Linux USB HOST EXTERNAL SOUNDCARD-平芜编程栈

前言

USB外置声卡一般是基于USB音频类（UAC）标准的设备，通过USB接口连接计算机，实现音频的输入输出功能。‌

‌UAC标准是核心基础

UAC是USB规范中的音频类标准，定义了音频设备与主机的通信方式，包括设备枚举、音频数据传输和控制功能，支持即插即用并在Windows、macOS、Linux等系统上广泛兼容。‌该标准分为UAC1.0和UAC2.0等版本，其中UAC2.0支持更高采样率（如192kHz/24bit）和更高效的数据传输。‌

‌工作原理与关键特性

USB声卡通过UAC协议使用USB控制传输设置参数、批量传输传输音频数据，并利用中断传输传递状态信息。‌其关键特性包括：

‌高兼容性‌：无需额外驱动即可在多种操作系统上运行。‌
‌灵活的音频格式支持‌：可配置采样率、位深度和通道数，例如支持双声道16bit/48kHz或更高规格。‌

‌低延迟与高保真‌

部分设备信噪比达85dB，适合专业录音和播放。‌

常见应用场景

USB声卡广泛应用于音乐制作、语音采集、游戏、家庭影院和音视频会议等场景。

USB声卡是外置声卡，即外挂USB设备作为声卡，我们调试过程中可以将主控的对应的USB接口配置成HOST模式，此时需要打开Linux ALSA驱动中的USB声卡驱动配置。

DTS配置的参考

/* usb20 host controller */ usb_1: usb1@YYYYYYYY { compatible = "xxx,xxx-usb"; reg = <0xYYYYYYYY 0xYYY>; interrupts = <GIC_SPI INT_USB20_HOST IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>; clocks = <&ahbX_gate 9>, <&ahbX_reset 9>; clock-names = "usb_gate", "usb_reset"; xxx,usbphy = <&usbphy_1>; dr_mode = "host"; /* 配置成了USB host模式 */ ...

内核配置的参考

USB Subsystem内核配置

CONFIG_USB_SUPPORT=y CONFIG_USB_ARCH_HAS_HCD=y

USB Phy内核配置

CONFIG_USB_PHY=y CONFIG_USB_NX_PHY=y

USB Host Core驱动内核配置

CONFIG_USB_COMMON=y CONFIG_USB=y CONFIG_USB_ANNOUNCE_NEW_DEVICES=y CONFIG_USB_DEFAULT_PERSIST=y

USB EHCI驱动内核配置

CONFIG_USB_EHCI_HCD=y CONFIG_USB_EHCI_ROOT_HUB_TT=y CONFIG_USB_EHCI_TT_NEWSCHED=y CONFIG_USB_EHCI_HCD_PLATFORM=y

芯片平台USB Host Controller驱动内核配置

CONFIG_USB_XXX=y CONFIG_USB_XXX_HOST=y CONFIG_USB_XXX_DEBUG=y

ALSA相关内核配置

CONFIG_SOUND=y CONFIG_SND=y CONFIG_SND_USB=y CONFIG_SND_USB_AUDIO=y

验证测试的参考

1. 烧录固件后，正常开机，接入USB声卡，命令行终端可以输入：dmesg | grep "usb"，探测到该USB接口的声卡的打印如下：

# dmesg | grep "usb" ... [ 0.986351] usbcore: registered new interface driver snd-usb-audio [ 0.993497] usb 1-1.1: new full-speed USB device number 3 using lb_hdc [ 1.150058] usb 1-1.1: New USB device found, idVendor=1b3f, idProduct=2008, bcdDevice= 1.00 [ 1.150068] usb 1-1.1: New USB device strings: Mfr=1, Product=2, SerialNumber=0 [ 1.150074] usb 1-1.1: Product: USB Audio Device [ 1.150080] usb 1-1.1: Manufacturer: GeneralPlus [ 1.177847] input: GeneralPlus USB Audio Device as /devices/platform/xxxxxxxx.usb1/xxx_hdc.1/usb1/1-1/1-1.1/1-1.1:1.3/0003:1B3F:2008.0001/input/input5 [ 1.177999] hid-generic 0003:1B3F:2008.0001: input: USB HID v2.01 Device [GeneralPlus USB Audio Device] on usb-xxx_hdc.1-1.1/input3 ...

2. 列出USB设备列表，查看USB声卡的USB设备信息是否存在。例如：

# lsusb Bus 001 Device 001: ID 1d6b:0002 Bus 001 Device 004: ID 0bda:c820 Bus 001 Device 002: ID 05e3:0608 Bus 001 Device 003: ID 1b3f:2008 （这里USB声卡的VID是1b3f，PID是2008。）

3. 查看音频设备信息。例如：

# cat /proc/asound/cards 0 [xxxcard ]: xxx_card - xxx_card （主控内置的音频编解码器设备） xxx_card 1 [Device ]: USB-Audio - USB Audio Device （外置的USB声卡设备） GeneralPlus USB Audio Device at usb-xxx_hdc.1-1.2, full speed # arecord -l **** List of CAPTURE Hardware Devices **** card 0: xxxcard [xxx_card], device 0: audio xxx_ac_dai-0 [] （主控内置的音频编解码器设备） Subdevices: 1/1 Subdevice #0: subdevice #0 card 1: Device [USB Audio Device], device 0: USB Audio [USB Audio] （外置的USB声卡设备） Subdevices: 1/1 Subdevice #0: subdevice #0 # aplay -l **** List of PLAYBACK Hardware Devices **** card 0: xxxcard [xxx_card], device 0: audio xxx_ac_dai-0 []（主控内置的音频编解码器设备） Subdevices: 1/1 Subdevice #0: subdevice #0 card 1: Device [USB Audio Device], device 0: USB Audio [USB Audio] （外置的USB声卡设备） Subdevices: 1/1 Subdevice #0: subdevice #0 # cat /proc/asound/card1/usbbus 001/003 # cat /proc/asound/card1/usbid 1b3f:2008

4. 录制音频测试。例如，录制USB声卡20秒声音：

# arecord -D "plughw:1,0" -f S16_LE -r 48000 -c 2 -d 20 -t wav /mnt/card/test.wav Recording WAVE '/mnt/card/test.wav' : Signed 16 bit Little Endian, Rate 16000 Hz, Mono

其中：

-D用于选择设备名称，这里使用外置USB声卡（plughw:1,0）；
-f用于指定录音格式，S16_LE代表有符号16位小端序；
-r用于指定采样率，48000表示48KHz采样；
-c用于指定声道数，2表示双声道；
-d用于指定录音的时长，单位为秒。如果未指定此参数，录音将默认持续进行，直到用户手动中断（例如通过按 Ctrl+C）；
-t用于指定录音文件格式，wav表示wav格式；
/mnt/card/test.wav表示指定保存的文件路径或文件名。

5. 播放音频测试。例如，播放20秒声音：

# aplay -v /mnt/card/test.wav Playing WAVE '/mnt/card/test.wav' : Signed 16 bit Little Endian, Rate 48000 Hz, Stereo Plug PCM: Direct Stream Mixing PCM Its setup is: stream : PLAYBACK access : RW_INTERLEAVED format : S16_LE subformat : STD channels : 2 rate : 48000 exact rate : 48000 (48000/1) msbits : 16 buffer_size : 7680 period_size : 1920 period_time : 40000 tstamp_mode : NONE tstamp_type : MONOTONIC period_step : 1 avail_min : 1920 period_event : 0 start_threshold : 7680 stop_threshold : 7680 silence_threshold: 0 silence_size : 0 boundary : 2013265920 Hardware PCM card 1 'AB13X USB Audio' device 0 subdevice 0 Its setup is: stream : PLAYBACK access : MMAP_INTERLEAVED format : S16_LE subformat : STD channels : 2 rate : 48000 exact rate : 48000 (48000/1) msbits : 16 buffer_size : 7680 period_size : 1920 period_time : 40000 tstamp_mode : ENABLE tstamp_type : MONOTONIC period_step : 1 avail_min : 1920 period_event : 0 start_threshold : 1 stop_threshold : 2013265920 silence_threshold: 0 silence_size : 2013265920 boundary : 2013265920 appl_ptr : 0 hw_ptr : 0

6. 验证USB声卡的录制和播放音频正常后，修改asound.conf的配置。例如：

pcm.!dmix { # 叹号（!）表明这个dmix配置会覆盖ALSA的默认dmix配置。 type dmix # dmix混音输出，实现多个音频流的混合输出的一个pcm插件。 ipc_key 5678293 # 必须为整数形式的唯一ipc_key。 ipc_key_add_uid yes # UID值将添加到ipc_key设置中，可避免同一IPC密钥与不同用户同时发生冲突。 slave { # slave是该dmix输出的PCM设备。 pcm "hw:1,0" # 这里配置为声卡1的0号设备。 period_time 40000 buffer_time 160000 format S16_LE rate 48000 # 当前采样率，这里配置为48KHz。 channels 2 # 当前通道数，这里配置为双通道。 } } pcm.!dsnoop { # 叹号（!）表明这个dsnoop配置会覆盖ALSA的默认dsnoop配置。 type dsnoop # dsnoop录音分流，实现输入音频流的分流。 ipc_key 5778293 # 必须为整数形式的唯一ipc_key。 ipc_key_add_uid yes # UID值将添加到ipc_key设置中，可避免同一IPC密钥与不同用户同时发生冲突。 slave { # slave是该dsnoop输出的PCM设备。 pcm "hw:1,0" # 这里配置为声卡1的0号设备。 period_time 40000 buffer_time 160000 format S16_LE rate 48000 # 当前采样率，这里配置为48KHz。 channels 2 # 当前通道数，这里配置为双通道。 } } pcm.asymed { type asym # asym插件能同时支持播放和录音。 playback.pcm "dmix" capture.pcm "dsnoop" } pcm.!default { # 叹号（!）表明把ALSA的默认PCM设备设置为"asymed"， # 这样应用程序通过ALSA接口打开默认PCM设备时，使用的就是"asymed"设备。 type plug slave.pcm "asymed" # 指明默认的PCM设备为"asymed"。 } ...

7. 修改audio.json的配置。例如：

{ "card1" : { "playback" : { /* 音频播放 */ "card" : 1, /* 配置为声卡1 */ "device" : 0, /* 配置为0号设备 */ "rate" : 48000, /* 当前采样率，这里配置为48KHz。 */ "format" : 16, /* 这里配置位宽为16bit */ "channels" : 2, /* 这里配置为双通道 */ "period_time" : 32, "period_count" : 2 }, "capture" : { /* 音频录制 */ "card" : 1, /* 配置为声卡1 */ "device" : 0, /* 配置为0号设备 */ "rate" : 48000, /* 当前采样率，这里配置为48KHz。 */ "format" : 16, /* 这里配置位宽为16bit */ "channels" : 2, /* 这里配置为双通道 */ "period_time" : 32, "period_count" : 2 }, ... } }

8. 修改完配置后，重新编译root并烧录固件后，正常开机，接入USB声卡，可进行音视频录制和播放，查看效果是否可以达到项目需求。

总结

USB声卡大部分是通过UAC协议通信的‌，这是USB音频设备的通用标准。简单来说，UAC（USB Audio Class）是USB规范中专门为音频设备定义的一套通信协议，它确保了不同厂商的USB声卡能在各种操作系统（如Windows、macOS、Linux）下正常工作。无论是USB麦克风、USB声卡还是其他音频设备，只要通过USB接口与电脑连接，底层的大部分是基于UAC协议进行音频数据的传输和控制。UAC协议还分为多个版本，比如UAC1.0、UAC2.0和UAC3.0，虽然不同版本支持的功能和性能有所差异，但核心通信机制是一致的。所以，无论我们用的是哪种USB声卡，背后都是UAC协议在发挥作用。