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編寫基於V4L2視頻驅動主要涉及到以下幾個知識點：
l 攝像頭方面的知識
要了解選用的攝像頭的特性，包括訪問控制方法、各種參數的配置方法、信號輸出類型等。
l Camera解碼器、控制器
如果攝像頭是模擬量輸出的，要熟悉解碼器的配置。最後數字視頻信號進入camera控制器後，還要熟悉camera控制器的操作。
l V4L2的API和數據結構
編寫驅動前要熟悉應用程序訪問V4L2的方法及設計到的數據結構。
l V4L2的驅動架構
最後編寫出符合V4L2規範的視頻驅動。
本文介紹基於S3C2440硬件平臺的V4L2視頻驅動開發。攝像頭採用OmniVision公司的OV9650和OV9655。主要包含以下幾個方面的內容：
l 視頻驅動的整體驅動框架
l S3C2440 camera控制器+ov9650（ov9655）
l V4L2 API及數據結構
l V4L2驅動框架
l ov9650（ov9655）+s3c2440+V4L2實例
一、 視頻驅動的整體框架
視頻驅動的整體框架見下圖：
二、S3C2440 camera控制器+ov9650（ov9655）
（1）S3C2440 camera控制器介紹
S3C2440支持ITU-R BT601/656格式的數字圖像輸入，支持的2個通道的DMA，Preview通道和Codec通道，參見下圖。
Preview通道可以將YCbCr4:2:2格式的圖像轉換爲RGB（16bit或24bit）格式的數據，並存放於爲Preview DMA分配的內存中，最大分辨率爲640*480。主要用於本地液晶屏顯示。如果將Preview DMA的內存和Framebuffer內存重疊的話，就可以實現採集直接輸出到液晶屏上了。
Codec通道可以輸出YCbCr4:2:0或YCbCr4:2:2格式到爲Codec DMA分配的內存中。最大分辨率爲4096*4096。主要用於圖像的編解碼處理。
上圖中的window cut功能是指在圖像可以先做一個裁剪。通過設置CIWDOFST完成此功能，見下圖。圖像進入P、C通道後，各自的scaler單元還可以對其進行縮放、旋轉等處理。
S3C2440 camera控制器支持乒乓存儲。爲了防止採集和輸出之間的衝突，採用了乒乓存儲方式。每次採集一幀後，自動轉到下一個存儲區。如果你因爲內存空間不足，不想使用此功能的話，可以將四個區域設置到同一塊空間。
在做圖像處理時，需要關注到最後存儲區中的圖像格式，如codec通道硬件自動把Y、Cb、Cr分離存儲。
S3C2440 camera 控制器Last IRQ功能的使用，也是需要掌握的。如果處理不好，輸出的圖像效果會受影響。
控制器會在每個VSYNC下降沿判斷ImgCptEn信號等命令。如果在下降沿發現ImgCptEn信號有效，則產生IRQ中斷。然後纔開始一幀圖像的真正採集。而如果在VSYNC下降沿判斷到ImgCptEn爲低電平且之前LastIRQEn沒有使能，則不會產生任何中斷，且不會再進行下一幀的採集。如果你想在ImgCptEn關閉後，一幀採集完後產生一箇中斷通知你，那麼就需要在最後一次中斷產生前（stop capturing後的vysnc下將沿）使能lastirq就可以了。
我在移植linux驅動時就遇到了一個Last IRQ的問題。現象是輸出圖像上面總是有一條比其它部分反應慢。採集運動圖像，就能看出現象。查看代碼是因爲沒有設立lastirq，因爲每次如果不在lastirq產生的情況下讀取，圖像緩衝中的數據是不穩定的，可能照成圖像不完整。修改代碼支持lastirq後，問題解決。
Camera控制器時鐘設置也是需要注意的，ov9650需要Camera控制器爲其提供時鐘。
提供給外部攝像頭的時鐘是由UPLL輸出時鐘分頻得到的。而CAMIF的時鐘是由HCLK提供的。本例中，提供給ov9650的時鐘爲24M。
（2）ov9650（ov9655）設置方法
OV9650是OmniVision公司的COMS攝像頭，130萬像素，支持SXVGA、VGA、QVGA、CIF等圖像輸出格式。 最大速率在SXVGA時爲15fps，在VGA時爲30fps。
OV9650攝像頭時序如下圖：
上圖中D[9:2]用於8-bitYUV或者RGB565/RGB555(D[9]MSB、D[2]LSB)。D[9:0]用於10-bit RGB。本例中使用8-bit YUV模式。
我手邊開發板的Camera和S3C2440的接線原理圖如下（對應camera中具體的信號名稱參見前文的驅動整體架構圖）。
注：GPG12用於PWEN信號
（3）編寫ARM測試代碼測試camera功能
在Keil環境下編寫一個測試代碼完成從攝像頭採集圖像輸出到液晶屏。下面列出程序的流程。
（4）編寫測試代碼過程中常見的問題
l 攝像頭寄存器的配置
因爲攝像頭有很多寄存器，可能一下無法理解裏面所有的配置含義，所以開始時希望得到一份可用的配置。但往往從別人的測試代碼中拿到配置後，仍然無法使用。我這裏列出幾個可能的原因：（1）攝像頭中的圖像輸出格式和你在camera控制器中設置的不一致，同一個攝像頭可以設置多種輸入格式，如：YCbYCr或CbYCrY。（2）圖像輸出的一些時序和你的camera控制器設置不一致，攝像頭可以設置一些時序，如：圖像數據在CAMPCLK的上升沿有效還是下降沿有效。（3）注意輸出圖像的格式和Framebuffer控制器的匹配，如字節順序等問題。
l Ov9650和ov9655的使用區別
這裏主要列出兩者之間在復位信號上有差別，ov9650是高電平復位，而ov9655是低電平復位。
基於V4L2的視頻驅動開發（2）
華清遠見 劉洪濤
三、 V4L2 API及數據結構
V4L2是V4L的升級版本，爲linux下視頻設備程序提供了一套接口規範。包括一套數據結構和底層V4L2驅動接口。
1、常用的結構體在內核目錄include/linux/videodev2.h中定義
struct v4l2_requestbuffers //申請幀緩衝，對應命令VIDIOC_REQBUFS
struct v4l2_capability //視頻設備的功能，對應命令VIDIOC_QUERYCAP
struct v4l2_input //視頻輸入信息，對應命令VIDIOC_ENUMINPUT
struct v4l2_standard //視頻的制式，比如PAL，NTSC，對應命令VIDIOC_ENUMSTD
struct v4l2_format //幀的格式，對應命令VIDIOC_G_FMT、VIDIOC_S_FMT等
struct v4l2_buffer //驅動中的一幀圖像緩存，對應命令VIDIOC_QUERYBUF
struct v4l2_crop //視頻信號矩形邊框
v4l2_std_id //視頻制式
2、常用的IOCTL接口命令也在include/linux/videodev2.h中定義
VIDIOC_REQBUFS //分配內存
VIDIOC_QUERYBUF //把VIDIOC_REQBUFS中分配的數據緩存轉換成物理地址
VIDIOC_QUERYCAP //查詢驅動功能
VIDIOC_ENUM_FMT //獲取當前驅動支持的視頻格式
VIDIOC_S_FMT //設置當前驅動的頻捕獲格式
VIDIOC_G_FMT //讀取當前驅動的頻捕獲格式
VIDIOC_TRY_FMT //驗證當前驅動的顯示格式
VIDIOC_CROPCAP //查詢驅動的修剪能力
VIDIOC_S_CROP //設置視頻信號的矩形邊框
VIDIOC_G_CROP //讀取視頻信號的矩形邊框
VIDIOC_QBUF //把數據從緩存中讀取出來
VIDIOC_DQBUF //把數據放回緩存隊列
VIDIOC_STREAMON //開始視頻顯示函數
VIDIOC_STREAMOFF //結束視頻顯示函數
VIDIOC_QUERYSTD //檢查當前視頻設備支持的標準，例如PAL或NTSC。
3、操作流程
V4L2提供了很多訪問接口，你可以根據具體需要選擇操作方法。需要注意的是，很少有驅動完全實現了所有的接口功能。所以在使用時需要參考驅動源碼，或仔細閱讀驅動提供者的使用說明。
下面列舉出一種操作的流程，供參考。
（1）打開設備文件
int fd = open(Devicename,mode);
Devicename：/dev/video0、/dev/video1 ……
Mode：O_RDWR [| O_NONBLOCK]
如果使用非阻塞模式調用視頻設備，則當沒有可用的視頻數據時，不會阻塞，而立刻返回。
（2）取得設備的capability
struct v4l2_capability capability；
int ret = ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &capability);
看看設備具有什麼功能，比如是否具有視頻輸入特性。
（3）選擇視頻輸入
struct v4l2_input input；
……初始化input
int ret = ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &input);
一個視頻設備可以有多個視頻輸入。如果只有一路輸入，這個功能可以沒有。
（4）檢測視頻支持的制式
v4l2_std_id std;
do {
ret = ioctl(fd, VIDIOC_QUERYSTD, &std);
} while (ret == -1 && errno == EAGAIN);
switch (std) {
case V4L2_STD_NTSC:
//……
case V4L2_STD_PAL:
//……
}
（5）設置視頻捕獲格式
struct v4l2_format fmt;
fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT;
fmt.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_UYVY;
fmt.fmt.pix.height = height;
fmt.fmt.pix.width = width;
fmt.fmt.pix.field = V4L2_FIELD_INTERLACED;
ret = ioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt);
if(ret) {
perror("VIDIOC_S_FMT\n");
close(fd);
return -1;
}
（6）向驅動申請幀緩存
struct v4l2_requestbuffers req;
if (ioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &req) == -1) {
return -1;
}
v4l2_requestbuffers結構中定義了緩存的數量，驅動會據此申請對應數量的視頻緩存。多個緩存可以用於建立FIFO，來提高視頻採集的效率。
（7）獲取每個緩存的信息，並mmap到用戶空間
typedef struct VideoBuffer {
void *start;
size_t length;
} VideoBuffer;
VideoBuffer* buffers = calloc( req.count, sizeof(*buffers) );
struct v4l2_buffer buf;
for (numBufs = 0; numBufs < req.count; numBufs++) {//映射所有的緩存
memset( &buf, 0, sizeof(buf) );
buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
buf.index = numBufs;
if (ioctl(fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf) == -1) {//獲取到對應index的緩存信息，此處主要利用length信息及offset信息來完成後面的mmap操作。
return -1;
}
buffers[numBufs].length = buf.length;
// 轉換成相對地址
buffers[numBufs].start = mmap(NULL, buf.length,
PROT_READ | PROT_WRITE,
MAP_SHARED,
fd, buf.m.offset);
if (buffers[numBufs].start == MAP_FAILED) {
return -1;
}
（8）開始採集視頻
int buf_type= V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE；
int ret = ioctl(fd, VIDIOC_STREAMON, &buf_type);
（9）取出FIFO緩存中已經採樣的幀緩存
struct v4l2_buffer buf;
memset(&buf,0,sizeof(buf));
buf.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
buf.memory=V4L2_MEMORY_MMAP;
buf.index=0;//此值由下面的ioctl返回
if (ioctl(fd, VIDIOC_DQBUF, &buf) == -1)
{
return -1;
}
根據返回的buf.index找到對應的mmap映射好的緩存，取出視頻數據。
（10）將剛剛處理完的緩衝重新入隊列尾，這樣可以循環採集
if (ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf) == -1) {
return -1;
}
（11）停止視頻的採集
int ret = ioctl(fd, VIDIOC_STREAMOFF, &buf_type);
（12）關閉視頻設備
close(fd);
四、 V4L2驅動框架
上述流程的各個操作都需要有底層V4L2驅動的支持。內核中有一些非常完善的例子。
比如：linux-2.6.26內核目錄/drivers/media/video//zc301/zc301_core.c 中的ZC301視頻驅動代碼。上面的V4L2操作流程涉及的功能在其中都有實現。
1、V4L2驅動註冊、註銷函數
Video核心層（drivers/media/video/videodev.c）提供了註冊函數
int video_register_device(struct video_device *vfd, int type, int nr)
video_device: 要構建的核心數據結構
Type: 表示設備類型，此設備號的基地址受此變量的影響
Nr: 如果end-base>nr>0 ：次設備號=base（基準值，受type影響）+nr；
否則：系統自動分配合適的次設備號
具體驅動只需要構建video_device結構，然後調用註冊函數既可。
如：zc301_core.c中的
err = video_register_device(cam->v4ldev, VFL_TYPE_GRABBER,
video_nr[dev_nr]);
Video核心層（drivers/media/video/videodev.c）提供了註銷函數
void video_unregister_device(struct video_device *vfd)
2、struct video_device 的構建
video_device結構包含了視頻設備的屬性和操作方法。參見zc301_core.c
strcpy(cam->v4ldev->name, "ZC0301[P] PC Camera");
cam->v4ldev->owner = THIS_MODULE;
cam->v4ldev->type = VID_TYPE_CAPTURE | VID_TYPE_SCALES;
cam->v4ldev->fops = &zc0301_fops;
cam->v4ldev->minor = video_nr[dev_nr];
cam->v4ldev->release = video_device_release;
video_set_drvdata(cam->v4ldev, cam);
大家發現在這個zc301的驅動中並沒有實現struct video_device中的很多操作函數，如：vidioc_querycap、vidioc_g_fmt_cap等。主要原因是struct file_operations zc0301_fops中的zc0301_ioctl實現了前面的所有ioctl操作。所以就不需要在struct video_device再實現struct video_device中的那些操作了。
另一種實現方法如下：
static struct video_device camif_dev =
{
.name = "s3c2440 camif",
.type = VID_TYPE_CAPTURE|VID_TYPE_SCALES|VID_TYPE_SUBCAPTURE,
.fops = &camif_fops,
.minor = -1,
.release = camif_dev_release,
.vidioc_querycap = vidioc_querycap,
.vidioc_enum_fmt_cap = vidioc_enum_fmt_cap,
.vidioc_g_fmt_cap = vidioc_g_fmt_cap,
.vidioc_s_fmt_cap = vidioc_s_fmt_cap,
.vidioc_queryctrl = vidioc_queryctrl,
.vidioc_g_ctrl = vidioc_g_ctrl,
.vidioc_s_ctrl = vidioc_s_ctrl,
};
static struct file_operations camif_fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.open = camif_open,
.release = camif_release,
.read = camif_read,
.poll = camif_poll,
.ioctl = video_ioctl2, /* V4L2 ioctl handler */
.mmap = camif_mmap,
.llseek = no_llseek,
};
注意：video_ioctl2是videodev.c中是實現的。video_ioctl2中會根據ioctl不同的cmd來
調用video_device中的操作方法。
3、Video核心層的實現
參見內核/drivers/media/videodev.c
（1）註冊256個視頻設備
static int __init videodev_init(void)
{
int ret;
if (register_chrdev(VIDEO_MAJOR, VIDEO_NAME, &video_fops)) {
return -EIO;
}
ret = class_register(&video_class);
……
}
上面的代碼註冊了256個視頻設備，並註冊了video_class類。video_fops爲這256個設備共同的操作方法。
（2）V4L2驅動註冊函數的實現
int video_register_device(struct video_device *vfd, int type, int nr)
{
int i=0;
int base;
int end;
int ret;
char *name_base;
switch(type) //根據不同的type確定設備名稱、次設備號
{
case VFL_TYPE_GRABBER:
base=MINOR_VFL_TYPE_GRABBER_MIN;
end=MINOR_VFL_TYPE_GRABBER_MAX+1;
name_base = "video";
break;
case VFL_TYPE_VTX:
base=MINOR_VFL_TYPE_VTX_MIN;
end=MINOR_VFL_TYPE_VTX_MAX+1;
name_base = "vtx";
break;
case VFL_TYPE_VBI:
base=MINOR_VFL_TYPE_VBI_MIN;
end=MINOR_VFL_TYPE_VBI_MAX+1;
name_base = "vbi";
break;
case VFL_TYPE_RADIO:
base=MINOR_VFL_TYPE_RADIO_MIN;
end=MINOR_VFL_TYPE_RADIO_MAX+1;
name_base = "radio";
break;
default:
printk(KERN_ERR "%s called with unknown type: %d\n",
__func__, type);
return -1;
}
/* 計算出次設備號 */
mutex_lock(&videodev_lock);
if (nr >= 0 && nr < end-base) {
/* use the one the driver asked for */
i = base+nr;
if (NULL != video_device[i]) {
mutex_unlock(&videodev_lock);
return -ENFILE;
}
} else {
/* use first free */
for(i=base;i<end;i++)
if (NULL == video_device[i])
break;
if (i == end) {
mutex_unlock(&videodev_lock);
return -ENFILE;
}
}
video_device[i]=vfd; //保存video_device結構指針到系統的結構數組中，最終的次設備號和i相關。
vfd->minor=i;
mutex_unlock(&videodev_lock);
mutex_init(&vfd->lock);
/* sysfs class */
memset(&vfd->class_dev, 0x00, sizeof(vfd->class_dev));
if (vfd->dev)
vfd->class_dev.parent = vfd->dev;
vfd->class_dev.class = &video_class;
vfd->class_dev.devt = MKDEV(VIDEO_MAJOR, vfd->minor);
sprintf(vfd->class_dev.bus_id, "%s%d", name_base, i - base);//最後在/dev目錄下的名稱
ret = device_register(&vfd->class_dev);//結合udev或mdev可以實現自動在/dev下創建設備節點
……
}
從上面的註冊函數中可以看出V4L2驅動的註冊事實上只是完成了設備節點的創建，如：/dev/video0。和video_device結構指針的保存。
（3）視頻驅動的打開過程
當用戶空間調用open打開對應的視頻文件時，如：
int fd = open(/dev/video0, O_RDWR);
對應/dev/video0的文件操作結構是/drivers/media/videodev.c中定義的video_fops。
static const struct file_operations video_fops=
{
.owner = THIS_MODULE,
.llseek = no_llseek,
.open = video_open,
};
奇怪吧，這裏只實現了open操作。那麼後面的其它操作呢？還是先看看video_open吧。
static int video_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
unsigned int minor = iminor(inode);
int err = 0;
struct video_device *vfl;
const struct file_operations *old_fops;
if(minor>=VIDEO_NUM_DEVICES)
return -ENODEV;
mutex_lock(&videodev_lock);
vfl=video_device[minor];
if(vfl==NULL) {
mutex_unlock(&videodev_lock);
request_module("char-major-%d-%d", VIDEO_MAJOR, minor);
mutex_lock(&videodev_lock);
vfl=video_device[minor]; //根據次設備號取出video_device結構
if (vfl==NULL) {
mutex_unlock(&videodev_lock);
return -ENODEV;
}
}
old_fops = file->f_op;
file->f_op = fops_get(vfl->fops);//替換此打開文件的file_operation結構。後面的其它針對此文件的操作都由新的結構來負責了。也就是由每個具體的video_device的fops負責。
if(file->f_op->open)
err = file->f_op->open(inode,file);
if (err) {
fops_put(file->f_op);
file->f_op = fops_get(old_fops);
}
……
}
以上是我對V4L2的一些理解，希望能對大家瞭解V4L2有一些幫助！