攝像頭驅(qū)動實現(xiàn)源碼分析

wangchunyi

Spac5xx的實現(xiàn)是按照標(biāo)準(zhǔn)的USB VIDEO設(shè)備的驅(qū)動框架編寫（其具體的驅(qū)動框架可參照/usr/src/linux/drivers/usb/usbvideo.c文件），整個源程序由四個主體部分組成：設(shè)備模塊的初始化模塊和卸載模塊，上層軟件接口模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊。具體的模塊分析如下：
一．           初始化設(shè)備模塊：
該驅(qū)動采用了顯式的模塊初始化和消除函數(shù)，即調(diào)用module_init來初始化一個模塊，并在卸載時調(diào)用moduel-exit函數(shù)（此二函數(shù)在2.3.13內(nèi)核開始支持）。其具體實現(xiàn)如下：
1．模塊初始化：
module_init (usb_spca5xx_init);
static int __init
usb_spca5xx_init (void)
{
#ifdef CONFIG_PROC_FS                  
  proc_spca50x_create ();                     //建立PROC設(shè)備文件
#endif /* CONFIG_PROC_FS */
  if (usb_register (&spca5xx_driver)          //注冊USB設(shè)備驅(qū)動
    return -1;
  info ("spca5xx driver %s registered", version);
  return 0;
}
2．模塊卸載：
module_exit (usb_spca5xx_exit);
tatic void __exit
usb_spca5xx_exit (void)
{
  usb_deregister (&spca5xx_driver);                //注銷USB設(shè)備驅(qū)動
  info ("driver spca5xx deregistered");
#ifdef CONFIG_PROC_FS
  proc_spca50x_destroy ();                         //撤消PROC設(shè)備文件
#endif /* CONFIG_PROC_FS */
}
關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：                             //USB驅(qū)動結(jié)構(gòu)，即插即用功能的實現(xiàn)
static struct usb_driver spca5xx_driver = {
       "spca5xx",
       spca5xx_probe,                   //注冊設(shè)備自我偵測功能
       spca5xx_disconnect,               //注冊設(shè)備自我斷開功能
       {NULL,NULL}
};
  用兩個函數(shù)調(diào)用spca5xx_probe 和spca5xx_disconnect來支持USB設(shè)備的即插即用功能：
spca5xx_probe具體實現(xiàn)如下：
static void *
spca5xx_probe (struct usb_device *dev, unsigned int ifnum, const struct usb_device_id *id)
{
  struct usb_interface_descriptor *interface;          //USB設(shè)備接口描述符
  struct usb_spca50x *spca50x;                    //物理設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
  int err_probe;
  int i;
  if (dev->descriptor.bNumConfigurations != 1)        //探測設(shè)備是不是可配置
    goto nodevice;
  if (ifnum > 0)
    goto nodevice;
  interface = &dev->actconfig->interface[ifnum].altsetting[0];
  MOD_INC_USE_COUNT;
  interface = &intf->altsetting[0].desc;
  if (interface->bInterfaceNumber > 0)
    goto nodevice;
  if ((spca50x = kmalloc (sizeof (struct usb_spca50x), GFP_KERNEL)) == NULL)
//分配物理地址空間
    {
      err ("couldn't kmalloc spca50x struct");
      goto error;
    }
  memset (spca50x, 0, sizeof (struct usb_spca50x));
  spca50x->dev = dev;
  spca50x->iface = interface->bInterfaceNumber;
  if ((err_probe = spcaDetectCamera (spca50x))        
//具體物理設(shè)備查找，匹配廠商號，設(shè)備號（在子程序中）
    {
      err (" Devices not found !! ");
      goto error;
    }
  PDEBUG (0, "Camera type %s ", Plist[spca50x->cameratype].name
  for (i = 0; i
    init_waitqueue_head (&spca50x->frame.wq);     //初始化幀等待隊列
    init_waitqueue_head (&spca50x->wq);            //初始化驅(qū)動等待隊列
  if (!spca50x_configure (spca50x))                  
//物理設(shè)備配置（主要完成傳感器偵測和圖形參數(shù)配置），主要思想是給控制寄存器寫值，讀回其返回值，以此判斷具體的傳感器型號
    {
      spca50x->user = 0;
      init_MUTEX (&spca50x->lock);                  //信號量初始化
      init_MUTEX (&spca50x->buf_lock);
      spca50x->v4l_lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;
      spca50x->buf_state = BUF_NOT_ALLOCATED;
    }                                 
  else
    {
      err ("Failed to configure camera");
      goto error;
    }
  /* Init video stuff */
  spca50x->vdev = video_device_alloc ();           //設(shè)備控制塊內(nèi)存分配
  if (!spca50x->vdev)
    goto error;
  memcpy (spca50x->vdev, &spca50x_template, sizeof (spca50x_template));  
//系統(tǒng)調(diào)用的掛接，在此將驅(qū)動實現(xiàn)的系統(tǒng)調(diào)用，掛到內(nèi)核中
  video_set_drvdata (spca50x->vdev, spca50x);
  if (video_register_device (spca50x->vdev, VFL_TYPE_GRABBER, video_nr)
    {                                            //video設(shè)備注冊
      err ("video_register_device failed");
      goto error;
    }
  spca50x->present = 1;
  if (spca50x->force_rgb)
    info ("data format set to RGB");
  spca50x->task.sync = 0;
  spca50x->task.routine = auto_bh;
  spca50x->task.data = spca50x;
  spca50x->bh_requested = 0;
  MOD_DEC_USE_COUNT;                            //增加模塊使用數(shù)
  return spca50x;                                       //返回數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
error:                                                  //錯誤處理
  if (spca50x->vdev)
    {
      if (spca50x->vdev->minor == -1)
       video_device_release (spca50x->vdev);
      else
       video_unregister_device (spca50x->vdev);
      spca50x->vdev = NULL;
    }
  if (spca50x)
    {
      kfree (spca50x);
      spca50x = NULL;
    }
  MOD_DEC_USE_COUNT;
  return NULL;
nodevice:
  return NULL;
}
Spca5xx_disconnect的具體實現(xiàn)如下：
static void
spca5xx_disconnect (struct usb_device *dev, void *ptr)
{
  struct usb_spca50x *spca50x = (struct usb_spca50x *) ptr;
  int n;
  MOD_INC_USE_COUNT;                             //增加模塊使用數(shù)
  if (!spca50x)
    return;
  down (&spca50x->lock);                                //減少信號量
  spca50x->present = 0;                                   //驅(qū)動卸載置0
  for (n = 0; n        //標(biāo)示所有幀ABORTING狀態(tài)
    spca50x->frame[n].grabstate = FRAME_ABORTING;
    spca50x->curframe = -1;
  for (n = 0; n        //喚醒所有等待進(jìn)程
    if (waitqueue_active (&spca50x->frame[n].wq))
      wake_up_interruptible (&spca50x->frame[n].wq);
  if (waitqueue_active (&spca50x->wq))
      wake_up_interruptible (&spca50x->wq);
  spca5xx_kill_isoc(spca50x);                      //子函數(shù)終止URB包的傳輸
  PDEBUG (3,"Disconnect Kill isoc done");
  up (&spca50x->lock);                            //增加信號量
  while(spca50x->user)                            //如果還有進(jìn)程在使用，進(jìn)程切換
      schedule();
    down (&spca50x->lock);
    if (spca50x->vdev)
       video_unregister_device (spca50x->vdev);          //注銷video設(shè)備
      usb_driver_release_interface (&spca5xx_driver,     //端口釋放
                                &spca50x->dev->actconfig->
                                interface[spca50x->iface]);
      spca50x->dev = NULL;
      up (&spca50x->lock);
#ifdef CONFIG_PROC_FS
      destroy_proc_spca50x_cam (spca50x);               //注銷PROC文件
#endif /* CONFIG_PROC_FS */
      if (spca50x && !spca50x->user)                      //釋放內(nèi)存空間
       {
         spca5xx_dealloc (spca50x);
         kfree (spca50x);
         spca50x = NULL;
       }
  MOD_DEC_USE_COUNT;                              //減少模塊記數(shù)
  PDEBUG (3, "Disconnect complete");
}
二．           上層軟件接口模塊：
該模塊通過file_operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，依據(jù)V4L協(xié)議規(guī)范，實現(xiàn)設(shè)備的關(guān)鍵系統(tǒng)調(diào)用，實現(xiàn)設(shè)備文件化的UNIX系統(tǒng)設(shè)計特點。作為攝相頭驅(qū)動，其功能在于數(shù)據(jù)采集，而沒有向攝相頭輸出的功能，因此在源碼中沒有實現(xiàn)write系統(tǒng)調(diào)用。其關(guān)鍵的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
static struct video_device spca50x_template = {
  .owner = THIS_MODULE,
  .name = "SPCA5XX USB Camera",
  .type = VID_TYPE_CAPTURE,
  .hardware = VID_HARDWARE_SPCA5XX,
  .fops = &spca5xx_fops,
        }；
static struct file_operations spca5xx_fops = {
  .owner = THIS_MODULE,
  .open = spca5xx_open,                    //open 功能
  .release = spca5xx_close,                   //close 功能
  .read = spca5xx_read,                      //read  功能
  .mmap = spca5xx_mmap,                   //內(nèi)存映射功能
  .ioctl = spca5xx_ioctl,                      //文件信息獲取
  .llseek = no_llseek,                         //文件定位功能未實現(xiàn)
};
1． Open功能：
完成設(shè)備的打開和初始化，并初始化解碼器模塊。其具體實現(xiàn)如下：
static int
spca5xx_open(struct video_device *vdev, int flags)
{
  struct usb_spca50x *spca50x = video_get_drvdata (vdev);
  int err;
  MOD_INC_USE_COUNT;                         //增加模塊記數(shù)
  down (&spca50x->lock);                           
  err = -ENODEV;
  if (!spca50x->present)                 //檢查設(shè)備是不是存在，有不有驅(qū)動，是不是忙
    goto out;
  err = -EBUSY;
  if (spca50x->user)
    goto out;
  err = -ENOMEM;
  if (spca50x_alloc (spca50x))
goto out;                  
  err = spca50x_init_source (spca50x);           //初始化傳感器和解碼模塊,在此函數(shù)的實現(xiàn)中，對每一款DSP芯片的初始化都不一樣，對中星微301P的DSP芯片的初始化在子函數(shù)zc3xx_init，其實現(xiàn)方法為寄存器填值。
  if (err != 0){
      PDEBUG (0, "DEALLOC error on spca50x_init_source\n");
       up (&spca50x->lock);
      spca5xx_dealloc (spca50x);
    goto out2;
    }
  spca5xx_initDecoder(spca50x);                  //解碼模塊初始化，其模塊的具體實現(xiàn)采用的是huffman算法
  spca5xx_setFrameDecoder(spca50x);
  spca50x->user++;
  err = spca50x_init_isoc (spca50x);              //初始化URB(usb request block) 包，啟動攝相頭，采用同步傳輸?shù)姆绞絺魉蛿?shù)據(jù)
  if (err)
    {
      PDEBUG (0, " DEALLOC error on init_Isoc\n");
      spca50x->user--;
      spca5xx_kill_isoc (spca50x);
      up (&spca50x->lock);
      spca5xx_dealloc (spca50x);
      goto out2;
}
  spca50x->brightness = spca50x_get_brghtness (spca50x)
  spca50x->whiteness = 0;
out:
  up (&spca50x->lock);
out2:
  if (err)
    MOD_DEC_USE_COUNT;
  if (err)
    {
      PDEBUG (2, "Open failed");
    }
  else
    {
      PDEBUG (2, "Open done");
    }
  return err;
}
2.Close功能：
  完成設(shè)備的關(guān)閉，其具體過程是：
static void
spca5xx_close( struct video_device *vdev)
{
  struct usb_spca50x *spca50x =vdev->priv;
  int i;
  PDEBUG (2, "spca50x_close");
  down (&spca50x->lock);                       //參數(shù)設(shè)置
  spca50x->user--;
  spca50x->curframe = -1;
  if (spca50x->present)                        //present：是或有驅(qū)動加載
    {
      spca50x_stop_isoc (spca50x);             //停止攝相頭工作和數(shù)據(jù)包發(fā)送
      spcaCameraShutDown (spca50x);     //關(guān)閉攝相頭，由子函數(shù)spca50x_stop_isoc完成
  for (i = 0; i     //喚醒所有等待進(jìn)程
    {
      if (waitqueue_active (&spca50x->frame.wq))
         wake_up_interruptible (&spca50x->frame.wq);
    }
       if (waitqueue_active (&spca50x->wq))
       wake_up_interruptible (&spca50x->wq);
  }  
   up (&spca50x->lock);
   spca5xx_dealloc (spca50x);                //回收內(nèi)存空間
  PDEBUG(2,"Release ressources done");
  MOD_DEC_USE_COUNT;
}
2． Read功能：
完成數(shù)據(jù)的讀取，其主要的工作就是將數(shù)據(jù)由內(nèi)核空間傳送到進(jìn)程用戶空間。
static long
spca5xx_read(struct video_device *dev, char * buf, unsigned long
       count,int noblock)
{
  struct usb_spca50x *spca50x = video_get_drvdata (dev);
  int i;
  int frmx = -1;
  int rc;
  volatile struct spca50x_frame *frame;
if (down_interruptible(&spca50x->lock))              //獲取信號量
              return -EINTR;
  if (!dev || !buf){                                 //判斷設(shè)備情況
     up(&spca50x->lock);
    return -EFAULT;
}
  if (!spca50x->dev){
     up(&spca50x->lock);
    return -EIO;
}
  if (!spca50x->streaming){
     up(&spca50x->lock);
    return -EIO;
}
if((rc = wait_event_interruptible(spca50x->wq,     //在指定的隊列上睡眠，直到參數(shù)2的條件為真
              spca50x->frame[0].grabstate == FRAME_DONE ||
              spca50x->frame[1].grabstate == FRAME_DONE ||
              spca50x->frame[2].grabstate == FRAME_DONE ||
              spca50x->frame[3].grabstate == FRAME_DONE ))){
             up(&spca50x->lock);
              return rc;
       }
  for (i = 0; i          //當(dāng)數(shù)據(jù)到來
    if (spca50x->frame.grabstate == FRAME_DONE)   //標(biāo)識數(shù)據(jù)已到
      frmx = i;
  if (frmx
    {
      PDEBUG (2, "Couldnt find a frame ready to be read.");
      up(&spca50x->lock);
      return -EFAULT;
    }
  frame = &spca50x->frame[frmx];
  PDEBUG (2, "count asked: %d available: %d", (int) count,
         (int) frame->scanlength);
  if (count > frame->scanlength)
    count = frame->scanlength;
  if ((i = copy_to_user (buf, frame->data, count)))   //實現(xiàn)用戶空間和內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)拷貝
    {
      PDEBUG (2, "Copy failed! %d bytes not copied", i);
          up(&spca50x->lock);
      return -EFAULT;
    }
  /* Release the frame */
  frame->grabstate = FRAME_READY;            //標(biāo)識數(shù)據(jù)已空
up(&spca50x->lock);                           
  return count;                                //返回拷貝的數(shù)據(jù)數(shù)
}
3． Mmap功能：
實現(xiàn)將設(shè)備內(nèi)存映射到用戶進(jìn)程的地址空間的功能，其關(guān)鍵函數(shù)是remap_page_range，其具體實現(xiàn)如下：
static int
spca5xx_mmap(struct video_device *dev,const char *adr, unsigned long size)
{
  unsigned long start=(unsigned long) adr;
  struct usb_spca50x *spca50x = dev->priv;
  unsigned long page, pos;

  if (spca50x->dev == NULL)
    return -EIO;
  PDEBUG (4, "mmap: %ld (%lX) bytes", size, size);
  if (size >
(((SPCA50X_NUMFRAMES * MAX_DATA_SIZE) + PAGE_SIZE - 1) & ~(PAGE_SIZE -1)))
    return -EINVAL;
       if (down_interruptible(&spca50x->lock))               //獲取信號量
              return -EINTR;
  pos = (unsigned long) spca50x->fbuf;
  while (size > 0)                                   //循環(huán)實現(xiàn)內(nèi)存映射
    {
      page = kvirt_to_pa (pos);
      if (remap_page_range (start, page, PAGE_SIZE, PAGE_SHARED)){  //實現(xiàn)內(nèi)存映射
         up(&spca50x->lock);
         return -EAGAIN;    }
      start += PAGE_SIZE;
      pos += PAGE_SIZE;
      if (size > PAGE_SIZE)
       size -= PAGE_SIZE;
      else
       size = 0;
    }
up(&spca50x->lock);                             //釋放信號量
  return 0;
}
4．  Ioctl功能：
實現(xiàn)文件信息的獲取功能，
static int
spca5xx_ioctl (struct inode *inode, struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
       struct video_device *vdev = file->private_data;
       struct usb_spca50x *spca50x = vdev->priv;
       int rc;
       if (down_interruptible(&spca50x->lock))       //獲取信號量
              return -EINTR;
  rc = video_usercopy (inode, file, cmd, arg, spca5xx_do_ioctl);  //將信息傳送到用戶進(jìn)程，其關(guān)鍵函數(shù)實現(xiàn)spca5xx_do_ioctl
up(&spca50x->lock);
  return rc;
}
spca5xx_do_ioctl函數(shù)的實現(xiàn)依賴于不同的硬件，本驅(qū)動為了支持多種芯片，實現(xiàn)程序過于煩瑣，其主要思想是通過copy_to_user(arg,b,sizeof(struct video_capability)函數(shù)將設(shè)備信息傳遞給用戶進(jìn)程。

三．數(shù)據(jù)傳輸模塊：
源程序采用tasklet來實現(xiàn)同步快速傳遞數(shù)據(jù)，并通過spcadecode.c上的軟件解碼模塊實現(xiàn)圖形信息的解碼。此模塊的入口點掛節(jié)在spca_open函數(shù)中，其具體的函數(shù)為spca50x_init_isoc。當(dāng)設(shè)備被打開時，同步傳輸數(shù)據(jù)也已經(jīng)開始，并通過spca50x_move_data函數(shù)將數(shù)據(jù)傳遞給驅(qū)動程序，驅(qū)動程序通過輪詢的辦法實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的訪問。
void
outpict_do_tasklet (unsigned long ptr)
{
  int err;
  struct spca50x_frame *taskletframe = (struct spca50x_frame *) ptr;
  taskletframe->scanlength = taskletframe->highwater - taskletframe->data;
  PDEBUG (2, "Tasklet ask spcadecoder hdrwidth %d hdrheight %d method %d",
         taskletframe->hdrwidth, taskletframe->hdrheight,
         taskletframe->method);
  err = spca50x_outpicture (taskletframe);            //輸出處理過的圖片數(shù)據(jù)
  if (err != 0)
    {
      PDEBUG (0, "frame decoder failed (%d)", err);
      taskletframe->grabstate = FRAME_ERROR;
    }
  else
    {
      taskletframe->grabstate = FRAME_DONE;
    }
  if (waitqueue_active (&taskletframe->wq))         //如果有進(jìn)程等待，喚醒等待進(jìn)程
    wake_up_interruptible (&taskletframe->wq);
}
   值得一提的是spcadecode.c上解碼模塊將原始壓縮圖形數(shù)據(jù)流yyuyv，yuvy， jpeg411，jpeg422解碼為RGB圖形，但此部分解壓縮算法的實現(xiàn)也依賴于壓縮的格式，歸根結(jié)底依賴于DSP（數(shù)字處理芯片）中的硬件壓縮算法。

四．USB CORE的支持：
LINUX下的USB設(shè)備對下層硬件的操作依靠系統(tǒng)實現(xiàn)的USB CORE層，USB CORE對上層驅(qū)動提供了眾多函數(shù)接口如：usb_control_msg，usb_sndctrlpipe等，其中最典型的使用為源碼中對USB端點寄存器的讀寫函數(shù)spca50x_reg_write和spca50x_reg_read等，具體實現(xiàn)如下：（舉spca50x_reg_write的實現(xiàn)，其他類似）
static int spca50x_reg_write(struct usb_device *dev,__u16 reg，__u16 index,
                        __u16 value)
{
       int rc;
       rc = usb_control_msg(dev,          //通過USB CORE提供的接口函數(shù)設(shè)置寄存器的值
              usb_sndctrlpipe(dev, 0),
              reg,
              USB_TYPE_VENDOR | USB_RECIP_DEVICE,
              value, index, NULL, 0, TimeOut);
       PDEBUG(5, "reg write: 0x%02X,0x%02X:0x%02X, 0x%x", reg, index, value, rc);
       if (rc
              err("reg write: error %d", rc);
       return rc;
}

以上為驅(qū)動程序的具體框架說明，以及其中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)說明。




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