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AAudio e MMAP

A AAudio é uma API de áudio introduzida na versão do Android 8.0. O Android 8.1 tem melhorias para reduzir a latência quando usada com uma HAL e drivers compatíveis com MMAP. Este documento descreve a abstração de hardware (HAL) e alterações de driver necessárias para oferecer suporte ao recurso MMAP da AAudio em Android

A compatibilidade com o MMAP da AAudio requer:

informar os recursos de MMAP da HAL
implementar novas funções na HAL
a implementação de um ioctl() personalizado para o buffer de modo EXCLUSIVO
fornecendo um caminho de dados de hardware adicional
definir propriedades do sistema que ativam o recurso MMAP

Arquitetura da AAudio

AAudio (link em inglês) é uma nova API em C nativa que fornece uma alternativa ao Open SL ES. Ele usa uma Builder para criar streams de áudio.

A AAudio oferece um caminho de dados de baixa latência. No modo EXCLUSIVO, o recurso permite que o código do aplicativo cliente grave diretamente em um buffer mapeado de memória compartilhada com o driver do ALSA. No modo SHARED, o buffer MMAP é usado pelo um mixer em execução no AudioServer. No modo EXCLUSIVO, a latência é de significativamente menos, porque os dados ignoram o misturador.

No modo EXCLUSIVO, o serviço solicita o buffer MMAP da HAL e gerencia os recursos. Como o buffer MMAP está sendo executado no modo NOIRQ, não há arquivos contadores de leitura/gravação para gerenciar o acesso ao buffer. Em vez disso, o cliente mantém um modelo de tempo do hardware e prevê quando o buffer será ler.

No diagrama abaixo, podemos ver os dados de modulação de código de pulso (PCM) fluindo do MMAP FIFO para o driver ALSA. As marcações de tempo são periódicas solicitado pelo serviço da AAudio e depois passado ao modelo de marcação de tempo do cliente por uma fila atômica de mensagens.

Diagrama de fluxo de dados do PCM. — **Figura 1.** Fluxo de dados PCM pelo FIFO para o ALSA

No modo SHARED, um modelo de tempo também é usado, mas fica no AAudioService.

Para a captura de áudio, é usado um modelo semelhante, mas os dados em PCM fluem na direção oposta.

Mudanças na HAL

Para tinyALSA consulte:

external/tinyalsa/include/tinyalsa/asoundlib.h
external/tinyalsa/include/tinyalsa/pcm.c

int pcm_start(struct pcm *pcm);
int pcm_stop(struct pcm *pcm);
int pcm_mmap_begin(struct pcm *pcm, void **areas,
           unsigned int *offset,
           unsigned int *frames);
int pcm_get_poll_fd(struct pcm *pcm);
int pcm_mmap_commit(struct pcm *pcm, unsigned int offset,
           unsigned int frames);
int pcm_mmap_get_hw_ptr(struct pcm* pcm, unsigned int *hw_ptr,
           struct timespec *tstamp);

Para a HAL legada, consulte:

hardware/libhardware/include/hardware/audio.h
hardware/qcom/audio/hal/audio_hw.c

int start(const struct audio_stream_out* stream);
int stop(const struct audio_stream_out* stream);
int create_mmap_buffer(const struct audio_stream_out *stream,
                        int32_t min_size_frames,
                        struct audio_mmap_buffer_info *info);
int get_mmap_position(const struct audio_stream_out *stream,
                        struct audio_mmap_position *position);

Para HAL de áudio HIDL:

hardware/interfaces/audio/2.0/IStream.hal
hardware/interfaces/audio/2.0/types.hal
hardware/interfaces/audio/2.0/default/Stream.h

start() generates (Result retval);
stop() generates (Result retval) ;
createMmapBuffer(int32_t minSizeFrames)
       generates (Result retval, MmapBufferInfo info);
getMmapPosition()
       generates (Result retval, MmapPosition position);

Informar suporte ao MMAP

Propriedade do sistema "aaudio.mmap_policy" deve ser definido como 2 (AAUDIO_POLICY_AUTO), portanto, a estrutura de áudio sabe que o modo MMAP é compatível com a HAL de áudio. (consulte "Ativar o caminho de dados MMAP da AAudio" abaixo.

O arquivo audio_policy_configuration.xml também precisa conter uma saída e uma entrada específico para o modo MMAP/NO IRQ para que o Gerenciador de políticas de áudio saiba qual fluxo deve ser aberto quando os clientes MMAP são criados:

<mixPort name="mmap_no_irq_out" role="source"
            flags="AUDIO_OUTPUT_FLAG_DIRECT|AUDIO_OUTPUT_FLAG_MMAP_NOIRQ">
            <profile name="" format="AUDIO_FORMAT_PCM_16_BIT"
                                samplingRates="48000"
                                channelMasks="AUDIO_CHANNEL_OUT_STEREO"/>
</mixPort>

<mixPort name="mmap_no_irq_in" role="sink" flags="AUDIO_INPUT_FLAG_MMAP_NOIRQ">
            <profile name="" format="AUDIO_FORMAT_PCM_16_BIT"
                                samplingRates="48000"
                                channelMasks="AUDIO_CHANNEL_IN_STEREO"/>
</mixPort>

Abrir e fechar um stream MMAP

createMmapBuffer(int32_t minSizeFrames)
            generates (Result retval, MmapBufferInfo info);

O fluxo MMAP pode ser aberto e fechado chamando funções Tinyalsa.

Posição do MMAP da consulta

O carimbo de data/hora transmitido ao modelo de velocidade contém uma posição de frame e uma Tempo MONOTONIC em nanossegundos:

getMmapPosition()
        generates (Result retval, MmapPosition position);

A HAL pode obter essas informações do driver ALSA chamando um novo Função Tinyalsa:

int pcm_mmap_get_hw_ptr(struct pcm* pcm,
                        unsigned int *hw_ptr,
                        struct timespec *tstamp);

Descritores de arquivos para memória compartilhada

O caminho dos dados MMAP da AAudio usa uma região de memória compartilhada entre as o hardware e o serviço de áudio. A memória compartilhada é referenciada por um descritor de arquivo gerado pelo driver do ALSA.

Mudanças do kernel

Se o descritor do arquivo estiver diretamente associado a uma /dev/snd/, ele poderá ser usado pelo serviço AAudio em Modo COMPARTILHADO. Mas o descritor não pode ser passado ao código do cliente para Modo EXCLUSIVO. O descritor de arquivo /dev/snd/ também forneceria amplo de acesso ao cliente, portanto, é bloqueado pelo SELinux.

Para oferecer suporte ao modo EXCLUSIVO, é necessário converter o Descritor /dev/snd/ para um arquivo anon_inode:dmabuf descritor. O SELinux permite que esse descritor de arquivo seja passado para o cliente. Ela também podem ser usados pelo AAudioService.

Um descritor de arquivo anon_inode:dmabuf pode ser gerado usando a biblioteca de memória do Android Ion.

Para mais informações, acesse estes recursos externos:

"O alocador de memória do Android ION" https://lwn.net/Articles/480055/ (link em inglês)
"Visão geral do Android ION" https://wiki.linaro.org/BenjaminGaignard/ion (em inglês)
"Como integrar o alocador de memória ION" https://lwn.net/Articles/565469/ (link em inglês)

Mudanças na HAL

O serviço da AAudio precisa saber se o anon_inode:dmabuf está suporte. Antes do Android 10.0, a única maneira de fazer isso era transmitir o tamanho do MMAP buffer como um número negativo, por exemplo, -2048 em vez de 2048, se compatível. No Android 10.0 e mais recentes defina a sinalização AUDIO_MMAP_APPLICATION_SHAREABLE.

mmapBufferInfo |= AUDIO_MMAP_APPLICATION_SHAREABLE;

Mudanças no subsistema de áudio

A AAudio exige um caminho de dados adicional no front-end do áudio para que possa operar em paralelo com o caminho original do AudioFlinger. Esse caminho legado é usado para todos os outros sons do sistema e do aplicativo. Essa funcionalidade pode ser fornecida por um mixer de software em uma DSP ou um no SOC.

Ativar caminho de dados MMAP da AAudio

A AAudio usará o caminho de dados legado do AudioFlinger se o MMAP não for compatível ou não consegue abrir um stream. Portanto, a AAudio funciona com um dispositivo de áudio que não suporte ao caminho MMAP/NOIRQ.

Ao testar o suporte a MMAP para AAudio, é importante saber se você está testar o caminho dos dados MMAP ou simplesmente testar o caminho dos dados legados. A a seguir, descrevemos como ativar ou forçar caminhos de dados específicos e como o caminho usado por um stream.

Propriedades do sistema

É possível definir a política MMAP por meio das propriedades do sistema:

1 = AAUDIO_POLICY_NEVER - Usar apenas o caminho legado. Nem tente usar o MMAP.
2 = AAUDIO_POLICY_AUTO - Tente usar MMAP. Se isso falhar ou não estiver disponível, use o caminho legado.
3 = AAUDIO_POLICY_ALWAYS - usar apenas o caminho MMAP. Não volte para a versão legada caminho.

Eles podem ser definidos no Makefile dos dispositivos da seguinte forma:

# Enable AAudio MMAP/NOIRQ data path.
# 2 is AAUDIO_POLICY_AUTO so it will try MMAP then fallback to Legacy path.
PRODUCT_PROPERTY_OVERRIDES += aaudio.mmap_policy=2
# Allow EXCLUSIVE then fall back to SHARED.
PRODUCT_PROPERTY_OVERRIDES += aaudio.mmap_exclusive_policy=2

Também é possível substituir esses valores após a inicialização do dispositivo. É necessário reiniciar o audioserver para que a alteração entre em vigor. Por exemplo, para ativar o modo AUTOMÁTICO para MMAP:

adb root

adb shell setprop aaudio.mmap_policy 2

adb shell killall audioserver

Há funções fornecidas ndk/sysroot/usr/include/aaudio/AAudioTesting.h, que permitem que você substitua a política por usar o caminho MMAP:

aaudio_result_t AAudio_setMMapPolicy(aaudio_policy_t policy);

Para descobrir se um stream está usando o caminho MMAP, chame:

bool AAudioStream_isMMapUsed(AAudioStream* stream);