ALSAの叩き方

Linuxの走る高性能なSoCが増えて、今まではその都度内蔵フラッシュメモリにバイナリを転送して実行、みたいなことをしていたマイコン屋さんもLinuxシステムに触れる機会が増えたんじゃないだろうか。Linuxが動いているマシンではユーザ空間のプロセスは基本的にハードウェアを直接触ることは出来ない。あぁ、今までは音色を出すのにPWMをつつくだけで良かったのに、とげんなりしてしまうかもしれない。しかし、LinuxのオーディオアーキテクチャALSAから音を出すのは実はそれと同じくらい簡単だ。ここでは、高度な機能は抜きにしてLinuxシステム上で動くプログラムから音を出す方法を紹介する。
まずはサンプルコード

#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>
#include <math.h>

#include <time.h>

#include <alsa/asoundlib.h>

// 現在時刻を返す
double getTime() {
  struct timespec time_spec;
  clock_getres( CLOCK_REALTIME, &time_spec );
  return (double)( time_spec.tv_sec ) + (double)( time_spec.tv_nsec ) * 0.000001;
}

// 指定された時刻までスリープ
void waitUntil( double _until ) {
  struct timespec until;
  until.tv_sec = (time_t)( _until );
  until.tv_nsec = (long)( ( _until - (time_t)( _until ) ) * 1000000.0 );
  clock_nanosleep( CLOCK_REALTIME, TIMER_ABSTIME, &until, NULL );
}

// ここから本体
int main() {
  // 0番目のサウンドデバイス
  const static char device[] = "hw:0";
  // 符号付き16bit
  const static snd_pcm_format_t format = SND_PCM_FORMAT_S16_LE;
  // snd_pcm_readi/snd_pcm_writeiを使って読み書きする
  const static snd_pcm_access_t access = SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED;
  // 再生周波数 48kHz
  const static unsigned int sampling_rate = 48000;
  // モノラル
  const static unsigned int channels = 1;
  // ALSAがサウンドカードの都合に合わせて勝手に再生周波数を変更することを許す
  const static unsigned int soft_resample = 1;
  // 20ミリ秒分ALSAのバッファに蓄える
  const static unsigned int latency = 20000;
  // ラ(440Hz)
  const static unsigned int tone_freq = 440;
  // 5秒間流す
  const static unsigned int length = 5;

  snd_pcm_t *pcm;
  // 再生用PCMストリームを開く
  if( snd_pcm_open( &pcm, device, SND_PCM_STREAM_PLAYBACK, 0 ) ) {
    printf( "Unable to open." );
    abort();
  }

  // 再生周波数、フォーマット、バッファのサイズ等を指定する
  if(
    snd_pcm_set_params(
      pcm, format, access,
      channels, sampling_rate, soft_resample, latency
    )
  ) {
    printf( "Unable to set format." );
    snd_pcm_close( pcm );
    abort();
  }

  // 再生するためのサイン波を作っておく
  const unsigned int buffer_size = sampling_rate / tone_freq;
  int16_t buffer[ buffer_size ];
  int buffer_iter;
  for( buffer_iter = 0; buffer_iter != buffer_size; buffer_iter++ )
    buffer[ buffer_iter ] = sin( 2.0 * M_PI * buffer_iter / buffer_size ) * 32767;

  double system_time = getTime();
  unsigned int beep_counter = 0;
  for( beep_counter = 0; beep_counter != tone_freq * length; beep_counter++ ) {
    // とりあえず1周期分だけ書き出す
    int write_result = snd_pcm_writei ( pcm, ( const void* )buffer, buffer_size );
    if( write_result < 0 ) {
      // バッファアンダーラン等が発生してストリームが停止した時は回復を試みる
      if( snd_pcm_recover( pcm, write_result, 0 ) < 0 ) {
        printf( "Unable to recover this stream." );
        snd_pcm_close( pcm );
        abort();
      }
    }
    // 少し待ってからまた1周期分書き出す
    waitUntil( system_time + (double)buffer_size / 48000.0f );
    system_time = getTime();
  }
  // 終わったらストリームを閉じる
  snd_pcm_close( pcm );
}

ALSAを使うのでコンパイルする時はリンカに-lasoundを渡してやる必要がある。

$ gcc alsa_sample.c -lasound -lm -o alsa_sample
$ ./alsa_sample
(ポーーーーーーーーーーーー)

まずsnd_pcm_openでストリームを開き、snd_pcm_set_paramsで設定をして、snd_pcm_writeiで波形を書き出して、snd_pcm_closeでストリームを閉じる。他にも便利な機能が沢山用意されているが基本的にこれだけで音は鳴る。ALSAのレイテンシは大きくすればするほど高負荷時でも音が途切れにくくなるが、遅れて音が出るようになる。最近のALSAにはソフトウェアミキサーが備わっているので、ハードウェアが同時に複数の音を鳴らせるような作りになっていなくても(オンボードサウンドは大抵これ)複数のストリームを開くことが出来る。ソフトウェアミキシングの品質はあまり良くないがそれが気にならない場合はミキシングはALSAに任せてしまうのが楽。