Linux USB 驱动开发实例(一) —— USB摄像头驱动实现源码分析

       Spac5xx的实现是按照标准的USB VIDEO设备的驱动框架编写(其具体的驱动框架可参照/usr/src/linux/drivers/usb/usbvideo.c文件),整个源程序由四个主体部分组成:

设备模块的初始化模块和卸载模块,上层软件接口模块,数据传输模块


具体的模块分析如下:

 一、初始化设备模块

        该驱动采用了显式的模块初始化和消除函数,即调用module_init来初始化一个模块,并在卸载时调用moduel-exit函数

        其具体实现如下: 

1、模块初始化:

module_init (usb_spca5xx_init); 

static int __init  usb_spca5xx_init (void) 
{  
#ifdef CONFIG_PROC_FS                     
	proc_spca50x_create ();//建立PROC设备文件 
#endif /* CONFIG_PROC_FS */    
	if (usb_register (&spca5xx_driver) < 0) //注册USB设备驱动    
		return -1;    
	info ("spca5xx driver %s registered", version);   
	return 0; 
}

2、模块卸载:

module_exit (usb_spca5xx_exit); 

static void __exit  usb_spca5xx_exit (void) 
{    
	usb_deregister (&spca5xx_driver); //注销USB设备驱动   
	info ("driver spca5xx deregistered"); 
#ifdef CONFIG_PROC_FS    
	proc_spca50x_destroy ();//撤消PROC设备文件 
#endif /* CONFIG_PROC_FS */ 
} 


关键数据结构 USB驱动结构,即插即用功能的实现 

static struct usb_driver spca5xx_driver = {        
	"spca5xx",         
	spca5xx_probe, //注册设备自我侦测功能        
	spca5xx_disconnect,//注册设备自我断开功能        
	{NULL,NULL} 
};

用两个函数调用spca5xx_probe 和spca5xx_disconnect来支持USB设备的即插即用功能:

a -- spca5xx_probe具体实现如下:
static void * spca5xx_probe (struct usb_device *dev, unsigned int ifnum, const struct usb_device_id *id) 
{    
	struct usb_interface_descriptor *interface;          //USB设备接口描述符 
	struct usb_spca50x *spca50x;                    //物理设备数据结构   
	int err_probe;   
	int i;    
	if (dev->descriptor.bNumConfigurations != 1)        //探测设备是不是可配置     
		goto nodevice;   
	if (ifnum > 0)     
		goto nodevice;    
	interface = &dev->actconfig->interface[ifnum].altsetting[0];  
	MOD_INC_USE_COUNT;    
	interface = &intf->altsetting[0].desc;   
	if (interface->bInterfaceNumber > 0)     
		goto nodevice;    
	if ((spca50x = kmalloc (sizeof (struct usb_spca50x), GFP_KERNEL)) == NULL) //分配物理地址空间     
	{        
		err ("couldn't kmalloc spca50x struct");       
		goto error;     
	}    

	memset (spca50x, 0, sizeof (struct usb_spca50x));   
	spca50x->dev = dev;    
	spca50x->iface = interface->bInterfaceNumber;    
	if ((err_probe = spcaDetectCamera (spca50x)) < 0)       //具体物理设备查找,匹配厂商号,设备号(在子程序中)       
	{        
		err (" Devices not found !! ");       
		goto error;     
	}    
	PDEBUG (0, "Camera type %s ", Plist[spca50x->cameratype].name)
	for (i = 0; i < SPCA50X_NUMFRAMES; i++)      
		init_waitqueue_head (&spca50x->frame[i].wq);     //初始化帧等待队列     
		init_waitqueue_head (&spca50x->wq);            //初始化驱动等待队列   

	if (!spca50x_configure (spca50x))                  //物理设备配置(主要完成传感器侦测和图形参数配置),主要思想是给控制寄存器写值,读回其返回值,以此判断具体的传感器型号     
	{        
		spca50x->user = 0;        
		init_MUTEX (&spca50x->lock);                  //信号量初始化       
		init_MUTEX (&spca50x->buf_lock);        
		spca50x->v4l_lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;       
		spca50x->buf_state = BUF_NOT_ALLOCATED;     
	}                                    
	else     
	{
		err ("Failed to configure camera");       
			goto error;     
	} 
  

	/* Init video stuff */ 
  
	spca50x->vdev = video_device_alloc ();           //设备控制块内存分配   
	if (!spca50x->vdev)     
		goto error;
	memcpy (spca50x->vdev, &spca50x_template, sizeof (spca50x_template));  
	//系统调用的挂接,在此将驱动实现的系统调用,挂到内核中   
	video_set_drvdata (spca50x->vdev, spca50x); 
  
		if (video_register_device (spca50x->vdev, VFL_TYPE_GRABBER, video_nr) < 0)     
	{                                            
	//video设备注册       
		err ("video_register_device failed");       
		goto error;     
	} 
  
	spca50x->present = 1;   
	if (spca50x->force_rgb) 
    
		info ("data format set to RGB");   
	spca50x->task.sync = 0; 
  
	spca50x->task.routine = auto_bh;   
	spca50x->task.data = spca50x;   
	spca50x->bh_requested = 0; 
			
	MOD_DEC_USE_COUNT; //增加模块使用数   
	return spca50x; //返回数剧结构 
error://错误处理   
	if (spca50x->vdev)     
	{ 
      
		if (spca50x->vdev->minor == -1) 
       
			video_device_release (spca50x->vdev);       
		else 
       
			video_unregister_device (spca50x->vdev);       
		spca50x->vdev = NULL;     
	} 
  
	if (spca50x)     
	{ 
      
		kfree (spca50x);       
		spca50x = NULL;     
	} 
  
	MOD_DEC_USE_COUNT;   
	return NULL; 
nodevice: 
  
	return NULL; 
}


b -- Spca5xx_disconnect 的具体实现如下:
static void  spca5xx_disconnect (struct usb_device *dev, void *ptr) 
{    
	struct usb_spca50x *spca50x = (struct usb_spca50x *) ptr;   
	int n;    
	MOD_INC_USE_COUNT; //增加模块使用数   
	if (!spca50x)     
		return;    
	down (&spca50x->lock); //减少信号量   
	spca50x->present = 0;  //驱动卸载置0    
	for (n = 0; n < SPCA50X_NUMFRAMES; n++)       //标示所有帧ABORTING状态     
	{
		spca50x->frame[n].grabstate = FRAME_ABORTING;     
		spca50x->curframe = -1;   
	
	}
	 for (n = 0; n < SPCA50X_NUMFRAMES; n++)       //唤醒所有等待进程     
	{
		if (waitqueue_active (&spca50x->frame[n].wq))       
			wake_up_interruptible (&spca50x->frame[n].wq);   
		
		if (waitqueue_active (&spca50x->wq))        
			wake_up_interruptible (&spca50x->wq);    
	}
	spca5xx_kill_isoc(spca50x);  //子函数终止URB包的传输   
	PDEBUG (3,"Disconnect Kill isoc done");    
	up (&spca50x->lock);  //增加信号量    
	while(spca50x->user) /如果还有进程在使用,进程切换       
		schedule();      
	down (&spca50x->lock);     
	if (spca50x->vdev)  
	{       
		video_unregister_device (spca50x->vdev);   //注销video设备     
		usb_driver_release_interface (&spca5xx_driver,&spca50x->dev->actconfig->interface[spca50x->iface]); //端口释放       
		spca50x->dev = NULL;       
	}
	up (&spca50x->lock); 
#ifdef CONFIG_PROC_FS        
	destroy_proc_spca50x_cam (spca50x); //注销PROC文件 
#endif /* CONFIG_PROC_FS */ 
       
	if (spca50x && !spca50x->user)                      //释放内存空间        
	{           
		spca5xx_dealloc (spca50x);          
		kfree (spca50x);          
		spca50x = NULL;        
	}    
	MOD_DEC_USE_COUNT;                              //减少模块记数   
	PDEBUG (3, "Disconnect complete"); 
}



二、上层软件接口模块:  

        该模块通过file_operations数据结构,依据V4L协议规范,实现设备的关键系统调用,实现设备文件化的UNIX系统设计特点。作为摄相头驱动,其功能在于数据采集,而没有向摄相头输出的功能,因此在源码中没有实现write系统调用。

其关键的数据结构如下:

static struct video_device spca50x_template = {   
	.owner = THIS_MODULE,  
	.name = "SPCA5XX USB Camera",   
	.type = VID_TYPE_CAPTURE,  
	.hardware = VID_HARDWARE_SPCA5XX,   
	.fops = &spca5xx_fops,         
}; 


static struct file_operations spca5xx_fops = {   
	.owner = THIS_MODULE,  
	.open = spca5xx_open, //open功能   
	.release = spca5xx_close,//close功能   
	.read = spca5xx_read, //read功能   
	.mmap = spca5xx_mmap, //内存映射功能   
	.ioctl = spca5xx_ioctl, //文件信息获取  
	.llseek = no_llseek,//文件定位功能未实现 
}; 

1. Open功能

完成设备的打开和初始化,并初始化解码器模块。其具体实现如下:

static int  spca5xx_open(struct video_device *vdev, int flags) 
{    
	struct usb_spca50x *spca50x = video_get_drvdata (vdev);   
	int err;    
	MOD_INC_USE_COUNT;                         //增加模块记数   
	down (&spca50x->lock);                              
	err = -ENODEV;    

	if (!spca50x->present)                 //检查设备是不是存在,有不有驱动,是不是忙     
		goto out;  
	err = -EBUSY;   
	if (spca50x->user)     
		goto out;    
	err = -ENOMEM;    
	if (spca50x_alloc (spca50x))  
		goto out;                    
	
	err = spca50x_init_source (spca50x);           //初始化传感器和解码模块,在此函数的实现中,对每一款DSP芯片的初始化都不一样,对中星微301P的DSP芯片的初始化在子函数zc3xx_init,其实现方法为寄存器填值。   
	if (err != 0)
	{        
		PDEBUG (0, "DEALLOC error on spca50x_init_source\n");       
		up (&spca50x->lock);        
		spca5xx_dealloc (spca50x);       
		goto out2;     
	} 

	spca5xx_initDecoder(spca50x);                  //解码模块初始化,其模块的具体实现采用的是huffman算法   	spca5xx_setFrameDecoder(spca50x);   
	spca50x->user++;    
	
	err = spca50x_init_isoc (spca50x);              //初始化URB(usb request block) 包,启动摄相头,采用同步传输的方式传送数据   
	if (err)     
	{        
		PDEBUG (0, " DEALLOC error on init_Isoc\n");       
		spca50x->user--;        
		spca5xx_kill_isoc (spca50x);       
		up (&spca50x->lock);        
		spca5xx_dealloc (spca50x);       
		goto out2;
	}    

	spca50x->brightness = spca50x_get_brghtness (spca50x) << 8;   
	spca50x->whiteness = 0; 

out:    
	up (&spca50x->lock); 
out2:   
	if (err)     
		MOD_DEC_USE_COUNT;   
	if (err)    	
	{        
		PDEBUG (2, "Open failed");     
	}   
	else     
	{        
		PDEBUG (2, "Open done");    
 	}    
	return err; 
}

2.Close功能

完成设备的关闭,其具体过程是:

static void spca5xx_close(struct video_device *vdev) 
{   
	struct usb_spca50x *spca50x =vdev->priv;   
	int i;   
	PDEBUG (2, "spca50x_close");   
	down (&spca50x->lock);  //参数设置   
	spca50x->user--;   
	spca50x->curframe = -1; 
  
	if(spca50x->present)//present:是或有驱动加载     
	{      
		spca50x_stop_isoc (spca50x);//停止摄相头工作和数据包送       
		spcaCameraShutDown (spca50x);//关闭摄相头,由子函数spca50x_stop_iso完成   
		for (i = 0; i < SPCA50X_NUMFRAMES; i++)    //唤醒所有等待进程     
		{      
			if(waitqueue_active(&spca50x->frame[i].wq)) 
         		wake_up_interruptible (&spca50x->frame[i].wq);     
		} 
       	if(waitqueue_active (&spca50x->wq))        
			wake_up_interruptible (&spca50x->wq);   
	}  
   	
	up(&spca50x->lock); 
   	spca5xx_dealloc (spca50x);//回收内存空间   
	
	PDEBUG(2,"Release ressources done");   
	MOD_DEC_USE_COUNT; 
} 

3、 Read功能

 完成数据的读取,其主要的工作就是将数据由内核空间传送到进程用户空间

static long spca5xx_rea(struct video_device *dev, char * buf, unsigned long count,int noblock) 
{   
	struct usb_spca50x *spca50x = video_get_drvdata (dev);   
	int i;   
	int frmx = -1;   
	int rc;   
	volatile struct spca50x_frame *frame; 
	
        if(down_interruptible(&spca50x->lock))  //获取信号量       
		return -EINTR; 
	
        if(!dev || !buf){//判断设备情况     
		up(&spca50x->lock);     
		return -EFAULT; 
	}  
  
	if(!spca50x->dev){     
		up(&spca50x->lock);     
		return -EIO; 
	} 
  	
	if (!spca50x->streaming){     
		up(&spca50x->lock);     
		return -EIO; 
	} 
	
        if((rc = wait_event_interruptible(spca50x->wq,     //在指定的队列上睡眠,直到参数2的条件为真 
              spca50x->frame[0].grabstate == FRAME_DONE || 
              spca50x->frame[1].grabstate == FRAME_DONE ||               
	      spca50x->frame[2].grabstate == FRAME_DONE ||               
              spca50x->frame[3].grabstate == FRAME_DONE )))	
        {               
		up(&spca50x->lock);               
		return rc;        
	}  
  

	for (i = 0; i < SPCA50X_NUMFRAMES; i++)         //当数据到来     
		if (spca50x->frame[i].grabstate == FRAME_DONE)   //标识数已到       
			frmx = i;   
	if (frmx < 0)     
	{ 
      
		PDEBUG(2, "Couldnt find a frame ready to be read.");       
		up(&spca50x->lock);       
		return -EFAULT;     
	} 
  
	frame = &spca50x->frame[frmx]; 
	PDEBUG (2, "count asked: %d available: %d", (int) count,(int) frame->scanlength);   
	if (count > frame->scanlength)     
		count = frame->scanlength; 
  
	if ((i = copy_to_user (buf, frame->data, count)))   //实现用户空间和内核空间的数据贝     
	{ 
      
		PDEBUG (2, "Copy failed! %d bytes not copied", i);           
		up(&spca50x->lock);       
		return -EFAULT;     
	} 
  
	/* Release the frame */  
	frame->grabstate = FRAME_READY; //标识数据已空 
	up(&spca50x->lock);                           
	return count;//返回拷贝的数据数 
}

4、Mmap功能

实现将设备内存映射到用户进程的地址空间的功能,其关键函数是remap_page_range,其具体实现如下:

static int spca5xx_mmap(struct video_device *dev,const char *adr, unsigned long size) 
{ 
  
	unsigned long start = (unsigned long) adr;   
	struct usb_spca50x *spca50x = dev->priv;   
	unsigned long page, pos;   
	if (spca50x->dev == NULL)     
		return -EIO; 
	
	PDEBUG (4, "mmap: %ld (%lX) bytes", size, size);   
	if(size > (((SPCA50X_NUMFRAMES * MAX_DATA_SIZE) + PAGE_SIZE - 1) & ~(PAGE_SIZE -1)))     
		return -EINVAL; 
       
	if (down_interruptible(&spca50x->lock))  //获取信号量               
		return -EINTR; 
  
	pos = (unsigned long) spca50x->fbuf;
	while (size > 0)  //循环实现内存映射     
	{      			
		page = kvirt_to_pa (pos); 
		if (remap_page_range (start, page, PAGE_SIZE, PAGE_SHARED)){  //实现内存映射 
			up(&spca50x->lock); 
			return -EAGAIN;    
		}       
	
		start += PAGE_SIZE;       
		pos += PAGE_SIZE;       
		if (size > PAGE_SIZE)        
			size -= PAGE_SIZE;       
		else     
			size = 0;     
	} 

	up(&spca50x->lock); //释放信号量   
	return 0; 
}

5、Ioctl功能:  

实现文件信息的获取功能

static int spca5xx_ioctl (struct inode *inode, struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg) 
{       
	struct video_device *vdev = file->private_data;        
	struct usb_spca50x *spca50x = vdev->priv;        
	int rc; 
       
	if(down_interruptible(&spca50x->lock))       //获取信号量               
		return -EINTR; 
  	
	rc = video_usercopy (inode, file, cmd, arg, spca5xx_do_ioctl);  //将信息传送到用户进程,其关键函数实现spca5xx_do_ioctl 
	up(&spca50x->lock);   
	return rc;
} 

spca5xx_do_ioctl函数的实现依赖于不同的硬件,本驱动为了支持多种芯片,实现程序过于烦琐,其主要思想是通过copy_to_user(arg,b,sizeof(struct video_capability)函数将设备信息传递给用户进程。


三、数据传输模块

      源程序采用tasklet来实现同步快速传递数据,并通过spcadecode.c上的软件解码模块实现图形信息的解码。此模块的入口点挂节在spca_open函数中,其具体的函数为spca50x_init_isoc。当设备被打开时,同步传输数据也已经开始,并通过spca50x_move_data函数将数据传递给驱动程序,驱动程序通过轮询的办法实现对数据的访问。

Void outpict_do_tasklet (unsigned long ptr) 
{   
	int err;   
	struct spca50x_frame *taskletframe = (struct spca50x_frame *) ptr;   
	taskletframe->scanlength = taskletframe->highwater - taskletframe->data; 
  	PDEBUG (2, "Tasklet ask spcadecoder hdrwidth %d hdrheight %d method %d",         
		taskletframe->hdrwidth, taskletframe->hdrheight,          
		taskletframe->method); 
  
	err = spca50x_outpicture (taskletframe);  //输出处理过的图片数据   
	if (err != 0)     
	{      
		PDEBUG (0, "frame decoder failed (%d)", err);       
		taskletframe->grabstate = FRAME_ERROR;    
	}   
	else     
	{      
		taskletframe->grabstate = FRAME_DONE;     
	} 
  
	if (waitqueue_active (&taskletframe->wq))//如果有进程等待,唤醒等待进程     
		wake_up_interruptible (&taskletframe->wq); 
}

值得一提的是spcadecode.c上解码模块将原始压缩图形数据流yyuyv,yuvy, jpeg411,jpeg422解码为RGB图形,但此部分解压缩算法的实现也依赖于压缩的格式,归根结底依赖于DSP(数字处理芯片)中的硬件压缩算法。 


四.USB CORE的支持

       LINUX下的USB设备对下层硬件的操作依靠系统实现的USB CORE层,USB CORE对上层驱动提供了众多函数接口如:usb_control_msg,usb_sndctrlpipe等,其中最典型的使用为源码中对USB端点寄存器的读写函数spca50x_reg_write和spca50x_reg_read等,具体实现如下:(举spca50x_reg_write的实现,其他类似)

static int spca50x_reg_write(struct usb_device *dev,__u16 reg,__u16 index,__u16 value) 
{       
	int rc;        
	rc = usb_control_msg(dev,          //通过USB CORE提供的接口函数设置寄存器的值 
				usb_sndctrlpipe(dev, 0), 
		                reg, 
		                USB_TYPE_VENDOR | USB_RECIP_DEVICE, 
		                value, index, NULL, 0, TimeOut); 
       
	PDEBUG(5, "reg write: 0x%02X,0x%02X:0x%02X, 0x%x", reg, index, value, rc);        
	if (rc < 0)              
		err("reg write: error %d", rc);        
	return rc; 
} 


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