基于V4L2的视频驱动开发.docx
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基于V4L2的视频驱动开发
基于V4L2的视频驱动开发
（1）
华清远见刘洪涛
编写基于V4L2视频驱动主要涉及到以下几个知识点：
● 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。
● 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。
● 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。
● 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：
● 视频驱动的整体驱动框架
● S3C2440camera控制器+ov9650（ov9655）
● V4L2API及数据结构
● V4L2驱动框架
● 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、S3C2440camera控制器+ov9650（ov9655）
（1）S3C2440camera控制器介绍
S3C2440支持ITU-RBT601/656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PreviewDMA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PreviewDMA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CodecDMA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windowcut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。
S3C2440camera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。
S3C2440camera控制器LastIRQ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（stopcapturing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LastIRQ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-bitRGB。
本例中使用8-bitYUV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
● 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。
● 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。
基于V4L2的视频驱动开发
（2）
华清远见刘洪涛
三、 V4L2API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
structv4l2_requestbuffers//申请帧缓冲，对应命令VIDIOC_REQBUFS
structv4l2_capability//视频设备的功能，对应命令VIDIOC_QUERYCAP
structv4l2_input//视频输入信息，对应命令VIDIOC_ENUMINPUT
structv4l2_standard//视频的制式，比如PAL，NTSC，对应命令VIDIOC_ENUMSTD
structv4l2_format//帧的格式，对应命令VIDIOC_G_FMT、VIDIOC_S_FMT等
structv4l2_buffer//驱动中的一帧图像缓存，对应命令VIDIOC_QUERYBUF
structv4l2_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
intfd=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
structv4l2_capabilitycapability；
intret=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
structv4l2_inputinput；
……初始化input
intret=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_idstd;
do{
ret=ioctl（fd,VIDIOC_QUERYSTD,&std）;
}while（ret==-1&&errno==EAGAIN）;
switch（std）{
caseV4L2_STD_NTSC:
//……
caseV4L2_STD_PAL:
//……
}
（5）设置视频捕获格式
structv4l2_formatfmt;
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
structv4l2_requestbuffersreq;
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
typedefstructVideoBuffer{
void*start;
size_tlength;
}VideoBuffer;
VideoBuffer*buffers=calloc（req.count,sizeof（*buffers））;
structv4l2_bufferbuf;
for（numBufs=0;numBufsmemset（&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
intbuf_type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE；
intret=ioctl（fd,VIDIOC_STREAMON,&buf_type）;
（9）取出FIFO缓存中已经采样的帧缓存
structv4l2_bufferbuf;
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
intret=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
intvideo_register_device（structvideo_device*vfd,inttype,intnr）
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。
如：
zc301_core.c中的
err=video_register_device（cam->v4ldev,VFL_TYPE_GRABBER,
video_nr[dev_nr]）;
Video核心层（drivers/media/video/videodev.c）提供了注销函数
voidvideo_unregister_device（structvideo_device*vfd）
2、structvideo_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]PCCamera"）;
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structvideo_device中的很多操作函数，如：
vidioc_querycap、vidioc_g_fmt_cap等。
主要原因是structfile_operationszc0301_fops中的zc0301_ioctl实现了前面的所有ioctl操作。
所以就不需要在structvideo_device再实现structvideo_device中的那些操作了。
另一种实现方法如下：
staticstructvideo_devicecamif_dev=
{
.name="s3c2440camif",
.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,
};
staticstructfile_operationscamif_fops=
{
.owner=THIS_MODULE,
.open=camif_open,
.release=camif_release,
.read=camif_read,
.poll=camif_poll,
.ioctl=video_ioctl2,/*V4L2ioctlhandler*/
.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
staticint__initvideodev_init（void）
{
intret;
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
intvideo_register_device（structvideo_device*vfd,inttype,intnr）
{
inti=0;
intbase;
intend;
intret;
char*name_base;
switch（type）//根据不同的type确定设备名称、次设备号
{
caseVFL_TYPE_GRABBER:
base=MINOR_VFL_TYPE_GRABBER_MIN;
end=MINOR_VFL_TYPE_GRABBER_MAX+1;
name_base="video";
break;
caseVFL_TYPE_VTX:
base=MINOR_VFL_TYPE_VTX_MIN;
end=MINOR_VFL_TYPE_VTX_MAX+1;
name_base="vtx";
break;
caseVFL_TYPE_VBI:
base=MINOR_VFL_TYPE_VBI_MIN;
end=MINOR_VFL_TYPE_VBI_MAX+1;
name_base="vbi";
break;
caseVFL_TYPE_RADIO:
base=MINOR_VFL_TYPE_RADIO_MIN;
end=MINOR_VFL_TYPE_RADIO_MAX+1;
name_base="radio";
break;
default:
printk（KERN_ERR"%scalledwithunknowntype:
%d/n",
__func__,type）;
return-1;
}
/*计算出次设备号*/
mutex_lock（&videodev_lock）;
if（nr>=0&&nr/*usetheonethedriveraskedfor*/
i=base+nr;
if（NULL!
=video_device[i]）{
mutex_unlock（&videodev_lock）;
return-ENFILE;
}
}else{
/*usefirstfree*/
for（i=base;i
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