基于V4L2的视频驱动开发

编写基于V4L2视频驱动主要涉及到以下几个知识点：

1> 摄像头方面的知识
要了解选用的摄像头的特性，包括访问控制方法、各种参数的配置方法、信号输出类型等。
2> Camera解码器、控制器
如果摄像头是模拟量输出的，要熟悉解码器的配置。最后数字视频信号进入camera控制器后，还要熟悉camera控制器的操作。
3> V4L2的API和数据结构
编写驱动前要熟悉应用程序访问V4L2的方法及设计到的数据结构。
4> V4L2的驱动架构
最后编写出符合V4L2规范的视频驱动。

本文介绍基于S3C2440硬件平台的V4L2视频驱动开发。摄像头采用OmniVision公司的OV9650和OV9655。主要包含以下几个方面的内容：
1> 视频驱动的整体驱动框架
2> S3C2440 camera控制器+ov9650（ov9655）
3> V4L2 API及数据结构
4> V4L2驱动框架
5> ov9650（ov9655）+s3c2440+V4L2实例

一、视频驱动的整体框架
视频驱动的整体框架见下图：

二、S3C2440 camera控制器+ov9650（ov9655）
（1）S3C2440 camera控制器介绍 
S3C2440支持ITU-R BT601/656格式的数字图像输入，支持的2个通道的DMA，Preview通道和Codec通道，参见下图。

Preview通道可以将YCbCr4:2:2格式的图像转换为RGB（16bit或24bit）格式的数据，并存放于为Preview DMA分配的内存中，最大分辨率为640*480。主要用于本地液晶屏显示。如果将Preview DMA的内存和Framebuffer内存重叠的话，就可以实现采集直接输出到液晶屏上了。
Codec通道可以输出YCbCr4:2:0或YCbCr4:2:2格式到为Codec DMA分配的内存中。最大分辨率为4096*4096。主要用于图像的编解码处理。

上图中的window cut功能是指在图像可以先做一个裁剪。通过设置CIWDOFST完成此功能，见下图。图像进入P、C通道后，各自的scaler单元还可以对其进行缩放、旋转等处理。

S3C2440 camera控制器支持乒乓存储。为了防止采集和输出之间的冲突，采用了乒乓存储方式。每次采集一帧后，自动转到下一个存储区。如果你因为内存空间不足，不想使用此功能的话，可以将四个区域设置到同一块空间。
在做图像处理时，需要关注到最后存储区中的图像格式，如codec通道硬件自动把Y、Cb、Cr分离存储。

S3C2440 camera 控制器Last IRQ功能的使用，也是需要掌握的。如果处理不好，输出的图像效果会受影响。

控制器会在每个VSYNC下降沿判断ImgCptEn信号等命令。如果在下降沿发现ImgCptEn信号有效，则产生IRQ中断。然后才开始一帧图像的真正采集。而如果在VSYNC下降沿判断到ImgCptEn为低电平且之前LastIRQEn没有使能，则不会产生任何中断，且不会再进行下一帧的采集。如果你想在ImgCptEn关闭后，一帧采集完后产生一个中断通知你，那么就需要在最后一次中断产生前（stop capturing后的vysnc下将沿）使能lastirq就可以了。
我在移植linux驱动时就遇到了一个Last IRQ的问题。现象是输出图像上面总是有一条比其它部分反应慢。采集运动图像，就能看出现象。查看代码是因为没有设立lastirq，因为每次如果不在lastirq产生的情况下读取，图像缓冲中的数据是不稳定的，可能照成图像不完整。修改代码支持lastirq后，问题解决。
Camera控制器时钟设置也是需要注意的，ov9650需要Camera控制器为其提供时钟。

提供给外部摄像头的时钟是由UPLL输出时钟分频得到的。而CAMIF的时钟是由HCLK提供的。本例中，提供给ov9650的时钟为24M。

（2）ov9650（ov9655）设置方法
OV9650是OmniVision公司的COMS摄像头，130万像素，支持SXVGA、VGA、QVGA、CIF等图像输出格式。 最大速率在SXVGA时为15fps，在VGA时为30fps。
OV9650摄像头时序如下图：

上图中D[9:2]用于8-bitYUV或者RGB565/RGB555(D[9]MSB、D[2]LSB)。D[9:0]用于10-bit RGB。本例中使用8-bit YUV模式。
我手边开发板的Camera和S3C2440的接线原理图如下（对应camera中具体的信号名称参见前文的驱动整体架构图）。
注：GPG12用于PWEN信号

（3）编写ARM测试代码测试camera功能
在Keil环境下编写一个测试代码完成从摄像头采集图像输出到液晶屏。下面列出程序的流程。

（4）编写测试代码过程中常见的问题
1> 摄像头寄存器的配置
 　　因为摄像头有很多寄存器，可能一下无法理解里面所有的配置含义，所以开始时希望得到一份可用的配置。但往往从别人的测试代码中拿到配置后，仍然无法使用。我这里列出几个可能的原因：
 　　（1）摄像头中的图像输出格式和你在camera控制器中设置的不一致，同一个摄像头可以设置多种输入格式，如：YCbYCr或CbYCrY。
 　　（2）图像输出的一些时序和你的camera控制器设置不一致，摄像头可以设置一些时序，如：图像数据在CAMPCLK的上升沿有效还是下降沿有效。
 　　（3）注意输出图像的格式和Framebuffer控制器的匹配，如字节顺序等问题。
2> Ov9650和ov9655的使用区别
 　　这里主要列出两者之间在复位信号上有差别，ov9650是高电平复位，而ov9655是低电平复位。

三、V4L2 API及数据结构
V4L2是V4L的升级版本，为linux下视频设备程序提供了一套接口规范。包括一套数据结构和底层V4L2驱动接口。
1、常用的结构体在内核目录include/linux/videodev2.h中定义

struct v4l2_requestbuffers //申请帧缓冲，对应命令VIDIOC_REQBUFS struct v4l2_capability //视频设备的功能，对应命令VIDIOC_QUERYCAP struct v4l2_input //视频输入信息，对应命令VIDIOC_ENUMINPUT struct v4l2_standard //视频的制式，比如PAL，NTSC，对应命令VIDIOC_ENUMSTD struct v4l2_format //帧的格式，对应命令VIDIOC_G_FMT、VIDIOC_S_FMT等 struct v4l2_buffer //驱动中的一帧图像缓存，对应命令VIDIOC_QUERYBUF struct v4l2_crop //视频信号矩形边框 v4l2_std_id //视频制式

2、常用的IOCTL接口命令也在include/linux/videodev2.h中定义

VIDIOC_REQBUFS //分配内存 VIDIOC_QUERYBUF //把VIDIOC_REQBUFS中分配的数据缓存转换成物理地址 VIDIOC_QUERYCAP //查询驱动功能 VIDIOC_ENUM_FMT //获取当前驱动支持的视频格式 VIDIOC_S_FMT //设置当前驱动的频捕获格式 VIDIOC_G_FMT //读取当前驱动的频捕获格式 VIDIOC_TRY_FMT //验证当前驱动的显示格式 VIDIOC_CROPCAP //查询驱动的修剪能力 VIDIOC_S_CROP //设置视频信号的矩形边框 VIDIOC_G_CROP //读取视频信号的矩形边框VIDIOC_QBUF //把数据从缓存中读取出来 VIDIOC_DQBUF //把数据放回缓存队列 VIDIOC_STREAMON //开始视频显示函数 VIDIOC_STREAMOFF //结束视频显示函数 VIDIOC_QUERYSTD //检查当前视频设备支持的标准，例如PAL或NTSC。

3、操作流程
V4L2提供了很多访问接口，你可以根据具体需要选择操作方法。需要注意的是，很少有驱动完全实现了所有的接口功能。所以在使用时需要参考驱动源码，或仔细阅读驱动提供者的使用说明。
下面列举出一种操作的流程，供参考。
（1）打开设备文件

int fd = open(Devicename,mode); Devicename：/dev/video0、/dev/video1 …… Mode：O_RDWR [| O_NONBLOCK]

如果使用非阻塞模式调用视频设备，则当没有可用的视频数据时，不会阻塞，而立刻返回。
（2）取得设备的capability  

struct v4l2_capability capability；int ret = ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &capability);

看看设备具有什么功能，比如是否具有视频输入特性。
（3）选择视频输入

struct v4l2_input input；……初始化inputint ret = ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &input);

一个视频设备可以有多个视频输入。如果只有一路输入，这个功能可以没有。
（4）检测视频支持的制式

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）设置视频捕获格式

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）向驱动申请帧缓存

struct v4l2_requestbuffers req;if (ioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &req) == -1) { return -1;}

v4l2_requestbuffers结构中定义了缓存的数量，驱动会据此申请对应数量的视频缓存。多个缓存可以用于建立FIFO，来提高视频采集的效率。
（7）获取每个缓存的信息，并mmap到用户空间

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++) {//映射所有的缓存 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) {//获取到对应index的缓存信息，此处主要利用length信息及offset信息来完成后面的mmap操作。 return -1; } buffers[numBufs].length = buf.length; // 转换成相对地址 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）开始采集视频

int buf_type= V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE；int ret = ioctl(fd, VIDIOC_STREAMON, &buf_type);

（9）取出FIFO缓存中已经采样的帧缓存struct v4l2_buffer buf;

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;}

根据返回的buf.index找到对应的mmap映射好的缓存，取出视频数据。
（10）将刚刚处理完的缓冲重新入队列尾，这样可以循环采集

if (ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf) == -1) { return -1;}

（11）停止视频的采集

int ret = ioctl(fd, VIDIOC_STREAMOFF, &buf_type);

（12）关闭视频设备

close(fd);

四、V4L2驱动框架
上述流程的各个操作都需要有底层V4L2驱动的支持。内核中有一些非常完善的例子。
比如：linux-2.6.26内核目录/drivers/media/video//zc301/zc301_core.c 中的ZC301视频驱动代码。上面的V4L2操作流程涉及的功能在其中都有实现。
1、V4L2驱动注册、注销函数
 　　Video核心层（drivers/media/video/videodev.c）提供了注册函数

int video_register_device(struct video_device *vfd, int type, int nr) video_device: 要构建的核心数据结构 Type: 表示设备类型，此设备号的基地址受此变量的影响 Nr: 如果end-base>nr>0 ：次设备号=base（基准值，受type影响）+nr； 否则：系统自动分配合适的次设备号

具体驱动只需要构建video_device结构，然后调用注册函数既可。
     Video核心层（drivers/media/video/videodev.c）提供了注销函数

void video_unregister_device(struct video_device *vfd)

2、struct video_device 的构建
 　　video_device结构包含了视频设备的属性和操作方法。参见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);

大家发现在这个zc301的驱动中并没有实现struct video_device中的很多操作函数，如：vidioc_querycap、vidioc_g_fmt_cap等。主要原因是struct file_operations zc0301_fops中的zc0301_ioctl实现了前面的所有ioctl操作。所以就不需要在struct video_device再实现struct video_device中的那些操作了。
 　　另一种实现方法如下：

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中是实现的。video_ioctl2中会根据ioctl不同的cmd来调用video_device中的操作方法。
3、Video核心层的实现
 　 参见内核/drivers/media/videodev.c
（1）注册256个视频设备

static int __init videodev_init(void){ int ret; if (register_chrdev(VIDEO_MAJOR, VIDEO_NAME, &video_fops)) { return -EIO; } ret = class_register(&video_class); ……}

上面的代码注册了256个视频设备，并注册了video_class类。video_fops为这256个设备共同的操作方法。
（2）V4L2驱动注册函数的实现

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) //根据不同的type确定设备名称、次设备号 { 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; } /* 计算出次设备号 */ 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) if (NULL == video_device[i]) break; if (i == end) { mutex_unlock(&videodev_lock); return -ENFILE; } } video_device[i]=vfd; //保存video_device结构指针到系统的结构数组中，最终的次设备号和i相关。 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);//最后在/dev目录下的名称 ret = device_register(&vfd->class_dev);//结合udev或mdev可以实现自动在/dev下创建设备节点 ……}

从上面的注册函数中可以看出V4L2驱动的注册事实上只是完成了设备节点的创建，如：/dev/video0。和video_device结构指针的保存。
（3）视频驱动的打开过程
 　　当用户空间调用open打开对应的视频文件时，如：

int fd = open(/dev/video0, O_RDWR);

对应/dev/video0的文件操作结构是/drivers/media/videodev.c中定义的video_fops。

static const struct file_operations video_fops={ .owner = THIS_MODULE, .llseek = no_llseek, .open = video_open,};

奇怪吧，这里只实现了open操作。那么后面的其它操作呢？还是先看看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]; //根据次设备号取出video_device结构 if (vfl==NULL) { mutex_unlock(&videodev_lock); return -ENODEV; } } old_fops = file->f_op; file->f_op = fops_get(vfl->fops);//替换此打开文件的file_operation结构。后面的其它针对此文件的操作都由新的结构来负责了。也就是由每个具体的video_device的fops负责。 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); } ……}

以上是我对V4L2的一些理解，希望能对大家了解V4L2有一些帮助。