[ALSA] usb-audio - Fix audiophile-USB quirk for little-endian
[powerpc.git] / Documentation / sound / alsa / Audiophile-Usb.txt
1         Guide to using M-Audio Audiophile USB with ALSA and Jack        v1.4
2         ========================================================
3
4             Thibault Le Meur <Thibault.LeMeur@supelec.fr>
5
6 This document is a guide to using the M-Audio Audiophile USB (tm) device with 
7 ALSA and JACK.
8
9 History
10 =======
11 * v1.4 - Thibault Le Meur (2007-07-11)
12  - Added Low Endianness nature of 16bits-modes
13    found by Hakan Lennestal <Hakan.Lennestal@brfsodrahamn.se>
14  - Modifying document structure
15
16
17 1 - Audiophile USB Specs and correct usage
18 ==========================================
19
20 This part is a reminder of important facts about the functions and limitations 
21 of the device.
22
23 The device has 4 audio interfaces, and 2 MIDI ports:
24  * Analog Stereo Input (Ai)
25    - This port supports 2 pairs of line-level audio inputs (1/4" TS and RCA) 
26    - When the 1/4" TS (jack) connectors are connected, the RCA connectors
27      are disabled
28  * Analog Stereo Output (Ao)
29  * Digital Stereo Input (Di)
30  * Digital Stereo Output (Do)
31  * Midi In (Mi)
32  * Midi Out (Mo)
33
34 The internal DAC/ADC has the following characteristics:
35 * sample depth of 16 or 24 bits
36 * sample rate from 8kHz to 96kHz
37 * Two interfaces can't use different sample depths at the same time.
38 Moreover, the Audiophile USB documentation gives the following Warning:
39 "Please exit any audio application running before switching between bit depths"
40
41 Due to the USB 1.1 bandwidth limitation, a limited number of interfaces can be 
42 activated at the same time depending on the audio mode selected:
43  * 16-bit/48kHz ==> 4 channels in + 4 channels out
44    - Ai+Ao+Di+Do
45  * 24-bit/48kHz ==> 4 channels in + 2 channels out, 
46                     or 2 channels in + 4 channels out
47    - Ai+Ao+Do or Ai+Di+Ao or Ai+Di+Do or Di+Ao+Do
48  * 24-bit/96kHz ==> 2 channels in _or_ 2 channels out (half duplex only)
49    - Ai or Ao or Di or Do
50
51 Important facts about the Digital interface:
52 --------------------------------------------
53  * The Do port additionally supports surround-encoded AC-3 and DTS passthrough, 
54 though I haven't tested it under Linux
55    - Note that in this setup only the Do interface can be enabled
56  * Apart from recording an audio digital stream, enabling the Di port is a way 
57 to synchronize the device to an external sample clock
58    - As a consequence, the Di port must be enable only if an active Digital 
59 source is connected
60    - Enabling Di when no digital source is connected can result in a 
61 synchronization error (for instance sound played at an odd sample rate)
62
63
64 2 - Audiophile USB MIDI support in ALSA
65 =======================================
66
67 The Audiophile USB MIDI ports will be automatically supported once the
68 following modules have been loaded:
69  * snd-usb-audio
70  * snd-seq-midi
71
72 No additional setting is required.
73
74
75 3 - Audiophile USB Audio support in ALSA
76 ========================================
77
78 Audio functions of the Audiophile USB device are handled by the snd-usb-audio 
79 module. This module can work in a default mode (without any device-specific 
80 parameter), or in an "advanced" mode with the device-specific parameter called 
81 "device_setup".
82
83 3.1 - Default Alsa driver mode
84 ------------------------------
85
86 The default behavior of the snd-usb-audio driver is to list the device 
87 capabilities at startup and activate the required mode when required 
88 by the applications: for instance if the user is recording in a 
89 24bit-depth-mode and immediately after wants to switch to a 16bit-depth mode,
90 the snd-usb-audio module will reconfigure the device on the fly.
91
92 This approach has the advantage to let the driver automatically switch from sample 
93 rates/depths automatically according to the user's needs. However, those who 
94 are using the device under windows know that this is not how the device is meant to
95 work: under windows applications must be closed before using the m-audio control
96 panel to switch the device working mode. Thus as we'll see in next section, this 
97 Default Alsa driver mode can lead to device misconfigurations.
98
99 Let's get back to the Default Alsa driver mode for now.  In this case the 
100 Audiophile interfaces are mapped to alsa pcm devices in the following 
101 way (I suppose the device's index is 1):
102  * hw:1,0 is Ao in playback and Di in capture
103  * hw:1,1 is Do in playback and Ai in capture
104  * hw:1,2 is Do in AC3/DTS passthrough mode
105
106 In this mode, the device uses Big Endian byte-encoding so that 
107 supported audio format are S16_BE for 16-bit depth modes and S24_3BE for 
108 24-bits depth mode. One exception is the hw:1,2 port which is reported 
109 to be Little Endian compliant (supposedly supporting S16_LE) but processes 
110 in fact only S16_BE streams.
111
112 Examples:
113  * playing a S24_3BE encoded raw file to the Ao port
114    % aplay -D hw:1,0 -c2 -t raw -r48000 -fS24_3BE test.raw
115  * recording a  S24_3BE encoded raw file from the Ai port
116    % arecord -D hw:1,1 -c2  -t raw -r48000 -fS24_3BE test.raw
117  * playing a S16_BE encoded raw file to the Do port
118    % aplay -D hw:1,1 -c2 -t raw -r48000 -fS16_BE test.raw
119
120 If you're happy with the default Alsa driver mode and don't experience any 
121 issue with this mode, then you can skip the following chapter.
122
123 3.2 - Advanced module setup
124 ---------------------------
125
126 Due to the hardware constraints described above, the device initialization made 
127 by the Alsa driver in default mode may result in a corrupted state of the 
128 device. For instance, a particularly annoying issue is that the sound captured 
129 from the Ai interface sounds distorted (as if boosted with an excessive high
130 volume gain).
131
132 For people having this problem, the snd-usb-audio module has a new module 
133 parameter called "device_setup" (this parameter was introduced in kernel
134 release 2.6.17)
135
136 3.2.1 - Initializing the working mode of the Audiophile USB
137
138 As far as the Audiophile USB device is concerned, this value let the user 
139 specify:
140  * the sample depth
141  * the sample rate
142  * whether the Di port is used or not 
143
144 When initialized with "device_setup=0x00", the snd-usb-audio module has
145 the same behaviour as when the parameter is omitted (see paragraph "Default 
146 Alsa driver mode" above)
147
148 Others modes are described in the following subsections.
149
150 3.2.1.1 - 16-bit modes
151
152 The two supported modes are:
153
154  * device_setup=0x01
155    - 16bits 48kHz mode with Di disabled
156    - Ai,Ao,Do can be used at the same time
157    - hw:1,0 is not available in capture mode
158    - hw:1,2 is not available
159
160  * device_setup=0x11
161    - 16bits 48kHz mode with Di enabled
162    - Ai,Ao,Di,Do can be used at the same time
163    - hw:1,0 is available in capture mode
164    - hw:1,2 is not available
165
166 In this modes the device operates only at 16bits-modes. Before kernel 2.6.23,
167 the devices where reported to be Big-Endian when in fact they were Little-Endian
168 so that playing a file was a matter of using:
169    % aplay -D hw:1,1 -c2 -t raw -r48000 -fS16_BE test_S16_LE.raw
170 where "test_S16_LE.raw" was in fact a little-endian sample file.
171
172 Thanks to Hakan Lennestal (who discovered the Little-Endiannes of the device in
173 these modes) a fix has been committed (expected in kernel 2.6.23) and
174 Alsa now reports Little-Endian interfaces. Thus playing a file now is as simple as
175 using:
176    % aplay -D hw:1,1 -c2 -t raw -r48000 -fS16_LE test_S16_LE.raw
177
178 3.2.1.2 - 24-bit modes
179
180 The three supported modes are:
181
182  * device_setup=0x09
183    - 24bits 48kHz mode with Di disabled
184    - Ai,Ao,Do can be used at the same time
185    - hw:1,0 is not available in capture mode
186    - hw:1,2 is not available
187
188  * device_setup=0x19
189    - 24bits 48kHz mode with Di enabled
190    - 3 ports from {Ai,Ao,Di,Do} can be used at the same time
191    - hw:1,0 is available in capture mode and an active digital source must be 
192      connected to Di
193    - hw:1,2 is not available
194
195  * device_setup=0x0D or 0x10
196    - 24bits 96kHz mode
197    - Di is enabled by default for this mode but does not need to be connected 
198      to an active source
199    - Only 1 port from {Ai,Ao,Di,Do} can be used at the same time
200    - hw:1,0 is available in captured mode
201    - hw:1,2 is not available
202
203 In these modes the device is only Big-Endian compliant (see "Default Alsa driver 
204 mode" above for an aplay command example)
205
206 3.2.1.3 - AC3 w/ DTS passthru mode
207
208 This mode is untested, I have no AC3 compliant device to test it. I uses:
209
210  * device_setup=0x03
211    - 16bits 48kHz mode with only the Do port enabled 
212    - AC3 with DTS passthru (not tested)
213    - Caution with this setup the Do port is mapped to the pcm device hw:1,0
214
215 3.2.2 - How to use the device_setup parameter
216 ----------------------------------------------
217
218 The parameter can be given:
219
220  * By manually probing the device (as root):
221    # modprobe -r snd-usb-audio
222    # modprobe snd-usb-audio index=1 device_setup=0x09
223
224  * Or while configuring the modules options in your modules configuration file
225    - For Fedora distributions, edit the /etc/modprobe.conf file:
226        alias snd-card-1 snd-usb-audio
227        options snd-usb-audio index=1 device_setup=0x09
228
229 CAUTION when initializaing the device
230 -------------------------------------
231
232  * Correct initialization on the device requires that device_setup is given to
233    the module BEFORE the device is turned on. So, if you use the "manual probing"
234    method described above, take care to power-on the device AFTER this initialization.
235
236  * Failing to respect this will lead in a misconfiguration of the device. In this case
237    turn off the device, unproble the snd-usb-audio module, then probe it again with 
238    correct device_setup parameter and then (and only then) turn on the device again.
239
240  * If you've correctly initialized the device in a valid mode and then want to switch
241    to  another mode (possibly with another sample-depth), please use also the following 
242    procedure:
243    - first turn off the device
244    - de-register the snd-usb-audio module (modprobe -r)
245    - change the device_setup parameter by changing the device_setup
246      option in /etc/modprobe.conf 
247    - turn on the device
248  * A workaround for this last issue has been applied to kernel 2.6.23, but it may not
249    be enough to ensure the 'stability' of the device initialization.
250
251 3.2.3 - Technical details for hackers
252 -------------------------------------
253 This section is for hackers, wanting to understand details about the device
254 internals and how Alsa supports it.
255
256 3.2.3.1 - Audiophile USB's device_setup structure
257
258 If you want to understand the device_setup magic numbers for the Audiophile 
259 USB, you need some very basic understanding of binary computation. However, 
260 this is not required to use the parameter and you may skip this section.
261
262 The device_setup is one byte long and its structure is the following:
263
264        +---+---+---+---+---+---+---+---+
265        | b7| b6| b5| b4| b3| b2| b1| b0|
266        +---+---+---+---+---+---+---+---+
267        | 0 | 0 | 0 | Di|24B|96K|DTS|SET|
268        +---+---+---+---+---+---+---+---+
269
270 Where:
271  * b0 is the "SET" bit
272    - it MUST be set if device_setup is initialized 
273  * b1 is the "DTS" bit
274    - it is set only for Digital output with DTS/AC3
275    - this setup is not tested
276  * b2 is the Rate selection flag
277    - When set to "1" the rate range is 48.1-96kHz
278    - Otherwise the sample rate range is 8-48kHz
279  * b3 is the bit depth selection flag
280    - When set to "1" samples are 24bits long
281    - Otherwise they are 16bits long
282    - Note that b2 implies b3 as the 96kHz mode is only supported for 24 bits 
283      samples
284  * b4 is the Digital input flag
285    - When set to "1" the device assumes that an active digital source is 
286      connected 
287    - You shouldn't enable Di if no source is seen on the port (this leads to 
288      synchronization issues)
289    - b4 is implied by b2 (since only one port is enabled at a time no synch 
290      error can occur) 
291  * b5 to b7 are reserved for future uses, and must be set to "0"
292    - might become Ao, Do, Ai, for b7, b6, b4 respectively
293
294 Caution:
295  * there is no check on the value you will give to device_setup
296    - for instance choosing 0x05 (16bits 96kHz) will fail back to 0x09 since 
297      b2 implies b3. But _there_will_be_no_warning_ in /var/log/messages
298  * Hardware constraints due to the USB bus limitation aren't checked
299    - choosing b2 will prepare all interfaces for 24bits/96kHz but you'll
300      only be able to use one at the same time
301
302 3.2.3.2 -  USB implementation details for this device
303
304 You may safely skip this section if you're not interested in driver 
305 hacking.
306
307 This section describes some internal aspects of the device and summarizes the 
308 data I got by usb-snooping the windows and Linux drivers.
309
310 The M-Audio Audiophile USB has 7 USB Interfaces:
311 a "USB interface":
312  * USB Interface nb.0
313  * USB Interface nb.1
314    - Audio Control function
315  * USB Interface nb.2
316    - Analog Output
317  * USB Interface nb.3
318    - Digital Output
319  * USB Interface nb.4
320    - Analog Input
321  * USB Interface nb.5
322    - Digital Input
323  * USB Interface nb.6
324    - MIDI interface compliant with the MIDIMAN quirk 
325
326 Each interface has 5 altsettings (AltSet 1,2,3,4,5) except:
327  * Interface 3 (Digital Out) has an extra Alset nb.6 
328  * Interface 5 (Digital In) does not have Alset nb.3 and 5 
329
330 Here is a short description of the AltSettings capabilities:
331  * AltSettings 1 corresponds to
332   - 24-bit depth, 48.1-96kHz sample mode
333   - Adaptive playback (Ao and Do), Synch capture (Ai), or Asynch capture (Di)
334  * AltSettings 2 corresponds to
335   - 24-bit depth, 8-48kHz sample mode
336   - Asynch capture and playback  (Ao,Ai,Do,Di)
337  * AltSettings 3 corresponds to
338   - 24-bit depth, 8-48kHz sample mode
339   - Synch capture (Ai) and Adaptive playback (Ao,Do)
340  * AltSettings 4 corresponds to
341   - 16-bit depth, 8-48kHz sample mode
342   - Asynch capture and playback  (Ao,Ai,Do,Di)
343  * AltSettings 5 corresponds to
344   - 16-bit depth, 8-48kHz sample mode
345   - Synch capture (Ai) and Adaptive playback (Ao,Do)
346  * AltSettings 6 corresponds to
347   - 16-bit depth, 8-48kHz sample mode
348   - Synch playback (Do), audio format type III IEC1937_AC-3
349
350 In order to ensure a correct initialization of the device, the driver 
351 _must_know_ how the device will be used:
352  * if DTS is chosen, only Interface 2 with AltSet nb.6 must be
353    registered
354  * if 96KHz only AltSets nb.1 of each interface must be selected
355  * if samples are using 24bits/48KHz then AltSet 2 must me used if
356    Digital input is connected, and only AltSet nb.3 if Digital input
357    is not connected
358  * if samples are using 16bits/48KHz then AltSet 4 must me used if
359    Digital input is connected, and only AltSet nb.5 if Digital input
360    is not connected
361
362 When device_setup is given as a parameter to the snd-usb-audio module, the 
363 parse_audio_endpoints function uses a quirk called 
364 "audiophile_skip_setting_quirk" in order to prevent AltSettings not 
365 corresponding to device_setup from being registered in the driver.
366
367 4 - Audiophile USB and Jack support
368 ===================================
369
370 This section deals with support of the Audiophile USB device in Jack.
371
372 There are 2 main potential issues when using Jackd with the device:
373 * support for Big-Endian devices in 24-bit modes
374 * support for 4-in / 4-out channels
375
376 4.1 - Direct support in Jackd
377 -----------------------------
378
379 Jack supports big endian devices only in recent versions (thanks to
380 Andreas Steinmetz for his first big-endian patch). I can't remember 
381 extacly when this support was released into jackd, let's just say that 
382 with jackd version 0.103.0 it's almost ok (just a small bug is affecting 
383 16bits Big-Endian devices, but since you've read  carefully the above 
384 paragraphs, you're now using kernel >= 2.6.23 and your 16bits devices 
385 are now Little Endians ;-) ).
386
387 You can run jackd with the following command for playback with Ao and
388 record with Ai:
389   % jackd -R -dalsa -Phw:1,0 -r48000 -p128 -n2 -D -Chw:1,1
390
391 4.2 - Using Alsa plughw
392 -----------------------
393 If you don't have a recent Jackd installed, you can downgrade to using
394 the Alsa "plug" converter.
395
396 For instance here is one way to run Jack with 2 playback channels on Ao and 2 
397 capture channels from Ai:
398   % jackd -R -dalsa -dplughw:1 -r48000 -p256 -n2 -D -Cplughw:1,1
399
400 However you may see the following warning message:
401 "You appear to be using the ALSA software "plug" layer, probably a result of 
402 using the "default" ALSA device. This is less efficient than it could be. 
403 Consider using a hardware device instead rather than using the plug layer."
404
405 4.3 - Getting 2 input and/or output interfaces in Jack
406 ------------------------------------------------------
407
408 As you can see, starting the Jack server this way will only enable 1 stereo
409 input (Di or Ai) and 1 stereo output (Ao or Do).
410
411 This is due to the following restrictions:
412 * Jack can only open one capture device and one playback device at a time
413 * The Audiophile USB is seen as 2 (or three) Alsa devices: hw:1,0, hw:1,1
414   (and optionally hw:1,2)
415
416 If you want to get Ai+Di and/or Ao+Do support with Jack, you would need to
417 combine the Alsa devices into one logical "complex" device.
418
419 If you want to give it a try, I recommend reading the information from
420 this page: http://www.sound-man.co.uk/linuxaudio/ice1712multi.html
421 It is related to another device (ice1712) but can be adapted to suit
422 the Audiophile USB.
423
424 Enabling multiple Audiophile USB interfaces for Jackd will certainly require:
425 * Making sure your Jackd version has the MMAP_COMPLEX patch (see the ice1712 page)
426 * (maybe) patching the alsa-lib/src/pcm/pcm_multi.c file (see the ice1712 page)
427 * define a multi device (combination of hw:1,0 and hw:1,1) in your .asoundrc
428   file 
429 * start jackd with this device
430
431 I had no success in testing this for now, if you have any success with this kind 
432 of setup, please drop me an email.