DAI0 RX", NULL, 0, SND_SOC_NOPM, 0, 0),
 302   SND_SOC_DAPM_AIF_OUT("DAI0 TX", NULL, 0, SND_SOC_NOPM, 0, 0),
 303
 304 The BE AIF are used to connect the DSP graph to the graphs for the other
 305 component drivers (e.g. codec graph).
 306
 307
 308 Hostless PCM streams
 309 ====================
 310
 311 A hostless PCM stream is a stream that is not routed through the host CPU. An
 312 example of this would be a phone call from handset to modem.
 313 ::
 314
 315                       *************
 316   PCM0 <------------> *           * <----DAI0-----> Codec Headset
 317                       *           *
 318   PCM1 <------------> *           * <====DAI1=====> Codec Speakers/Mic
 319                       *   DSP     *
 320   PCM2 <------------> *           * <====DAI2=====> MODEM
 321                       *           *
 322   PCM3 <------------> *           * <----DAI3-----> BT
 323                       *           *
 324                       *           * <----DAI4-----> DMIC
 325                       *           *
 326                       *           * <----DAI5-----> FM
 327                       *************
 328
 329 In this case the PCM data is routed via the DSP. The host CPU in this use case
 330 is only used for control and can sleep during the runtime of the stream.
 331
 332 The host can control the hostless link either by :-
 333
 334  1. Configuring the link as a CODEC <-> CODEC style link. In this case the link
 335     is enabled or disabled by the state of the DAPM graph. This usually means
 336     there is a mixer control that can be used to connect or disconnect the path
 337     between both DAIs.
 338
 339  2. Hostless FE. This FE has a virtual connection to the BE DAI links on the DAPM
 340     graph. Control is then carried out by the FE as regular PCM operations.
 341     This method gives more control over the DAI links, but requires much more
 342     userspace code to control the link. Its recommended to use CODEC<->CODEC
 343     unless your HW needs more fine grained sequencing of the PCM ops.
 344
 345
 346 CODEC <-> CODEC link
 347 --------------------
 348
 349 This DAI link is enabled when DAPM detects a valid path within the DAPM graph.
 350 The machine driver sets some additional parameters to the DAI link i.e.
 351 ::
 352
 353   static const struct snd_soc_pcm_stream dai_params = {
 354         .formats = SNDRV_PCM_FMTBIT_S32_LE,
 355         .rate_min = 8000,
 356         .rate_max = 8000,
 357         .channels_min = 2,
 358         .channels_max = 2,
 359   };
 360
 361   static struct snd_soc_dai_link dais[] = {
 362         < ... more DAI links above ... >
 363         {
 364                 .name = "MODEM",
 365                 .stream_name = "MODEM",
 366                 .cpu_dai_name = "dai2",
 367                 .codec_dai_name = "modem-aif1",
 368                 .codec_name = "modem",
 369                 .dai_fmt = SND_SOC_DAIFMT_I2S | SND_SOC_DAIFMT_NB_NF
 370                                 | SND_SOC_DAIFMT_CBM_CFM,
 371                 .params = &dai_params,
 372         }
 373         < ... more DAI links here ... >
 374
 375 These parameters are used to configure the DAI hw_params() when DAPM detects a
 376 valid path and then calls the PCM operations to start the link. DAPM will also
 377 call the appropriate PCM operations to disable the DAI when the path is no
 378 longer valid.
 379
 380
 381 Hostless FE
 382 -----------
 383
 384 The DAI link(s) are enabled by a FE that does not read or write any PCM data.
 385 This means creating a new FE that is connected with a virtual path to both
 386 DAI links. The DAI links will be started when the FE PCM is started and stopped
 387 when the FE PCM is stopped. Note that the FE PCM cannot read or write data in
 388 this configuration.