基于V4L2的视频驱动开发.docx

1、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OmniV

2、ision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 S3C2440 camera控制器+ov9650（ov9655） V4L2 API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、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YC

3、bCr4:2:2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

4、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

5、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

6、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D9:2用于8-bitYUV或者RGB565/RGB555(D9MS

7、B、D2LSB)。D9:0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 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

8、）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、 V4L2 API及数据结构V4L2是V4L的升级版本，为lin

9、ux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 v4

10、l2_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

11、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

12、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_cap

13、ability 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

14、= -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 = ioc

15、tl(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 vo

16、id *start; size_t length; VideoBuffer; VideoBuffer* buffers = calloc( req.count, sizeof(*buffers) );struct v4l2_buffer buf;for (numBufs = 0; numBufs nr0 ：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_GR

17、ABBER, video_nrdev_nr); 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.cstrcpy(cam-v4ldev-name, ZC0301P PC Camera); cam-v4ldev-owner = THIS_MODULE; cam-v4ldev-type = VID_TYPE_CA

18、PTURE | VID_TYPE_SCALES; cam-v4ldev-fops = &zc0301_fops; cam-v4ldev-minor = video_nrdev_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zc0

19、301_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 = v

20、idioc_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_MODUL

21、E, .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

22、.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 t

23、ype, 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_bas

24、e = 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_devicei) mutex_unlock(&videodev_lock); return -ENFILE; else /* use first free */ for(i=base;iend;i+)