2.5 USB攝像頭驅動程序框架

學習目標：根據vivi驅動架構和linux-2.6.31/linux-2.6.31.14/drivers/media/video/uvc/Uvc_driver.c驅動源碼，分析usb攝像頭驅動程序框架；

1、攝像頭拓撲結構

由數據手冊USB_Video_Example 1.5和UVC 1.5 Class specification分析攝像頭的拓撲結構，以下圖所示：

usb攝像頭功能由攝像頭接口完成，每一個攝像頭功能包括一個 VideoControl interface （VC）和幾個VideoStreaming interface (VS)。

1) CS主要用於控制，它又抽象出兩個概念：unit和termiral。unit用於裏面的相關控制。termiral用於內外鏈接。其中，unit中包括：a.  Selector Unit (SU) 選擇（CT (Camera Terminal) 和IT(Input Terminal)）哪一路 。b. Processing Unit (PU) 用於亮度等屬性參數控制。

2) VS用於傳輸，來讀視頻數據，。須要設置類型type和格式format，選擇實時傳輸仍是批量傳輸Bulk。

2、usb攝像頭源碼框架分析 

在Linux內核裏自帶usb攝像頭驅動程序，它支持uvc規格的攝像頭（uvc即usb video class），進入源碼程序分析。

一、進入uvc_init入口函數

      --> 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, }, };

註冊了 uvc_driver結構體，根據.id_table匹配後，進入uvc_probe函數：
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，寫一個USB攝像頭驅動程序須要如下步驟：
1）構造一個usb_driver結構體(uvc結構體)
2）設置
   probe:
        2.1. 分配video_device:video_device_alloc
        2.2. 設置
           .fops
           .ioctl_ops (裏面須要設置11項)
           若是要用內核提供的緩衝區操做函數，還須要構造一個videobuf_queue_ops
        2.3. 註冊: video_register_device     
  id_table: 表示支持哪些USB設備     
3）註冊： usb_register

 二、分析UVC驅動調用過程

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函數

　 uvc_v4l2_open //一系列設置

2) uvc_v4l2_ioctl函數

-->video_usercopy(file, cmd, arg, uvc_v4l2_do_ioctl);//將用戶提供的參數拷貝到內核態，並調用uvc_v4l2_do_ioctl函數

　　-->uvc_v4l2_do_ioctl

　　　　struct video_device *vdev = video_devdata(file);//根據次設備號,找到video_device

　　　　switch (cmd) { //根據cmd執行一系列的ioctl函數
 　　　　/* Query capabilities */
 　　　　case VIDIOC_QUERYCAP:

　　　　 .......

接下來具體分析ioctl過程：

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 應該是在設備被枚舉時分析描述符時設置的。（對用功能拓撲的VS）

2）VIDIOC_ENUM_FMT // format數組應是在設備被枚舉時設置的

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

3）VIDIOC_G_FMT

　　--> uvc_v4l2_get_format(video, arg); // USB攝像頭支持多種格式fromat, 每種格式下有多種frame(好比分辨率)

　　　　 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.*/找到最接近的圖像格式

5）VIDIOC_S_FMT  // 只是把參數保存起來，尚未發給USB攝像頭

　　-->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已經設置並獲取，vmalloc時只需傳進來應用程序的rb->count數值

　　　　/* 根據rb->count來分配多少個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);  // 複製參數

8）mmap //查詢buf參數後使用mmap把buf映射給應用程序

　　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)  // 把所設置的參數發給硬件,而後啓動攝像頭

　　　　/* Commit the streaming parameters.  /* 傳輸
　　　　  uvc_commit_video(video, &video->streaming->ctrl) //*在前面VIDIOC_S_FMT賦值的video->streaming->ctrl 

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

　　　　　　　　ret = __uvc_query_ctrl(video->dev,/* 哪個USB設備 */ SET_CUR, 0,  video->streaming->intfnum, /* 哪個接口: VS */
 　　　　　　　　　　　　 　　　　probe ? VS_PROBE_CONTROL : VS_COMMIT_CONTROL, data, size,
 　　　　　　　　　　　　　　　　 uvc_timeout_param);

注意：此處用到了__uvc_query_ctrl函數

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

　　　　　　　　uvc_init_video(video, GFP_KERNEL);

　　　　　　　　uvc_init_video_isoc(video, ep, gfp_flags);(實時傳輸)/uvc_init_video_bulk(video, ep, gfp_flags)（批量傳輸）

　　　　　　　　　　-->usb_alloc_urb

　　　　　　　　　　設置urb結構體（urb用於usb數據傳輸的結構體）

　　　　　　　　　　 urb->complete = uvc_video_complete;(收到數據後此函數被調用,它又調用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);  // 休眠等待有數據　　　

12)  VIDIOC_DQBUF　//有數據時，把buf從隊列中取出，並從原始隊列裏面刪除

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

　　　　  list_del(&buf->stream);　　

13）VIDIOC_STREAMOFF 

　　 uvc_video_enable(video, 0); //0表示關閉

　　 uvc_uninit_video(video, 1);

　　--> usb_kill_urb(urb);
  　　　usb_free_urb(urb);

-----以上均涉及到VS（Video Streaming Interface）接口的操做，不涉及Video Control Interface-----

下面以設置亮度過程爲例，操做VC（Video Control Interface）接口（實質上是向VC發包）：

ioctl: VIDIOC_S_CTRL

--->uvc_ctrl_set(video, &xctrl);//設置
     uvc_ctrl_commit(video); //傳送
                __uvc_ctrl_commit(video, 0);
                    uvc_ctrl_commit_entity(video->dev, entity, rollback);
                   ret = uvc_query_ctrl(dev  /* 哪個USB設備 */, SET_CUR, ctrl->entity->id  /* 哪個unit/terminal */,
                    dev->intfnum /* 哪個接口: VC interface */, ctrl->info->selector,
                    uvc_ctrl_data(ctrl, UVC_CTRL_DATA_CURRENT),ctrl->info->size);

3、總結

1. UVC設備是基於2個interface: VideoControl Interface VC, VideoStreaming Interface VS 進行操做的；

2. 1) VC 用於控制屬性參數，好比設置亮度。它內部有多個Unit/Terminal(在程序裏Unit/Terminal都稱爲entity)
   能夠經過相似的函數來訪問：
                   ret = uvc_query_ctrl(dev  /* 哪個USB設備 */, SET_CUR, ctrl->entity->id  /* 哪個unit/terminal */,
                    dev->intfnum /* 哪個接口: VC interface */, ctrl->info->selector,
                    uvc_ctrl_data(ctrl, UVC_CTRL_DATA_CURRENT),
                    ctrl->info->size);

　 2) VS用於得到視頻數據，也能夠用來選擇fromat/frame(VS可能有多種format, 一個format支持多種frame， frame用來表示分辨率等信息)
    能夠經過相似的函數來訪問：
                     ret = __uvc_query_ctrl(video->dev /* 哪個USB設備 */, SET_CUR, 0,
                      video->streaming->intfnum  /* 哪個接口: VS */,
                      probe ? VS_PROBE_CONTROL : VS_COMMIT_CONTROL, data, size,
                      uvc_timeout_param);

3. 設置FORMAT時只是簡單的使用video->streaming->format[fmt->index]等數據，這些數據應是設備被枚舉時設置的，也就是分析它的描述符時設置的。

4. UVC驅動的重點在於: usb攝像頭描述符的分析
   屬性的控制: 經過VideoControl Interface（VC）來設置
   格式的選擇：經過VideoStreaming Interface(VS)來設置
   數據的得到：經過VideoStreaming Interface（VS）的URB-->（usb設備驅動數據傳輸的結構體格式）來得到。

 

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參考：百問網（韋東山視頻）