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@air-gh(Air Air)

Raspberry Piで、DACチップ無しでI2Sを出力する

Last updated at Posted at 2020-05-09

またニッチ

Raspberry Piは、GPIOに外付けDACを接続して高音質化という楽しみ方がある。この場合、DACのドライバーとセットで使用することになる。
もしDAC無しでI2S信号を得たい場合、もしくはDACの制御は別に行う場合、合うドライバーが無い。合わないドライバーを使うと、DACの制御に失敗してエラーになったりしないだろうか。
外付けDAC無しで、Raspberry PiをI2S信号発生器として使いつつ、BCLKなどのパラメーターを操作したい場合、どうすれば…
試したことを記載したが、専門外なので、間違っていたらすいません。
以下、Raspberry Pi Foundation-provided kernelの4.9.118で確認。

ALSAドライバーの構造

本家で、CPU, dai, codecなどの構成要素を知る。
こちらは、本家より図が詳細で、構造体の説明もある。
Raspberry Piでの実装は、こちらが詳しい。

作戦

上記の構造解説の理解に基づき…

  • CPU(SoC) DAIは、Raspberry Pi用のもの(sound/soc/bcm/bcm2835-i2s.c)をそのまま使う
  • DAI linkは、Raspberry Piのカーネルの外付けDAC用の中で、単純なものを流用する
  • CODEC DAIは、Raspberry Piのカーネルの外付けDAC用の中で、I2Cなどによるcodecの制御を伴わないものを流用する

DAI link詳細

sound/soc/bcm/の中を漁ると、rpi-simple-soundcard.cという気になるファイル名のファイルがある。シンプルですか、そして比較的新しい。
こちらによると、同じcodecが複数のHATで使われて重複コードになったりしたので、整理したようだ。
これを改造しよう。

CODEC DAI詳細

sound/soc/codecs/以下を眺めると、I2Cなどでcodecの制御を伴わないものは色々あるようだ。
この中に、bt-sco.cというものがある。実は今回、受け側はBluetoothチップを想定しているので、都合が良さそうだ。Kconfigの説明でもDummy BT SCO codec driverとあり、codecが無くても動きそうな予感。
これをそのまま使ってみよう。

Device Tree

Raspbrerry Pi用外付けDACは、使う時に/boot/config.txtにdtoverlay=でdtboファイルを追記するものが多い。dtboは、Device Tree Blob Overlayのこと…だと思う。
Device Tree Overlayはこちらに概要がある。
rpi-simple-soundcard.cの中で、bt-scoを使うものは無いので、この組み合わせをDevice Tree Overlayに登録するのが流儀か。

Device Tree詳細

現状Raspberry Piでは、Pi 4でも、ビルド時のKERNELに設定する値はv7lで、arm64ではなくarmで動かしている模様。
arch/arm/boot/dts/overlays/hifiberry-dac-overlay.dtsなどを見ると、CODEC DAIとDAI LINKの組み合わせが書いてあるように見える。
これを真似しよう。

実装

Device Tree

arch/arm/boot/dts/overlays/rpi-null-dac-overlay.dts
// Definitions for RPi Null DAC
/dts-v1/;
/plugin/;

/ {
        compatible = "brcm,bcm2835";

        fragment@0 {
                target = <&i2s>;
                __overlay__ {
                        status = "okay";
                };
        };

        fragment@1 {
                target-path = "/";
                __overlay__ {
                        bt-sco {
                                #sound-dai-cells = <0>;
                                compatible = "linux,bt-sco";
                                status = "okay";
                        };
                };
        };

        fragment@2 {
                target = <&sound>;
                __overlay__ {
                        compatible = "rpi,rpi-null-dac";
                        i2s-controller = <&i2s>;
                        status = "okay";
                };
        };
};

CODEC DAIとDAI LINKの名前を、compatibleで指定。

arch/arm/boot/dts/overlays/Makefile
@@ -137,6 +137,7 @@ dtbo-$(CONFIG_ARCH_BCM2835) += \
        rpi-dac.dtbo \
        rpi-display.dtbo \
        rpi-ft5406.dtbo \
+       rpi-null-dac.dtbo \
        rpi-poe.dtbo \
        rpi-proto.dtbo \
        rpi-sense.dtbo \

DAI link

sound/soc/bcm/rpi-simple-soundcard.c
@@ -227,6 +227,28 @@ static struct snd_rpi_simple_drvdata drvdata_merus_amp = {
        .fixed_bclk_ratio = 64,
 };

+static struct snd_soc_dai_link snd_rpi_null_dac_dai[] = {
+       {
+               .name           = "RPi Null DAC",
+               .stream_name    = "RPi Null DAC",
+               .codec_dai_name = "bt-sco-pcm-wb",
+               .codec_name     = "bt-sco",
+               .dai_fmt        = SND_SOC_DAIFMT_I2S |
+                                       SND_SOC_DAIFMT_NB_NF |
+                                       SND_SOC_DAIFMT_GATED |
+                                       SND_SOC_DAIFMT_CBS_CFS,
+               // .dpcm_playback = 1,
+               // .dpcm_capture = 1,
+       },
+};
+
+static struct snd_rpi_simple_drvdata drvdata_rpi_null_dac = {
+       .card_name = "snd_rpi_null_dac",
+       .dai       = snd_rpi_null_dac_dai,
+       .fixed_bclk_ratio = 128,
+};
+
+
 static const struct of_device_id snd_rpi_simple_of_match[] = {
        { .compatible = "adi,adau1977-adc",
                .data = (void *) &drvdata_adau1977 },
@@ -241,6 +263,8 @@ static const struct of_device_id snd_rpi_simple_of_match[] = {
        { .compatible = "rpi,rpi-dac", &drvdata_rpi_dac},
        { .compatible = "merus,merus-amp",
                .data = (void *) &drvdata_merus_amp },
+       { .compatible = "rpi,rpi-null-dac",
+               .data = (void *) &drvdata_rpi_null_dac },
        {},
 };

DTOのcompatibleで指定した名前をsnd_rpi_simple_of_match[]に追記。
そこから、drvdata_rpi_null_dac、snd_rpi_null_dac_daiと情報をリンクさせる構造か。

snd_rpi_simple_drvdata構造体

.fixed_bclk_ratioを設定すると、snd_rpi_simple_init()にて、snd_soc_dai_set_bclk_ratio()でBCLKを設定してくれるようだ。ratioなので、単位はFS?
試しに未設定状態でBCLKを測定したら500KHzで、これを2MHzにしたかったので、2048/16=128にしてみたら、2MHzになったっぽい。デフォルトは32FSということ? 参考

snd_soc_dai_link構造体

CODEC DAIの指定と、どちらがクロックのマスターになるか、などの設定ができる。

CODEC DAIの指定は、.codec_dai_nameに名前を書く。
他の例では、snd_soc_dai_driver構造体の.nameと一致させているようなので、sound/soc/codecs/bt-sco.cにあるbt-sco-pcm-wbにしてみる。wbはWide Bandで、16KHzも行けそう。

クロックの設定は、include/sound/soc-dai.hによると、This is wrt the codec, the inverse is true for the interface i.e. if the codec is clk and FRM master then the interface is clk and frame slave. とのことで、codecから見ての設定値らしい。UARTのTX/RXもそうだが、どちらから見て、が重要。
SND_SOC_DAIFMT_CBS_CFSとしておけば、codecから見てSlave、CPU(SoC)から見てMaster、になるはず。

以下蛇足。

SND_SOC_DAIFMT_GATEDは、多分不要。最初DTOの記述が間違っていてBCLKが出ない時に試行錯誤で入れた名残り。DAI bit clocks can be be gated (disabled) when the DAI is not sending or receiving PCM data in a frame. This can be used to save power.とのこと。
Bluetoothの場合、I2SのBCLKは、SCO通信中のみ出ることが多い気がするので、このままでいいか。

.dpcm_playbackと.dpcm_captureも試行錯誤の名残りで、同じbt-scoを使ったsound/soc/mediatek/mt2701/mt2701-cs42448.cに記述があったため、入れてみた。
結果的には、この設定が無くても、入出力共に動作。bt-sco.cに.playbackと.captureがあるからか。

CODEC DAI

arch/arm/configs/bcm2711_defconfig
@@ -1506,3 +1506,4 @@ CONFIG_FUNCTION_PROFILER=y
 CONFIG_KGDB=y
 CONFIG_KGDB_KDB=y
 CONFIG_KDB_KEYBOARD=y
+CONFIG_SND_SOC_BT_SCO=m

bt-scoをそのまま使いたいが、Raspberry Piでは無効になっているので、arch/arm/configs/bcm2711_defconfig(Raspberry Pi 4の場合)で有効化。

ビルド

ビルドは、本家手順そのまま。今回はクロスでビルド。
この手順は、

  • make modules_installによる.koのインストール
  • cp arch/arm/boot/dts/overlays/*.dtb* mnt/fat32/overlays/によるDTOのインストール

を含んでいる。素晴らしい。

コンテンツ

適当にフリー素材のwavを持ってきて、Audacityで、CODEC DAIであるbt-sco-pcm-wbに合わせて、モノラル/16kHz/16bitに変換。
VLCのメディア情報で、再生状態にして上記を確認。codecはPCM S16 LEとある。aplayの振る舞いまでは確認していないが、bt-sco-pcm-wbのSNDRV_PCM_FMTBIT_S16_LEと一致していれば、問題になることはないだろう。

実行

config.txt

実行前に、/boot/config.txtの[all]の下に、dtoverlay=rpi-null-dacでDTOを追記。

dmesg

[    3.041860] snd-rpi-simple soc:sound: bt-sco-pcm-wb <-> fe203000.i2s mapping ok

aplay -L

default:CARD=sndrpinulldac
    snd_rpi_null_dac, RPi Null DAC bt-sco-pcm-wb-0
    Default Audio Device

aplay

aplay -D default:sndrpinulldac mono-16KHz-16bit.wav

起動時にデバイスの優先順位?が変わることがあるようなので、-Dでデバイスを指定。

…と、ここで問題発生。再生失敗。

aplay: main:828: audio open error: Invalid argument

dmesgを見ると、

[   24.194217] ASoC: bt-sco-pcm-wb <-> fe203000.i2s No matching channels

チャンネルがおかしいらしい。
コンテンツはAudacityモノラル化しており、bt-sco.cでは、channels_minもchannels_maxも1になっているので、問題なさそうだが…。
試しにchannels_maxを2にしてみる。

sound/soc/codecs/bt-sco.c
@@ -48,14 +48,14 @@ static struct snd_soc_dai_driver bt_sco_dai[] = {
                .playback = {
                        .stream_name = "Playback",
                        .channels_min = 1,
-                       .channels_max = 1,
+                       .channels_max = 2,
                        .rates = SNDRV_PCM_RATE_8000 | SNDRV_PCM_RATE_16000,
                        .formats = SNDRV_PCM_FMTBIT_S16_LE,
                },
                .capture = {
                         .stream_name = "Capture",
                        .channels_min = 1,
-                       .channels_max = 1,
+                       .channels_max = 2,
                        .rates = SNDRV_PCM_RATE_8000 | SNDRV_PCM_RATE_16000,
                        .formats = SNDRV_PCM_FMTBIT_S16_LE,
                },

結果

i2s.png

わーい!

おまけ

GPIO20(IN)とGPIO21(OUT)を直結して、再生中に

arecord -D default:sndrpinulldac rec.wav

で録音したら、録音もできました。

今後

  • ふつーに48KHzステレオとかハイレゾとか
  • モノラル片側1ch出力
  • ユーザー空間からの動的設定変更
  • てきとーなDACを指定すればふつーに動いたんじゃ疑惑
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