Linux摄像驱动四:USB摄像驱动分析

五、写一个USB摄像头驱动程序
大体框架如下所示:
1.构造一个usb_driver
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

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UVC: USB Video Class
UVC驱动:drivers\media\video\uvc\

uvc_driver.c分析:
1. usb_register(&uvc_driver.driver);
2. uvc_probe
        uvc_register_video
            vdev = video_device_alloc();
            vdev->fops = &uvc_fops;
            video_register_device

分析一个驱动程序最好的方法就是跟踪应用程序对它的调用过程

在www.usb.org下载 uvc specification, UVC规格书
UVC 1.5 Class specification.pdf : 有详细描述

USB_Video_Example 1.5.pdf    : 有示例
     12页拓扑图可看出:
          USB摄像头内部分成两部分,一部分叫 VideoContro Interface:视频控制接口,一部分为: VideoSteaming Interface:视频流接口
通过VideoControl Interface来 控制
通过VideoStreaming Interface来读 视频数据
VC里含有多个Unit/Terminal等功能模块,可以通过访问这些模块进行控制,比如调亮度


          UC内部抽象出了2个概念:
                  Unit:里面的连接
                  Termiral:用于“内”“外”的连接
          拓扑图可见的即是:
                  SU: Select Unit     多路选择器,选择两路输入IT和OT其中之一;选择哪一路信号
                  PU: Process Unit    处理单元: 应该是亮度、白平衡等等的设置

                  IT: input Termiral     用于连接内外的一个功能模块
                OT: Out Termiral
                CT: Camera Termiral

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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,
};

static long uvc_v4l2_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg)
     video_usercopy(file, cmd, arg, uvc_v4l2_do_ioctl);
     Garmen: 应该是把应用程序提供的参数拷贝到内核态,然后调用uvc_v4l2_do_ioctl这个函数

1. open:
        uvc_v4l2_open

2. VIDIOC_QUERYCAP   // video->streaming->type           Garmen:应该是在设备被枚举时分析描述符时设置的
        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;

3. VIDIOC_ENUM_FMT                //Garmen: format数组应是在设备被枚举时设置的
        format = &video->streaming-> format[fmt->index];

4. VIDIOC_G_FMT
        uvc_v4l2_get_format       // Garmen: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;

5. VIDIOC_TRY_FMT          //Garmen:应该从 format[fmt->index];这个数组里面来对比是否支持用户提供的某种格式
        uvc_v4l2_try_format
            /* Check if the hardware supports the requested format. */
           //Garmen:找到最接近的分辨率
            /* Find the closest image size. The distance between image sizes is
             * the size in pixels of the non-overlapping regions between the
             * requested size and the frame-specified size.
             */

6. VIDIOC_S_FMT       // Garmen: 只是把参数保存起来,还没有发给USB摄像头
        uvc_v4l2_set_format
            uvc_v4l2_try_format     //Garmen:测试成功之后
            video->streaming->cur_format = format;
            video->streaming->cur_frame = frame;     //Garmen:frame是一些更细致的参数,比如分辨率什么

7. VIDIOC_REQBUFS          //Garmen:申请缓冲区
        uvc_alloc_buffers
        例如:ret = uvc_alloc_buffers(&video->queue, rb->count, bufsize);    //Garmen:应用程序传进来rb参数,里面含有你想分配多少个缓冲区
               for (; nbuffers > 0; --nbuffers) {               //Garmen:传进来的count即是nbuffers,假如是4,函数调用vmalloc_32尝试分配4个缓冲区,如果失败,则--,以此类推
                mem = vmalloc_32(nbuffers * bufsize);
                if (mem != NULL)
                    break;
            }


8. VIDIOC_QUERYBUF      //Garmen:查询BUF参数
        uvc_query_buffer
            __uvc_query_buffer
                memcpy(v4l2_buf, &buf->buf, sizeof *v4l2_buf);       // Garmen:复制参数
9. mmap                        //Garmen:知道了BUF的大小等等之后,调用mmap进行映射
        uvc_v4l2_mmap

10. VIDIOC_QBUF               //Garmen:是入队列
        uvc_queue_buffer
            list_add_tail(&buf->stream, &queue->mainqueue);          //Garmen 把BUF放入某些队列
            list_add_tail(&buf->queue, &queue->irqqueue);

11. VIDIOC_STREAMON     //Garmen:启动摄像头
        uvc_video_enable(video, 1)       // Garmen: 把所设置的参数发给硬件,然后启动摄像头
            /* Commit the streaming parameters. */     //Garmen:提交参数
            uvc_commit_video
                uvc_set_video_ctrl      //Garmen:设置格式fromat, frame
                        ret = __uvc_query_ctrl(video->dev /* Garmen:哪一个USB设备 */, SET_CUR, 0,
                            video->streaming->intfnum  /*Garmen: 哪一个接口: video steaming接口 */,
                            probe ? VS_PROBE_CONTROL : VS_COMMIT_CONTROL, data, size,
                            uvc_timeout_param);

            /* 启动:Initialize isochronous/bulk URBs and allocate transfer buffers. */     实时或者是批量
            uvc_init_video(video, GFP_KERNEL);
                    uvc_init_video_isoc / uvc_init_video_bulk
                        urb->complete = uvc_video_complete; (接收到数据后此函数被调用
                              uvc_video_complete 又调用video->decode(urb, video, buf);
                                   ==> uvc_video_decode_isoc/uvc_video_encode_bulk               //Garmen: 假如是实时端点调用uvc_video_decode_isoc/批量调用uvc_video_encode_bulk              
                                        => uvc_queue_next_buffer => wake_up(&buf->wait);)          //Garmen:划重点!wake_up唤醒在这里出现了!收到数据之后肯定要唤醒应用程序了!

Garmen:小结: USB驱动程序获得数据之后,每个urb(usb request block) complete函数调用完成之后,最终调用到wake_up,唤醒应用程序
usb_submit_urb  //Garmen: 提交urb,提交urb之后就是启动usb传输了!

12. poll  //BUF放入队列,怎么知道有数据呢?答:用POLL,来获得BUF是否已经有数据
        uvc_v4l2_poll           
            uvc_queue_poll
                poll_wait(file, &buf->wait, wait);       // Garmen:休眠等待有数据, 当USB数据获得数据之后,接上

13. VIDIOC_DQBUF          //Garmen:把BUF从队列里面取出
        uvc_dequeue_buffer
            list_del(&buf->stream);

14. VIDIOC_STREAMOFF           //关闭摄像头
        uvc_video_enable(video, 0);
            usb_kill_urb(urb);
            usb_free_urb(urb);

分析设置亮度过程:
ioctl: VIDIOC_S_CTRL
            uvc_ctrl_set          //Garmen:设置
            uvc_ctrl_commit    //Garmen:设置好了之后进行提交
                __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  /* <==Garmen: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);
                            敲黑板:这里的uvc_query_ctrl和VIDIOC_STREAMON都同一个函数,但是参数不同
                                        第三个参数:
                                        ON函数用到的是:video->streaming->intfnum  video steaming接口是流接口 
                                        设置属性(例如本函数的亮度)用的是:dev->intfnum  VC interface接口是控制接口


总结:
1. UVC设备有2个interface: VideoControl Interface, VideoStreaming Interface
2. VideoControl Interface用于控制,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);
3. VideoStreaming Interface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);
4. 我们在设置FORMAT时只是简单的使用video->streaming->format[fmt->index]等数据,
   这些数据哪来的?
   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。

5. UVC驱动的重点在于:
   描述符的分析
   属性的控制: 通过VideoControl Interface来设置
   格式的选择:通过VideoStreaming Interface来设置
   数据的获得:通过VideoStreaming Interface的URB来获得




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