USB攝像頭驅動框架分析

阿新 • • 發佈：2018-12-31

怎樣構造一個攝像頭驅動程式：

1. 分配video_device:video_device_alloc
2. 設定
   .fops
   .ioctl_ops (裡面需要設定11項)
   如果要用核心提供的緩衝區操作函式，還需要構造一個videobuf_queue_ops
3. 註冊: video_register_device

怎樣構造USB攝像頭驅動：

1.構造一個usb_driver
2.設定
   probe:
        2.1. 分配video_device:video_device_alloc
        2.2. 設定
           .fops 

           .ioctl_ops (裡面需要設定11項)
           如果要用核心提供的緩衝區操作函式，還需要構造一個videobuf_queue_ops
        2.3. 註冊: video_register_device      
  id_table: 表示支援哪些USB裝置      
3.註冊： usb_register

usb裝置接到板子上，能被usb_driver識別（即吻合id_table），將呼叫probe函式，分配video_device_alloc，設定它，然後註冊它。

Linux核心自帶USB攝像頭的驅動程式，支援UVC格式的攝像頭。
UVC: USB Video Class，是某一類usb裝置
UVC驅動程式在核心中所在位置：linux-2.6.31.14\drivers\media\video\uvc\

linux-2.6.31.14\drivers\media\video\uvc\Makefile

uvcvideo-objs  := uvc_driver.o uvc_queue.o uvc_v4l2.o uvc_video.o uvc_ctrl.o \
          uvc_status.o uvc_isight.o
obj-$(CONFIG_USB_VIDEO_CLASS) += uvcvideo.o

分析核心框架：
核心版本linux-2.6.31.14
uvc_driver.c（drivers\media\video\uvc）分析:
1.入口函式uvc_init：result = usb_register(&uvc_driver.driver);

uvc_driver結構體：

struct uvc_driver uvc_driver = {
    .driver = {
        .name       = "uvcvideo",
        .probe      = uvc_probe,//接上能識別的裝置，呼叫uvc_probe
        .disconnect = uvc_disconnect,
        .suspend    = uvc_suspend,
        .resume     = uvc_resume,
        .reset_resume   = uvc_reset_resume,
        .id_table   = uvc_ids,
        .supports_autosuspend = 1,
    },
};

2.uvc_probe函式：

uvc_probe
        uvc_register_video //註冊
            vdev = video_device_alloc();//分配
            vdev->fops = &uvc_fops;//設定
                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 };
            video_register_device//註冊

這裡寫圖片描述

VideoControl Interface視訊控制介面，VideoStreaming Interface視訊流控制介面。通過VideoControl Interface來控制，通VideoStreaming Interface來讀視訊資料，VC裡含有多個Unit/Terminal等功能模組，可以通過訪問這些模組進行控制，比如調亮度。

CT:Camera Terminal          IT:Input  Terminal  
SU:Select Unit                     PU:Process Unit
OT:Out Terminal

具體功能查手冊：UVC 1.5 Class specification.pdf。

這裡寫圖片描述
Terminal用於內外連結，Unit 用於內部處理。

分析驅動程式的方法：通過分析應用程式對它的呼叫過程。

分析UVC驅動呼叫過程：uvc_v412.c

1.open:
        uvc_v4l2_open

應用程式呼叫open時，就會進入驅動程式，這裡呼叫uvc_driver.c的 uvc_fops 結構體裡面的uvc_v4l2_open。

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,
};

2. ioctl:
       uvc_v4l2_ioctl
           return video_usercopy(file, cmd, arg, uvc_v4l2_do_ioctl);
           //將應用程度提供的引數拷貝到核心，然後呼叫uvc_v4l2_do_ioctl
           uvc_v4l2_do_ioctl
                /* Query capabilities */
                VIDIOC_QUERYCAP//查詢驅動功能
                if (video->streaming->type == V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE)//*video->streaming->type 應該是在usb攝像頭裝置被列舉時分析描述符時設定的
                cap->capabilities = V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE
                      | V4L2_CAP_STREAMING;
                else
                cap->capabilities = V4L2_CAP_VIDEO_OUTPUT
                      | V4L2_CAP_STREAMING;

同理應用程式呼叫ioctl時，也會進入驅動程式，這裡呼叫uvc_driver.c的
uvc_fops 結構體裡面的uvc_v4l2_ioctl。

接著分析uvc_v4l2_do_ioctl

3. VIDIOC_ENUM_FMT //獲取當前驅動支援的視訊格式
        format = &video->streaming->format[fmt->index];// format陣列應是在裝置被列舉時設定的

4. VIDIOC_G_FMT //讀取當前驅動的視訊捕獲格式
        uvc_v4l2_get_format  // USB攝像頭支援多種格式fromat, 每種格式下有多種frame(比如解析度)
                struct uvc_format *format = video->streaming->cur_format;//當前的格式
                struct uvc_frame *frame = video->streaming->cur_frame;//當前的幀

5. VIDIOC_TRY_FMT //驗證當前驅動的顯示格式
       uvc_v4l2_try_format
            /* Check if the hardware supports the requested format. */
            /*檢查硬體是否支援請求的格式*/
           /* Find the closest image size. The distance between image   
           sizes is the size in pixels of the non-overlapping regions  
           between the requested size and the frame-specified size */
       /*找到最接近的影象大小。 影象尺寸之間的距離是大小以畫素之間的非重疊區域為單位請求的大小和幀指定的大小。*/

6. VIDIOC_S_FMT  // 設定當前驅動的視訊捕獲格式，只是把引數儲存起來，還沒有發給USB攝像頭
        uvc_v4l2_set_format 
            uvc_v4l2_try_format
            video->streaming->cur_format = format;
            video->streaming->cur_frame = frame;

7. VIDIOC_REQBUFS //申請緩衝區 
        unsigned int bufsize =
            video->streaming->ctrl.dwMaxVideoFrameSize;//緩衝區大小
       uvc_alloc_buffers
            for (; nbuffers > 0; --nbuffers) {
                mem = vmalloc_32(nbuffers * bufsize);//分配nbuffers個緩衝區
                if (mem != NULL)
                    break;
            }

8. VIDIOC_QUERYBUF //查詢緩衝區

        uvc_query_buffer
            __uvc_query_buffer
                memcpy(v4l2_buf, &buf->buf, sizeof *v4l2_buf);  // 複製引數

9. mmap //對映緩衝區
        uvc_v4l2_mmap

10. VIDIOC_QBUF//把buffer放入快取佇列，當有資料時將buffer從佇列中取出
        uvc_queue_buffer
            list_add_tail(&buf->stream, &queue->mainqueue);
            list_add_tail(&buf->queue, &queue->irqqueue);

11. VIDIOC_STREAMON
        uvc_video_enable(video, 1)  // 把所設定的引數發給硬體,然後啟動攝像頭
            /* Commit the streaming parameters. */
            uvc_commit_video //把引數提交給硬體
                uvc_set_video_ctrl  /* 設定格式fromat, frame */
                        ret = __uvc_query_ctrl(video->dev /* 哪一個USB裝置 */, SET_CUR, 0,
                            video->streaming->intfnum  /* 哪一個介面: VS */,
                            probe ? VS_PROBE_CONTROL : VS_COMMIT_CONTROL, data, size,
                            uvc_timeout_param);
             /* 啟動：Initialize isochronous/bulk URBs and allocate transfer buffers. */
            uvc_init_video(video, GFP_KERNEL);
                    uvc_init_video_isoc / uvc_init_video_bulk
                        urb->complete = uvc_video_complete; (收到資料後此函式被呼叫,它又呼叫video->decode(urb, video, buf); ==> uvc_video_decode_isoc/uvc_video_encode_bulk => uvc_queue_next_buffer => wake_up(&buf->wait);)

                    usb_submit_urb

應用程式將一個buffer放入佇列，然後呼叫STREAMON啟動傳輸，呼叫poll函式查詢資料是否已經就緒，當usb驅動程式獲取了資料後，每個urb(usb request block）完成後，呼叫 urb->complete = uvc_video_complete，最終呼叫wake_up

12. poll //檢視buffer是否已有資料
        uvc_v4l2_poll            
            uvc_queue_poll
                poll_wait(file, &buf->wait, wait);  // 休眠等待有資料

13. VIDIOC_DQBUF //將資料從佇列中取出
        uvc_dequeue_buffer
            list_del(&buf->stream);

14. VIDIOC_STREAMOFF //關閉傳輸        
        uvc_video_enable(video, 0);
            usb_kill_urb(urb);
            usb_free_urb(urb);

以上分析不包括VideoControl Interface ，用分析設定亮度過程來說明：

ioctl: VIDIOC_S_CTRL （uvc_v4l2.c）
            uvc_ctrl_set  //設定
            uvc_ctrl_commit  //提交
                __uvc_ctrl_commit(video, 0);
                    uvc_ctrl_commit_entity(video->dev, entity, rollback);
                            ret = uvc_query_ctrl(dev  /* 哪一個USB裝置 */, SET_CUR, ctrl->entity->id  /* 哪一個unit/terminal */,
                                dev->intfnum /* 哪一個介面: VC interface */, ctrl->info->selector,
                                uvc_ctrl_data(ctrl, UVC_CTRL_DATA_CURRENT),
                                ctrl->info->size);

總結：
1. UVC裝置有2個interface: VideoControl Interface, VideoStreaming Interface
2. VideoControl Interface用於控制，比如設定亮度。它內部有多個Unit/Terminal(在程式裡Unit/Terminal都稱為entity)
可以通過類似的函式來訪問：

    ret = uvc_query_ctrl(dev  /* 哪一個USB裝置 */, SET_CUR, ctrl->entity->id  /* 哪一個unit/terminal */,
                                dev->intfnum /* 哪一個介面: VC interface */, ctrl->info->selector,
                                uvc_ctrl_data(ctrl, UVC_CTRL_DATA_CURRENT),
                                ctrl->info->size);

VideoStreaming Interface用於獲得視訊資料，也可以用來選擇fromat/frame(VS可能有多種format, 一個format支援多種frame， frame用來表示解析度等資訊)
可以通過類似的函式來訪問：

ret = __uvc_query_ctrl(video->dev /* 哪一個USB裝置 */, SET_CUR, 0,
                            video->streaming->intfnum  /* 哪一個介面: VS */,
                            probe ? VS_PROBE_CONTROL : VS_COMMIT_CONTROL, data, size,
                            uvc_timeout_param);

我們在設定FORMAT時只是簡單的使用video->streaming->format[fmt->index]等資料，這些資料哪來的？
應是裝置被列舉時設定的，也就是分析它的描述符時設定的。

5.UVC驅動的重點在於：
描述符的分析
屬性的控制: 通過VideoControl Interface來設定
格式的選擇：通過VideoStreaming Interface來設定
資料的獲得：通過VideoStreaming Interface的URB來獲得

USB攝像頭驅動框架分析

USB攝像頭驅動框架分析

usb gadget驅動框架分析

Linux USB 驅動開發例項（一） —— USB攝像頭驅動實現原始碼分析

5.7.6.framebuffer驅動框架分析1

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