2.5 USB摄像头驱动程序框架-白红宇

2.5 USB摄像头驱动程序框架

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发布时间：2019-06-21

本文共 7280 字，大约阅读时间需要 24 分钟。

学习目标：根据vivi驱动架构和linux-2.6.31/linux-2.6.31.14/drivers/media/video/uvc/Uvc_driver.c驱动源码，分析usb摄像头驱动程序框架；

一、摄像头拓扑结构

由数据手册USB_Video_Example 1.5和UVC 1.5 Class specification分析摄像头的拓扑结构，如下图所示：

usb摄像头功能由摄像头接口完成，每个摄像头功能包括一个 VideoControl interface （VC）和几个VideoStreaming interface (VS)。

1) CS主要用于控制，它又抽象出两个概念：unit和termiral。unit用于里面的相关控制。termiral用于内外连接。其中，unit中包括：a. Selector Unit (SU) 选择（CT (Camera Terminal) 和IT(Input Terminal)）哪一路。b. Processing Unit (PU) 用于亮度等属性参数控制。

2) VS用于传输，来读视频数据，。需要设置类型type和格式format，选择实时传输还是批量传输Bulk。

二、usb摄像头源码框架分析

在Linux内核里自带usb摄像头驱动程序，它支持uvc规格的摄像头（uvc即usb video class），进入源码程序分析。

1、进入uvc_init入口函数

--> result = usb_register(&uvc_driver.driver);

struct uvc_driver uvc_driver = {    .driver = {        .name        = "uvcvideo",        .probe        = uvc_probe,        .disconnect    = uvc_disconnect,        .suspend    = uvc_suspend,        .resume        = uvc_resume,        .reset_resume    = uvc_reset_resume,        .id_table    = uvc_ids,        .supports_autosuspend = 1,    },};

注册了 uvc_driver结构体，根据.id_table匹配后，进入uvc_probe函数：

uvc_register_video(dev)

　　-->vdev = video_device_alloc();

　　　vdev->fops = &uvc_fops;

　　　vdev->release = video_device_release;

　　　video_register_device(vdev, VFL_TYPE_GRABBER, -1)

const struct v4l2_file_operations uvc_fops = {    .owner        = THIS_MODULE,    .open        = uvc_v4l2_open,    .release    = uvc_v4l2_release,    .ioctl        = uvc_v4l2_ioctl,    .read        = uvc_v4l2_read,    .mmap        = uvc_v4l2_mmap,    .poll        = uvc_v4l2_poll,};

由此可知，写一个USB摄像头驱动程序需要以下步骤：

1）构造一个usb_driver结构体(uvc结构体)

2）设置

probe:

2.1. 分配video_device:video_device_alloc

2.2. 设置

.fops

.ioctl_ops (里面需要设置11项)

如果要用内核提供的缓冲区操作函数，还需要构造一个videobuf_queue_ops

2.3. 注册: video_register_device

id_table: 表示支持哪些USB设备

3）注册： usb_register

2、分析UVC驱动调用过程

const struct v4l2_file_operations uvc_fops = {    .owner        = THIS_MODULE,    .open        = uvc_v4l2_open,    .release    = uvc_v4l2_release,    .ioctl        = uvc_v4l2_ioctl,    .read        = uvc_v4l2_read,    .mmap        = uvc_v4l2_mmap,    .poll        = uvc_v4l2_poll,};

1) open函数

　 uvc_v4l2_open //一系列设置

2) uvc_v4l2_ioctl函数

-->video_usercopy(file, cmd, arg, uvc_v4l2_do_ioctl);//将用户提供的参数拷贝到内核态，并调用uvc_v4l2_do_ioctl函数

　　-->uvc_v4l2_do_ioctl

　　　　struct video_device *vdev = video_devdata(file);//根据次设备号,找到video_device

　　　　switch (cmd) { //根据cmd执行一系列的ioctl函数

　　　　/* Query capabilities */

　　　　case VIDIOC_QUERYCAP:

　　　　 .......

接下来具体分析ioctl过程：

1）VIDIOC_QUERYCAP

if (video->streaming->type == V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE)            cap->capabilities = V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE                      | V4L2_CAP_STREAMING;        else            cap->capabilities = V4L2_CAP_VIDEO_OUTPUT                      | V4L2_CAP_STREAMING;        break;

// video->streaming->type 应该是在设备被枚举时分析描述符时设置的。（对用功能拓扑的VS）

2）VIDIOC_ENUM_FMT // format数组应是在设备被枚举时设置的

　　format = &video->streaming->format[fmt->index];

3）VIDIOC_G_FMT

　　--> uvc_v4l2_get_format(video, arg); // USB摄像头支持多种格式fromat, 每种格式下有多种frame(比如分辨率)

　　　　 struct uvc_format *format = video->streaming->cur_format;

　　　　 struct uvc_frame *frame = video->streaming->cur_frame;

4）VIDIOC_TRY_FMT

　　-->uvc_v4l2_try_format(video, arg, &probe, NULL, NULL);

　　　　/* Check if the hardware supports the requested format. */

　　　　/* Find the closest image size.*/找到最接近的图像格式

5）VIDIOC_S_FMT // 只是把参数保存起来，还没有发给USB摄像头

　　-->uvc_v4l2_set_format(video, arg);

　　　　uvc_v4l2_try_format(video, fmt, &probe, &format, &frame);

　　　　 memcpy(&video->streaming->ctrl, &probe, sizeof probe);

　　　　video->streaming->cur_format = format;

　　　　video->streaming->cur_frame = frame;

6）VIDIOC_REQBUFS

　　-->uvc_alloc_buffers(&video->queue, rb->count, bufsize);

　　 unsigned int bufsize = video->streaming->ctrl.dwMaxVideoFrameSize; //bufsize已经设置并获取，vmalloc时只需传进来应用程序的rb->count数值

　　　　/* 根据rb->count来分配多少个buf*/

　　　 for (; nbuffers > 0; --nbuffers) {

　　　　 mem = vmalloc_32(nbuffers * bufsize);

　　　　 if (mem != NULL)

　　　　 break;

　　　 }　　　

7）VIDIOC_QUERYBUF

　　-->uvc_query_buffer(&video->queue, buf);

__uvc_query_buffer

memcpy(v4l2_buf, &buf->buf, sizeof *v4l2_buf); // 复制参数

8）mmap //查询buf参数后使用mmap把buf映射给应用程序

　　uvc_v4l2_mmap

9）VIDIOC_QBUF　

　　-->uvc_queue_buffer(&video->queue, arg);

　　　　 list_add_tail(&buf->stream, &queue->mainqueue);

　　　　list_add_tail(&buf->queue, &queue->irqqueue);

10）VIDIOC_STREAMON

　　-->uvc_video_enable(video, 1) // 把所设置的参数发给硬件,然后启动摄像头

　　　　/* Commit the streaming parameters. /* 传输

　　　　 uvc_commit_video(video, &video->streaming->ctrl) //*在前面VIDIOC_S_FMT赋值的video->streaming->ctrl

　　　　　　-->uvc_set_video_ctrl(video, probe, 0);///* 设置格式fromat, frame */

　　　　　　　　ret = __uvc_query_ctrl(video->dev,/* 哪一个USB设备 */ SET_CUR, 0, video->streaming->intfnum, /* 哪一个接口: VS */

　　　　　　　　　　　　　　　　probe ? VS_PROBE_CONTROL : VS_COMMIT_CONTROL, data, size,

　　　　　　　　　　　　　　　　 uvc_timeout_param);

注意：此处用到了__uvc_query_ctrl函数

　　　　　　　　/* *启动 Initialize isochronous/bulk URBs and allocate transfer buffers. */

　　　　　　　　uvc_init_video(video, GFP_KERNEL);

　　　　　　　　uvc_init_video_isoc(video, ep, gfp_flags);(实时传输)/uvc_init_video_bulk(video, ep, gfp_flags)（批量传输）

　　　　　　　　　　-->usb_alloc_urb

　　　　　　　　　　设置urb结构体（urb用于usb数据传输的结构体）

　　　　　　　　　　 urb->complete = uvc_video_complete;(收到数据后此函数被调用,它又调用video->decode(urb, video, buf); ==>uvc_video_decode_isoc/uvc_video_encode_bulk => uvc_queue_next_buffer => wake_up(&buf->wait);)

　　　　　　-->usb_submit_urb(video->urb[i], gfp_flags)) ; /* Submit the URBs. */

11） poll

--> uvc_v4l2_poll

uvc_queue_poll

poll_wait(file, &buf->wait, wait); // 休眠等待有数据　　　

12) VIDIOC_DQBUF　//有数据时，把buf从队列中取出，并从原始队列里面删除

　　　--> uvc_dequeue_buffer(&video->queue, arg, file->f_flags & O_NONBLOCK);

　　　　 list_del(&buf->stream);　　

13）VIDIOC_STREAMOFF

　　 uvc_video_enable(video, 0); //0表示关闭

　　 uvc_uninit_video(video, 1);

　　--> usb_kill_urb(urb);