第三阶段应用层——2.4 视频监控—从0写USB摄像头驱动（2）-实现数据传输（初步）
视频监控—从0写USB摄像头驱动（2）-实现数据传输（初步）
- 硬件平台：韦东山嵌入式Linxu开发板（S3C2440.v3）
- 软件平台：运行于VMware Workstation 12 Player下UbuntuLTS16.04_x64 系统
- 参考资料：USB_Video_Example 1.5、UVC 1.5 Class specification
- 开发环境：Linux-4.13.0-41内核（虚拟机）、arm-linux-gcc-4.3.2工具链
- 源码仓库：https://gitee.com/d_1254436976/Embedded-Linux-Phase-3
目录
-
视频监控—从0写USB摄像头驱动（2）-实现数据传输（初步） - 一、前言
- 二、程序编写
- 1、 初步框架
- 1.1 构造`usb_driver`结构体
- 1.2 设置`usb_driver`结构体
- 1.3 注册`usb_driver`结构体
- 1.4 完整框架
- 2、实现初步数据传输
- 2.1 程序的整体调用顺序
- 2.2 缓冲区的分配与运作问题
- 2.3 USB摄像头控制信息的测试、取出、设置
- 2.4 USB摄像头视频流参数设置
- 3、完整函数
- 三、编译与运行
一、前言
通过【2.1 视频监控—V4L2框架的简单分析】和【2.3 视频监控—uvc驱动框架分析】两篇博文的介绍我们可以知道，对于一个USB摄像头驱动，编写步骤主要如下：
-
构造结构体：
usb_driver结构体 -
设置结构体：设置其成员变量
.name= xxx,
.disconnect= xxx_disconnet,
.id_table= xxx,
.probe= xxx_probe,在
xxx_probe()中进行：
2.1. 分配video_device结构体 = video_device_alloc
2.2. 设置video_device结构体
.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_device结构体: video_register_device -
注册结构体：
usb_register()
在实际的工作和应用中，尽量使用内核带有的驱动程序，对于没有适配的驱动程序才自己开发，这个usb驱动程序只是学习的时候使用。
二、程序编写
1、 初步框架
1.1 构造usb_driver结构体
struct usb_driver myuvc_driver = {
.name = "myuvcvideo",
.probe = myuvc_probe,
.disconnect = myuvc_disconnect,
.id_table = myuvc_ids,
};
1.2 设置usb_driver结构体
/*!
* 所支持usb设备类的接口
*/
static struct usb_device_id myuvc_ids[] = {
/* Generic USB Video Class */
{ USB_INTERFACE_INFO(USB_CLASS_VIDEO, 1, 0) }, /**< VideoControl interface */
{ USB_INTERFACE_INFO(USB_CLASS_VIDEO, 2, 0) }, /**< VideoStreaming interface */
{}
};
static int myuvc_probe(struct usb_interface *intf,
const struct usb_device_id *id)
{
static int s_cnt = 0;
printk("myuvc_probe : cnt = %d\n", s_cnt++);
/*!
* myuvc_probe()调用第二次后执行
*/
if (s_cnt == 2) {
/* 1、分配一个video_device结构体 */
s_myuvc_vdev = video_device_alloc();
/* 2、设置 */
/* 注册过程需要用到release，必须设置 */
s_myuvc_vdev->release = myuvc_release;
s_myuvc_vdev->fops = &myuvc_fops;
s_myuvc_vdev->ioctl_ops = &myuvc_ioctl_ops;
/* 3、注册结构体
* -1 - 自动分配次设备号
*/
video_register_device(s_myuvc_vdev, VFL_TYPE_GRABBER, -1);
}
return 0;
}
static void myuvc_disconnect(struct usb_interface *intf)
{
static int s_cnt = 0;
printk("myuvc_disconnect : cnt = %d\n", s_cnt++);
/*!
* myuvc_disconnect()调用第二次后执行
*/
if (s_cnt == 2) {
/* 注销结构体 */
video_unregister_device(s_myuvc_vdev);
/* 释放结构体 */
video_device_release(s_myuvc_vdev);
}
}
1.3 注册usb_driver结构体
static int myuvc_init(void)
{
int result;
result = usb_register(&myuvc_driver);
if (result < 0)
printk("USB register error!\n");
return result;
}
1.4 完整框架
/*******************************************************************************
* Copyleft (c) 2021 Kcode
*
* @file myuvc.c
* @brief 实现USB摄像头的数据传输（框架）
* @author K
* @version 0.0.1
* @date 2021-07-21
* @license MulanPSL-1.0
*
* 文件修改历史：
* <时间> | <版本> | <作者> | <描述>
* 2021-07-21 | v0.0.1 | Kcode | 实现USB摄像头的数据传输（框架）
* -----------------------------------------------------------------------------
******************************************************************************/
#include 2、实现初步数据传输
2.1 程序的整体调用顺序
- 在这个程序中，注册了
usb_driver结构体，把驱动加载到内核中； - 插入USB摄像头，内核自动从该
usb_driver结构体的.id_table中找到是否支持这个接口； - 支持该设备接口后，调用该
usb_driver结构体的.probe函数：
3.1. 分配、设置、注册video_device结构体
3.2. 调用自定义的.vidioc_streamon的ioclt函数：测试、设置、打印USB摄像头的参数
通过打印出来的USB摄像头参数来调试程序。
2.2 缓冲区的分配与运作问题
- 存储缓冲区信息的结构体：
/*!
* 缓冲区的信息
*/
typedef struct myuvc_buffer {
int state; /**< 状态位 */
int vma_use_count; /**< 是否已经被mmap */
struct v4l2_buffer buf; /**< 存储每个缓冲区的查询信息 */
wait_queue_head_t wait; /**< APP读取某个缓冲区，如果无数据，在此休眠 */
struct list_head stream; /**< mainqueue队列结点，供APP消费用 */
struct list_head irq; /**< irqqueue队列结点，供底层驱动生成数据用*/
}MYUVC_BUFFER_S;
/*!
* 存储分配的整块缓冲区
*/
typedef struct mvuvc_video_queue {
int count; /**< 分配缓冲区个数 */
int buf_size; /**< 每个缓冲区（页对齐）大小 */
void *mem; /**< 存储分配的内存 */
MYUVC_BUFFER_S buffer[32]; /**< 存储每个缓冲区的信息 */
struct list_head mainqueue; /**< mainqueue队列头结点，供APP消费用 */
struct list_head irqqueue; /**< irqqueue队列头结点，供底层驱动生成用*/
}MYUVC_VIDEO_QUEUE_S;
-
在
.vidioc_reqbufs函数中分配的是整个大的缓存区MYUVC_VIDEO_QUEUE_S.mem：缓冲区的数量MYUVC_VIDEO_QUEUE_S.countx 每个缓冲区头部MYUVC_VIDEO_QUEUE_S.buffer[ ] -
每个缓冲区都需要进入两个队列：
mainqueue队列（供APP消费用）和irqqueue队列（供底层驱动生成用），其实际操作如下：
- 函数实现：
/*!
* @brief Step7 - 为该设备申请若干个缓冲区，分配头部信息
* @return 正数：返回成功分配内存的大小，负数：分配失败
*/
static int myuvc_vidioc_reqbufs(struct file *file,
void *priv, struct v4l2_requestbuffers *p)
{
int buf_num = p->count ;
int buf_size_unalign = s_myuvc_format.fmt.pix.sizeimage;
int buf_size_align = PAGE_ALIGN(s_myuvc_format.fmt.pix.sizeimage);
unsigned int i;
void *mem = NULL;
int ret;
if (buf_num > UVC_MAX_VIDEO_BUFFERS)
buf_num = UVC_MAX_VIDEO_BUFFERS;
/* 释放之前分配的缓存 */
if ((ret = myuvc_free_buffers()) < 0)
goto done;
/* 如果不分配缓冲区，则退出 */
if (buf_num == 0)
goto done;
/* 减少缓冲区的数量，直到分配成功 */
for (; buf_num > 0; --buf_num) {
mem = vmalloc_32(buf_num * buf_size_align);
if (mem != NULL)
break;
}
if (mem == NULL) {
ret = -ENOMEM;
goto done;
}
memset(&s_myuvc_queue, 0, sizeof(s_myuvc_queue));
/*!
* 初始化mainqueue和irqqueue队列
*/
INIT_LIST_HEAD(&s_myuvc_queue.mainqueue);
INIT_LIST_HEAD(&s_myuvc_queue.irqqueue);
/*!
* 缓存是一次性分配一个大的整体
* 需分别设置每个缓存的信息
*/
for (i = 0; i < buf_num; ++i) {
s_myuvc_queue.buffer[i].buf.index = i;
s_myuvc_queue.buffer[i].buf.m.offset = i * buf_size_align;
s_myuvc_queue.buffer[i].buf.length = buf_size_unalign;
s_myuvc_queue.buffer[i].buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
s_myuvc_queue.buffer[i].buf.sequence = 0;
s_myuvc_queue.buffer[i].buf.field = V4L2_FIELD_NONE;
s_myuvc_queue.buffer[i].buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
s_myuvc_queue.buffer[i].buf.flags = 0;
/* 空闲状态 */
s_myuvc_queue.buffer[i].state = VIDEOBUF_IDLE;
/* 初始化队列 */
init_waitqueue_head(&s_myuvc_queue.buffer[i].wait);
}
s_myuvc_queue.mem = mem;
s_myuvc_queue.count = buf_num;
s_myuvc_queue.buf_size = buf_size_align;
ret = buf_num;
done:
return ret;
}
/*!
* @brief Step10 - 把申请的缓冲区放入队列，底层的硬件操作函数将会把数据放入队列
*/
static int myuvc_vidioc_qbuf(struct file *file,
void *priv, struct v4l2_buffer *v4l2_buf)
{
struct myuvc_buffer *buf = &s_myuvc_queue.buffer[v4l2_buf->index];
/*!
* 修改状态：处于队列状态，且缓冲区数据为空
*/
buf->state = VIDEOBUF_QUEUED;
v4l2_buf->bytesused = 0;
/*!
* 队列一：供APP使用
* 当缓冲区没有数据时，放入mainqueue队列
* 当缓冲区有数据时，APP从mainqueue队列中取出
*/
list_add_tail(&buf->stream, &s_myuvc_queue.mainqueue);
/*!
* 队列二：供产生数据的函数使用
* 当采集到数据时，从irqqueue队列中取出第一个缓冲区，存入数据
*/
list_add_tail(&buf->irq, &s_myuvc_queue.irqqueue);
return 0;
}
2.3 USB摄像头控制信息的测试、取出、设置
对于一个usb设备，需要调用usb_control_msg()：允许一个驱动发送和结束USB控制信息。
- 测试该设备是否支持指定的参数：这些参数已经在【2.4 视频监控—从0写USB摄像头驱动（1）-描述符的分析与打印】中已获得
1.1 需要先设置好参数，
1.2 调用usb_control_msg()发送这个设置好的数据包
/*!
* @brief 发送数据包参数，测试设备是否支持
* @return 0：成功，负数：错误
*/
static int myuvc_try_streaming_params(MYUVC_STREAMING_CONTROL_S *ctrl)
{
__u8 *data;
__u16 size;
int ret;
__u8 type = USB_TYPE_CLASS | USB_RECIP_INTERFACE;
unsigned int pipe;
memset(ctrl, 0, sizeof *ctrl);
ctrl->bmHint = 1; /* dwFrameInterval */
ctrl->bFormatIndex = 1;
ctrl->bFrameIndex = s_frame_idx + 1;
ctrl->dwFrameInterval = 333333;
size = uvc_version >= 0x0110 ? 34 : 26;
data = kzalloc(size, GFP_KERNEL);
if (data == NULL)
return -ENOMEM;
/*!
* 先设置数据包的参数
*/
*(__le16 *)&data[0] = cpu_to_le16(ctrl->bmHint);
data[2] = ctrl->bFormatIndex;
data[3] = ctrl->bFrameIndex;
*(__le32 *)&data[4] = cpu_to_le32(ctrl->dwFrameInterval);
*(__le16 *)&data[8] = cpu_to_le16(ctrl->wKeyFrameRate);
*(__le16 *)&data[10] = cpu_to_le16(ctrl->wPFrameRate);
*(__le16 *)&data[12] = cpu_to_le16(ctrl->wCompQuality);
*(__le16 *)&data[14] = cpu_to_le16(ctrl->wCompWindowSize);
*(__le16 *)&data[16] = cpu_to_le16(ctrl->wDelay);
put_unaligned_le32(ctrl->dwMaxVideoFrameSize, &data[18]);
put_unaligned_le32(ctrl->dwMaxPayloadTransferSize, &data[22]);
if (size == 34) {
put_unaligned_le32(ctrl->dwClockFrequency, &data[26]);
data[30] = ctrl->bmFramingInfo;
data[31] = ctrl->bPreferedVersion;
data[32] = ctrl->bMinVersion;
data[33] = ctrl->bMaxVersion;
}
pipe = (SET_CUR & 0x80) ? usb_rcvctrlpipe(s_myuvc_udev, 0)
: usb_sndctrlpipe(s_myuvc_udev, 0);
type |= (SET_CUR & 0x80) ? USB_DIR_IN : USB_DIR_OUT;
/*!
* 后发送数据
*/
ret = usb_control_msg(s_myuvc_udev, pipe, SET_CUR, type, VS_PROBE_CONTROL << 8,
0 << 8 | s_myuvc_streaming_intf, data, size, 5000);
kfree(data);
return (ret < 0) ? ret : 0;
}
- 取出设备支持的参数： 由于已经测试了设备所支持的参数，现在需要获得测试中成功的参数
2.1 调用usb_control_msg()获得数据包
2.2 根据数据包设置参数
/*!
* @brief 根据数据包的数据获得当前设备的参数
* @return 0：成功，负数：错误
*/
static int myuvc_get_streaming_params(MYUVC_STREAMING_CONTROL_S *ctrl)
{
__u8 *data;
__u8 type = USB_TYPE_CLASS | USB_RECIP_INTERFACE;
__u16 size;
int ret = 0;
unsigned int pipe; /**< 端点 */
/*!
* 根据uvc设备版本设置数据宽度
*/
size = uvc_version >= 0x0110 ? 34 : 26;
data = kmalloc(size, GFP_KERNEL);
if (data == NULL)
return -ENOMEM;
/* 确定端点 */
pipe = (GET_CUR & 0x80) ? usb_rcvctrlpipe(s_myuvc_udev, 0)
: usb_sndctrlpipe(s_myuvc_udev, 0);
/* 确定类型 */
type |= (GET_CUR & 0x80) ? USB_DIR_IN : USB_DIR_OUT;
ret = usb_control_msg(s_myuvc_udev, pipe, GET_CUR, type, VS_PROBE_CONTROL << 8,
0 << 8 | s_myuvc_streaming_intf, data, size, 500);
if (ret < 0)
goto done;
ctrl->bmHint = le16_to_cpup((__le16 *)&data[0]);
ctrl->bFormatIndex = data[2];
ctrl->bFrameIndex = data[3];
ctrl->dwFrameInterval = le32_to_cpup((__le32 *)&data[4]);
ctrl->wKeyFrameRate = le16_to_cpup((__le16 *)&data[8]);
ctrl->wPFrameRate = le16_to_cpup((__le16 *)&data[10]);
ctrl->wCompQuality = le16_to_cpup((__le16 *)&data[12]);
ctrl->wCompWindowSize = le16_to_cpup((__le16 *)&data[14]);
ctrl->wDelay = le16_to_cpup((__le16 *)&data[16]);
ctrl->dwMaxVideoFrameSize = get_unaligned_le32(&data[18]);
ctrl->dwMaxPayloadTransferSize = get_unaligned_le32(&data[22]);
if (size == 34) {
ctrl->dwClockFrequency = get_unaligned_le32(&data[26]);
ctrl->bmFramingInfo = data[30];
ctrl->bPreferedVersion = data[31];
ctrl->bMinVersion = data[32];
ctrl->bMaxVersion = data[33];
} else {
//ctrl->dwClockFrequency = video->dev->clock_frequency;
ctrl->bmFramingInfo = 0;
ctrl->bPreferedVersion = 0;
ctrl->bMinVersion = 0;
ctrl->bMaxVersion = 0;
}
done:
kfree(data);
return (ret < 0) ? ret : 0;
}
- 设置设备支持的参数：上述步骤已经获得了设备所支持的参数，现在要把参数设置进设备中
3.1 根据上述获得的参数设置数据包
3.2 调用usb_control_msg()，发送数据包
/*!
* @brief 设置数据包参数，测试设备是否支持
* @return 0：成功，负数：错误
*/
static int myuvc_set_streaming_params(MYUVC_STREAMING_CONTROL_S *ctrl)
{
__u8 *data;
__u16 size;
int ret;
__u8 type = USB_TYPE_CLASS | USB_RECIP_INTERFACE;
unsigned int pipe;
size = uvc_version >= 0x0110 ? 34 : 26;
data = kzalloc(size, GFP_KERNEL);
if (data == NULL)
return -ENOMEM;
/*!
* 先设置数据包的参数
*/
*(__le16 *)&data[0] = cpu_to_le16(ctrl->bmHint);
data[2] = ctrl->bFormatIndex;
data[3] = ctrl->bFrameIndex;
*(__le32 *)&data[4] = cpu_to_le32(ctrl->dwFrameInterval);
*(__le16 *)&data[8] = cpu_to_le16(ctrl->wKeyFrameRate);
*(__le16 *)&data[10] = cpu_to_le16(ctrl->wPFrameRate);
*(__le16 *)&data[12] = cpu_to_le16(ctrl->wCompQuality);
*(__le16 *)&data[14] = cpu_to_le16(ctrl->wCompWindowSize);
*(__le16 *)&data[16] = cpu_to_le16(ctrl->wDelay);
put_unaligned_le32(ctrl->dwMaxVideoFrameSize, &data[18]);
put_unaligned_le32(ctrl->dwMaxPayloadTransferSize, &data[22]);
if (size == 34) {
put_unaligned_le32(ctrl->dwClockFrequency, &data[26]);
data[30] = ctrl->bmFramingInfo;
data[31] = ctrl->bPreferedVersion;
data[32] = ctrl->bMinVersion;
data[33] = ctrl->bMaxVersion;
}
pipe = (SET_CUR & 0x80) ? usb_rcvctrlpipe(s_myuvc_udev, 0)
: usb_sndctrlpipe(s_myuvc_udev, 0);
type |= (SET_CUR & 0x80) ? USB_DIR_IN : USB_DIR_OUT;
/*!
* 后发送数据
*/
ret = usb_control_msg(s_myuvc_udev, pipe, SET_CUR, type, VS_COMMIT_CONTROL << 8,
0 << 8 | s_myuvc_streaming_intf, data, size, 5000);
kfree(data);
return (ret < 0) ? ret : 0;
}
2.4 USB摄像头视频流参数设置
由于这些参数已经在【2.4 视频监控—从0写USB摄像头驱动（1）-描述符的分析与打印】中已获得，直接计算好对应参数，调用usb_set_interface()函数即可
/*!
* 手工确定:
* bandwidth = s_myuvc_params.dwMaxPayloadTransferSize = 1024
* 观察lsusb -v -d 0x1e4e:的结果:
* wMaxPacketSize 0x0400 1x 1024 bytes
* bAlternateSetting 8
*/
usb_set_interface(s_myuvc_udev, s_myuvc_streaming_intf, s_myuvc_streaming_setting);
3、完整函数
/*******************************************************************************
* Copyleft (c) 2021 Kcode
*
* @file myuvc.c
* @brief 实现USB摄像头的数据传输（设置参数）
* @author K
* @version 0.0.1
* @date 2021-07-22
* @license MulanPSL-1.0
*
* 文件修改历史：
* <时间> | <版本> | <作者> | <描述>
* 2021-07-22 | v0.0.1 | Kcode | 实现USB摄像头的数据传输（设置参数）
* -----------------------------------------------------------------------------
******************************************************************************/
#include 三、编译与运行
- 执行
make，生成驱动文件并插入USB摄像头之后 - 卸载原先虚拟机的摄像头驱动
sudo rmmod uvcvideo，装载新驱动sudo insmod myuvc.ko - 后执行
dmesg查看输出信息。
可以看到，输出的参数信息与设置参数信息一致。
