【Linux驅(qū)動】Linux--USB免驅(qū)攝像頭驅(qū)動分析（基于5.4內(nèi)核）

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Linux–USB免驅(qū)攝像頭驅(qū)動分析

本文基于Linux 5.4內(nèi)核，虛擬攝像頭驅(qū)動文件在drivers\media\usb\uvc目錄下，本文深入分析了5.4內(nèi)核下UVC驅(qū)動的實現(xiàn)及調(diào)用過程。讀完本文可以對UVC驅(qū)動有一個清晰的認識。

drivers\media\usb\uvc

一、UVC簡介

UVC全稱為USB Video Class，即：USB視頻類，是一種為USB視頻捕獲設(shè)備定義的協(xié)議標準。 是Microsoft與另外幾家設(shè)備廠商聯(lián)合推出的為USB視頻捕獲設(shè)備定義的協(xié)議標準，已成為USB org標準之一。

? 如今的主流操作系統(tǒng)(如Windows XP SP2 and later, Linux 2.4.6 and later, MacOS 10.5 and later)都已提供UVC設(shè)備驅(qū)動，因此符合UVC規(guī)格的硬件設(shè)備在不需要安裝任何的驅(qū)動程序下即可在主機中正常使用。使用UVC技術(shù)的包括攝像頭、數(shù)碼相機、類比影像轉(zhuǎn)換器、電視棒及靜態(tài)影像相機等設(shè)備。

? 網(wǎng)絡(luò)攝像頭是第一個支持UVC而且也是數(shù)量最多的UVC設(shè)備，操作系統(tǒng)只要是 Windows XP SP2 之后的版本都可以支持 UVC，當然 Vista 就更不用說了。Linux系統(tǒng)自2.4以后的內(nèi)核都支持了大量的設(shè)備驅(qū)動，并可以支持UVC設(shè)備。

? 使用 UVC 的好處 USB 在 Video這塊也成為一項標準了之后，硬件在各個程序之間彼此運行會更加順利，而且也省略了驅(qū)動程序安裝這一環(huán)節(jié)。

二、UVC功能

? UVC設(shè)備都是多Interface設(shè)備，這點同普通的u盤不同。UVC設(shè)備最起碼有兩個Interface，VideoControl（VC）Interface和VideoStream(VS) Interface；這也是最常見的UVC設(shè)備。 Spec明確要求一個具有可用的，具有實際UVC功能的設(shè)備要有一個VC Interface，一個或多個VS Interface。

? VCInterface用于進行配置，操控，設(shè)置UVC設(shè)備進入不同的功能狀態(tài)，而VSInterface則負責視頻數(shù)據(jù)流的傳輸；完整的UVC功能需依賴VS，VC Interfaces的配合才能實現(xiàn)。

? 通過VideoControl Interface來控制，通過VideoStreaming Interface來讀視頻數(shù)據(jù)，
? VC里含有多個Unit/Terminal等功能模塊，可以通過訪問這些模塊進行控制，比如調(diào)亮度。

三、如何寫一個USB攝像頭驅(qū)動

1.構(gòu)造一個usb_driver
2.設(shè)置
   probe:
        2.1. 分配video_device:video_device_alloc
        2.2. 設(shè)置
           .fops
           .ioctl_ops (里面需要設(shè)置11項)
           如果要用內(nèi)核提供的緩沖區(qū)操作函數(shù)，還需要構(gòu)造一個videobuf_queue_ops
        2.3. 注冊: video_register_device      
  id_table: 表示支持哪些USB設(shè)備      
3.注冊： usb_register

四、Linux內(nèi)UVC驅(qū)動分析

1、大體框架

Linux 5.4版本UVC驅(qū)動在drivers\media\usb\uvc目錄下。

看一個驅(qū)動從入口函數(shù)看起

usb_register(&uvc_driver.driver);

在probe函數(shù)里,分配設(shè)置注冊video_device

uvc_probe
	dev = kzalloc(sizeof(*dev), GFP_KERNEL);//分配uvc_device
	uvc_parse_control(dev)/* Parse the Video Class control descriptor. */
    v4l2_device_register	
    uvc_ctrl_init_device(dev)  /* Initialize controls. */
    uvc_scan_device(dev)/* Scan the device for video chains. */
    uvc_register_chains(dev)    /* 注冊視頻設(shè)備節(jié)點 */
    	uvc_register_terms
        	uvc_register_video
        		uvc_video_init/* *使用默認參數(shù)初始化流接口 */
        		uvc_register_video_device
        				vdev->v4l2_dev = &dev->vdev;
						vdev->fops = fops;
						vdev->ioctl_ops = ioctl_ops;
						video_register_device

可以看到最終還是滿足三（如何寫一個USB攝像頭驅(qū)動）的步驟。

2、UVC驅(qū)動調(diào)用過程

? 在上面的步驟中，我們已經(jīng)將uvc_fops綁定到video_device并注冊到V4L2核心層中去了，當應(yīng)用層產(chǎn)生系統(tǒng)調(diào)用時，會最終調(diào)到uvc_fops的函數(shù)。

【Linux驅(qū)動】Linux--USB免驅(qū)攝像頭驅(qū)動分析（基于5.4內(nèi)核）

open

uvc_v4l2_open
    uvc_trace/* 打印信息 */
    handle = kzalloc(sizeof(*handle), GFP_KERNEL);/* Create the device handle. */
	uvc_status_start(stream->dev, GFP_KERNEL);/* 提交URB */
	v4l2_fh_init(&handle->vfh, &stream->vdev);
	v4l2_fh_add(&handle->vfh);

VIDIOC_QUERYCAP

uvc_ioctl_querycap
    cap->capabilities = V4L2_CAP_DEVICE_CAPS | V4L2_CAP_STREAMING| chain->caps;

VIDIOC_ENUM_FMT

uvc_ioctl_enum_fmt_vid_cap
    uvc_ioctl_enum_fmt
    	format = &stream->format[fmt->index]; // format數(shù)組應(yīng)是在設(shè)備被枚舉時設(shè)置的

VIDIOC_G_FMT

uvc_ioctl_g_fmt_vid_cap
	uvc_v4l2_get_format // USB攝像頭支持多種格式fromat, 每種格式下有多種frame(比如分辨率)
		format = stream->cur_format;
		frame = stream->cur_frame;

VIDIOC_TRY_FMT

uvc_ioctl_try_fmt_vid_cap
    uvc_v4l2_try_format
    /* 檢查硬件是否支持所請求的格式，使用默認格式,否則格式化。 */
    /*找到最接近的圖像大小。圖像大小之間的距離為
	 *元素之間不重疊區(qū)域的像素大小
	 *請求的大小和幀指定的大小。 */
	/* 使用默認的幀間隔。 */
	ret = uvc_probe_video(stream, probe);/* Probe the device. 
											如果成功則保持配置，失敗則恢復(fù)默認配置*/

VIDIOC_S_FMT

uvc_ioctl_s_fmt_vid_cap
    uvc_v4l2_set_format
    	uvc_v4l2_try_format /* 嘗試配置 */
    	uvc_queue_allocated
    	stream->ctrl = probe;	/* 可以配置則保存參數(shù)，還沒有發(fā)給USB攝像頭 */
		stream->cur_format = format;
		stream->cur_frame = frame;

VIDIOC_REQBUFS

uvc_ioctl_reqbufs
    uvc_request_buffers
    	vb2_reqbufs
    		vb2_verify_memory_type /* 識別memory_type */
    		fill_buf_caps			/* 對應(yīng)用層傳進來的buff填充 */

VIDIOC_QUERYBUF

uvc_ioctl_querybuf
	uvc_query_buffer
    	vb2_querybuf(&queue->queue, buf);
					vb = q->bufs[b->index];
					ret = __verify_planes_array(vb, b); /* 驗證是否可安全使用buf */
					if (!ret)
					vb2_core_querybuf(q, b->index, b);	
						call_void_bufop
                            q->buf_ops->op(args);
							/* 最終調(diào)用到q->buf->ops->fill_user_buffer */

mmap

uvc_v4l2_mmap
	uvc_queue_mmap
    	vb2_mmap
    		call_memop

VIDIOC_QBUF

uvc_ioctl_qbuf
    uvc_queue_buffer
    	vb2_qbuf
    		vb2_queue_or_prepare_buf
    		vb2_core_qbuf
				list_add_tail(&vb->queued_entry, &q->queued_list);/* 將buf放入隊列 */
				vb2_start_streaming/* 如果之前開啟VIDIOC_STREAMON，那么啟動流*/
					call_qop(q,start_streaming,q,atomic_read(&q>owned_by_drv_count));
					/* 最終調(diào)用到q->ops->start_streaming指向的函數(shù)：uvc_start_streaming */

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uvc_start_streaming
    uvc_video_start_streaming
    	uvc_commit_video
    	uvc_video_start_transfer
    		uvc_init_video_isoc
    			 usb_alloc_urb /* 分配設(shè)置URB */
	   		     urb->complete = uvc_video_complete;
/* (收到數(shù)據(jù)后此函數(shù)被調(diào)用,它又調(diào)用video->decode(urb, video, buf); ==> uvc_video_decode_isoc/uvc_video_encode_bulk => uvc_queue_next_buffer => wake_up(&buf->wait);) */


uvc_video_complete
	usb_submit_urb		/* 發(fā)送URB數(shù)據(jù) */

VIDIOC_STREAMON

uvc_ioctl_streamon
    uvc_queue_streamon
    	vb2_streamon
    		vb2_core_streamon
    			vb2_start_streaming /* 如果提供了足夠的緩沖區(qū)，就告訴驅(qū)動程序開始流式傳輸 */
    					list_for_each_entry(vb, &q->queued_list, queued_entry)
						__enqueue_in_driver(vb);/* 找出排隊的buf */
						call_qop/* 告訴驅(qū)動程序開始傳輸流 */
                      /* 最終調(diào)用到q->ops->start_streaming指向的函數(shù)：uvc_start_streaming */
                           /* 分析過程同VIDIOC_QBUF后面一樣 */

poll

uvc_v4l2_poll
	uvc_queue_poll
    	vb2_poll
    		vb2_core_poll
    			poll_wait	/* 進入休眠狀態(tài)等待內(nèi)核線程喚醒 */

VIDIOC_DQBUF

uvc_ioctl_dqbuf
    uvc_dequeue_buffer
    	vb2_dqbuf
    		vb2_core_dqbuf
    			call_void_bufop(q, fill_user_buffer, vb, pb);/* 填充用戶空間的緩沖區(qū)信息 */
				list_del(&vb->queued_entry);		/*將videobuf從隊列移除*/

VIDIOC_STREAMOFF

uvc_ioctl_streamoff
    uvc_queue_streamoff
    	vb2_streamoff
    		vb2_core_streamoff
    			/* Cancel將暫停流并從驅(qū)動程序中刪除所有緩沖區(qū)和videobuf，
    			有效地將對它們的控制權(quán)返回給用戶空間 */
    			__vb2_queue_cancel(q);
					call_void_qop(q, stop_streaming, q);/*釋放所有排隊的事務(wù)*/
					INIT_LIST_HEAD(&q->queued_list);	/*從videobuf列表中刪除所有緩沖區(qū)。*/
					wake_up_all(&q->done_wq);			/* 喚醒所有休眠的等待隊列 */
/* call_void_qop(q, stop_streaming, q);最終調(diào)用q->ops->stop_streaming即uvc_stop_streaming */

【Linux驅(qū)動】Linux--USB免驅(qū)攝像頭驅(qū)動分析（基于5.4內(nèi)核）

uvc_stop_streaming
    uvc_video_stop_streaming
    	uvc_video_stop_transfer
    		usb_free_urb	/* 釋放URB */

3、分析設(shè)置亮度過程

ioctl：VIDIOC_S_CTRL

uvc_ioctl_s_ctrl
    uvc_ctrl_begin
    uvc_ctrl_set
    uvc_ctrl_commit
    	__uvc_ctrl_commit
    		/* Find the control. */
			list_for_each_entry(entity, &chain->entities, chain) {
			uvc_ctrl_commit_entity(chain->dev, entity, rollback);
				uvc_query_ctrl(dev  /* 哪一個USB設(shè)備 */, SET_CUR, ctrl->entity->id 									 /* 哪一個unit/terminal */,dev->intfnum /* 哪一個接口: VC 										interface */, ctrl->info->selector,uvc_ctrl_data(ctrl, 									UVC_CTRL_DATA_CURRENT),ctrl->info->size);

五、總結(jié)

總結(jié)：

UVC設(shè)備有2個interface: VideoControl Interface, VideoStreaming Interface
VideoControl Interface用于控制，比如設(shè)置亮度。它內(nèi)部有多個Unit/Terminal(在程序里Unit/Terminal都稱為entity)
可以通過類似的函數(shù)來訪問：
ret = uvc_query_ctrl(dev /* 哪一個USB設(shè)備 /, SET_CUR, ctrl->entity->id / * 哪一個 unit/terminal * /,
dev->intfnum / 哪一個接口: VC interface */, ctrl->info->selector,
uvc_ctrl_data(ctrl, UVC_CTRL_DATA_CURRENT),
ctrl->info->size);
VideoStreaming Interface用于獲得視頻數(shù)據(jù)，也可以用來選擇fromat/frame(VS可能有多種format, 一個format支持多種frame， frame用來表示分辨率等信息)
可以通過類似的函數(shù)來訪問：
ret = __uvc_query_ctrl(video->dev /* 哪一個USB設(shè)備 /, SET_CUR, 0,
video->streaming->intfnum / 哪一個接口: VS */,
probe ? VS_PROBE_CONTROL : VS_COMMIT_CONTROL, data, size,
uvc_timeout_param);
我們在設(shè)置FORMAT時只是簡單的使用video->streaming->format[fmt->index]等數(shù)據(jù)，
這些數(shù)據(jù)哪來的？
應(yīng)是設(shè)備被枚舉時設(shè)置的，也就是分析它的描述符時設(shè)置的。
UVC驅(qū)動的重點在于：
描述符的分析
屬性的控制: 通過VideoControl Interface來設(shè)置
格式的選擇：通過VideoStreaming Interface來設(shè)置
數(shù)據(jù)的獲得：通過VideoStreaming Interface的URB來獲得

參考資料

韋東山嵌入式第三期文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-496195.html

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