2.5 USB摄像头驱动程序框架

学习目标：根据vivi驱动架构和linux-2.6.31/linux-2.6.31.14/drivers/media/video/uvc/Uvc_driver.c驱动源码，分析usb摄像头驱动程序框架；

一、摄像头拓扑结构

由数据手册USB_Video_Example 1.5和UVC 1.5 Class specification分析摄像头的拓扑结构，如下图所示：

usb摄像头功能由摄像头接口完成，每个摄像头功能包括一个 VideoControl interface （VC）和几个VideoStreaming interface (VS)。

1) CS主要用于控制，它又抽象出两个概念：unit和termiral。unit用于里面的相关控制。termiral用于内外连接。其中，unit中包括：a.  Selector Unit (SU) 选择（CT (Camera Terminal) 和IT(Input Terminal)）哪一路 。b. Processing Unit (PU) 用于亮度等属性参数控制。

2) VS用于传输，来读视频数据，。需要设置类型type和格式format，选择实时传输还是批量传输Bulk。

二、usb摄像头源码框架分析 

在Linux内核里自带usb摄像头驱动程序，它支持uvc规格的摄像头（uvc即usb video class），进入源码程序分析。

1、进入uvc_init入口函数

--> 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 = ,
    },
};

注册了 uvc_driver结构体，根据.id_table匹配后，进入uvc_probe函数：
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，写一个USB摄像头驱动程序需要以下步骤：
1）构造一个usb_driver结构体(uvc结构体)
2）设置
   probe:
        2.1. 分配video_device:video_device_alloc
        2.2. 设置
           .fops
           .ioctl_ops (里面需要设置11项)
           如果要用内核提供的缓冲区操作函数，还需要构造一个videobuf_queue_ops
        2.3. 注册: video_register_device     
  id_table: 表示支持哪些USB设备     
3）注册： usb_register

 2、分析UVC驱动调用过程

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函数

　 uvc_v4l2_open //一系列设置

2) uvc_v4l2_ioctl函数

-->video_usercopy(file, cmd, arg, uvc_v4l2_do_ioctl);//将用户提供的参数拷贝到内核态，并调用uvc_v4l2_do_ioctl函数

　　-->uvc_v4l2_do_ioctl

　　　　struct video_device *vdev = video_devdata(file);//根据次设备号,找到video_device

　　　　switch (cmd) { //根据cmd执行一系列的ioctl函数
 　　　　/* Query capabilities */
 　　　　case VIDIOC_QUERYCAP:

　　　　 .......

接下来具体分析ioctl过程：

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 应该是在设备被枚举时分析描述符时设置的。（对用功能拓扑的VS）

2）VIDIOC_ENUM_FMT // format数组应是在设备被枚举时设置的

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

3）VIDIOC_G_FMT

　　--> uvc_v4l2_get_format(video, arg); // USB摄像头支持多种格式fromat, 每种格式下有多种frame(比如分辨率)

　　　　 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.*/找到最接近的图像格式

5）VIDIOC_S_FMT  // 只是把参数保存起来，还没有发给USB摄像头

　　-->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已经设置并获取，vmalloc时只需传进来应用程序的rb->count数值

　　　　/* 根据rb->count来分配多少个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);  // 复制参数

8）mmap //查询buf参数后使用mmap把buf映射给应用程序

　　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)  // 把所设置的参数发给硬件,然后启动摄像头

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

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

　　　　　　　　ret = __uvc_query_ctrl(video->dev,/* 哪一个USB设备 */ SET_CUR, 0,  video->streaming->intfnum, /* 哪一个接口: VS */
 　　　　　　　　　　　　 　　　　probe ? VS_PROBE_CONTROL : VS_COMMIT_CONTROL, data, size,
 　　　　　　　　　　　　　　　　 uvc_timeout_param);

注意：此处用到了__uvc_query_ctrl函数

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

　　　　　　　　uvc_init_video(video, GFP_KERNEL);

　　　　　　　　uvc_init_video_isoc(video, ep, gfp_flags);(实时传输)/uvc_init_video_bulk(video, ep, gfp_flags)（批量传输）

　　　　　　　　　　-->usb_alloc_urb

　　　　　　　　　　设置urb结构体（urb用于usb数据传输的结构体）

　　　　　　　　　　 urb->complete = uvc_video_complete;(收到数据后此函数被调用,它又调用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);  // 休眠等待有数据　　　

12)  VIDIOC_DQBUF　//有数据时，把buf从队列中取出，并从原始队列里面删除

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

　　　　  list_del(&buf->stream);　　

13）VIDIOC_STREAMOFF

　　 uvc_video_enable(video, 0); //0表示关闭

　　 uvc_uninit_video(video, 1);

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

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

下面以设置亮度过程为例，操作VC（Video Control Interface）接口（实质上是向VC发包）：

ioctl: VIDIOC_S_CTRL

--->uvc_ctrl_set(video, &xctrl);//设置
     uvc_ctrl_commit(video); //传送
                __uvc_ctrl_commit(video, 0);
                    uvc_ctrl_commit_entity(video->dev, entity, rollback);
                   ret = uvc_query_ctrl(dev  /* 哪一个USB设备 */, SET_CUR, ctrl->entity->id  /* 哪一个unit/terminal */,
                    dev->intfnum /* 哪一个接口: VC interface */, ctrl->info->selector,
                    uvc_ctrl_data(ctrl, UVC_CTRL_DATA_CURRENT),ctrl->info->size);

三、总结

1. UVC设备是基于2个interface: VideoControl Interface VC, VideoStreaming Interface VS 进行操作的；

2. 1) VC 用于控制属性参数，比如设置亮度。它内部有多个Unit/Terminal(在程序里Unit/Terminal都称为entity)
   可以通过类似的函数来访问：
                   ret = uvc_query_ctrl(dev  /* 哪一个USB设备 */, SET_CUR, ctrl->entity->id  /* 哪一个unit/terminal */,
                    dev->intfnum /* 哪一个接口: VC interface */, ctrl->info->selector,
                    uvc_ctrl_data(ctrl, UVC_CTRL_DATA_CURRENT),
                    ctrl->info->size);

　 2) VS用于获得视频数据，也可以用来选择fromat/frame(VS可能有多种format, 一个format支持多种frame， frame用来表示分辨率等信息)
    可以通过类似的函数来访问：
                     ret = __uvc_query_ctrl(video->dev /* 哪一个USB设备 */, SET_CUR, 0,
                      video->streaming->intfnum  /* 哪一个接口: VS */,
                      probe ? VS_PROBE_CONTROL : VS_COMMIT_CONTROL, data, size,
                      uvc_timeout_param);

3. 设置FORMAT时只是简单的使用video->streaming->format[fmt->index]等数据，这些数据应是设备被枚举时设置的，也就是分析它的描述符时设置的。

4. UVC驱动的重点在于: usb摄像头描述符的分析
   属性的控制: 通过VideoControl Interface（VC）来设置
   格式的选择：通过VideoStreaming Interface(VS)来设置
   数据的获得：通过VideoStreaming Interface（VS）的URB-->（usb设备驱动数据传输的结构体格式）来获得。

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参考：百问网（韦东山视频）