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Linux下USB摄像头驱动程序开发解析

资料大小: 0.3 MB 所需积分: 1 下载次数: 用户评论: 0条评论,查看 上传日期: 2017-11-07 上 传 者: 徐起他上传的所有资料

资料介绍

标签:摄像头驱动(5)Linux(1817)usb(1536)
一、 Linux系统中的USB摄像头驱动程序
  USB摄像头以其良好的性能和低廉的价格得到广泛应用。同时因其灵活、方便的特性,易于集成到嵌入式系统中。但是如果使用现有的符合Video for Linux标准的驱动程序配合通用应用程序,难以充分利用USB带宽,帧速不高,不易满足实时监控等要求。本文首先介绍在Linux系统下USB摄像头驱动编制的一般方法,然后说明在此基础上如何提高帧速。
  USB设备驱动程序完全符合通用设备驱动的准则,不同的是内核提供了一些特别的API函数,方便驱动注册、销毁自己,例如usb_reSister()和usb_dereSister();2.4版的内核还提供了对于hotplug的支持。
  1.1 USB摄像头驱动的一般编写方法
  摄像头属于视频类设备。在目前的Linux核心中,视频部分的标准是Video for Linux(简称V4L)。这个标准其实定义了一套接口,内核、驱动、应用程序以这个接口为标准进行交流。目前的V4L涵盖了视、音频流捕捉及处理等内容,USB摄像头也属于它支持的范畴。
  因此,USB摄像头的驱动应当与内核提供的视频驱动挂钩。即首先在驱动中声明一个video_device结构,并为其指定文件操作函数指针数组.fops,向系统注册。在应用程序发出文件操作的相关命令时,核心根据这些指针调用相应函数,并将该结构作为参数传递给它们。这样,就完成了驱动和核心之间的通信。例如:
  staTIc struct video_device vdev_template={……};
  //声明video_device,指出挂接驱动
  staTIc struct file_operaTIons ov511_fops={……};
  //声明本驱动的文件操作函数指针
  struct video_device*vdev=video_devdata(file);
  //从文件指针中提取出video_device结构
  在video_device结构中,有一个私有指针priv,可以将它指向一块保留内存。在这块内存中,保存着本驱动、本设备的相关初始化信息。这块内存的申请、初始化、指针指向等工作都是在USB驱动的枚举函数.probe中完成。这样,在枚举函数将控制权返还给系统后,因为内核不销毁保留内存,所以驱动仍然保留着自己的信息。这点与Windows系统中WDM驱动有异曲同工之处。当然,在驱动卸载函数中,应当将申请的各块内存全部释放。
  1.2 使用双URB轮流通信
  众所周知,USBl.1总线标准定义了控制、中断、批量、等时等四种管道。对于时间性极强但是准确度要求不高的视频捕捉应用来说,摄像头应当使用等时传输方式。为了尽可能快地得到图像数据,应当在URB中指定USB_ISO_ASAP标志。
  urb-》transfer_flags=USB_ISO_ASAP;//尽可能快地发出本URB
  Linux系统中任何USB传输都通过URB实现。为提高速度,可以考虑扩大URB的缓冲,这样可以降低每个USB事务中握手信息所占比例,提高有效数据的传输速度。但是受限于总线带宽和具体的USB设备芯片,单纯扩大URB的缓冲不能无限制地解决问题。具体分析一下USB传输在操作系统中的实现:每次传输都要包括URB的建立、发出、回收、数据整理等阶段,这些时间不产生有效数据。因此可以建立两个URB,在等待一个URB被回收时,也就是图像正在被传感器采集时,处理、初始化另一个URB,并在回收后立刻将其发出。两个URB交替使用,大大减少了额外时间。工作流程如图1所示。
  Linux下USB摄像头驱动程序开发解析
  这个过程是在URB的完成例程中实现的,有两点需要注意:首先处理再次初始化的代码时间不能长,否则会造成完成例程的重人,如果确实来不及,可以在完成例程中设定标志,例如“数据采集好”旗语,由应用程序使用阻塞ioctl()来查询该旗语并做处理;其次由于CPU可能会在完成例程中停留较长时间,系统负担较大,可以在.open函数中初始化两个URB并将其发出,有限度地减轻系统负担。
  1.3 使用双帧缓冲提高效率
  Linux系统中,文件操作通常是由read、write等系统调用来完成。这些系统调用在驱动中的解决方法就是用copy_to_user()、copy_from_user()等函数在核态、户态内存空间中互相拷贝。但是对于大批量的图像数据,采用拷贝的方法显然会增加时间开销,因此用内存映射的方法解决。首先使用vmalloc()申请足够大的核态内存,将其作为图像数据缓冲空间,两个URB带回的图像数据在这里暂存;然后使用remap_page_range()函数将其逐页映射到用户空间中。户态的图像处理程序使用mmap()函数,直接读写核态图像缓冲内存,大大减少额外开销。
  图像数据的处理可能要花费比较长的时间,不同的算法对于数据保留时间的要求也不一样。因此可以申请两帧图像缓冲,在处理一帧图像的同时,将两个URB带回的数据全部填充到另一帧缓冲中,这样可以免去时间冲突上的麻烦。
  值得注意的是:这种方法要求时刻持有当前帧的序号、每一帧的起始地址等信息,不能将两帧图像混淆。这些信息可以保存在保留内存中,当前帧的数据整理、序号改变在URB完成例程中实现。
  二、 V4L标准的改进
  V4L标准目前已经发展到第二版V4L2,其基本思路与V4L相同。
  2.1 标准分析
  根据V4L标准,户态程序在需要一帧图像时,CPU的走向如图2。CPU按照123456的顺序完成一个循环。在这里,有一个细节被忽略:在完成例程中,也就是图2中步骤6,该URB被立刻发出,但是由于这时用户程序正在阻塞等待,没办法再次提出获得图像的申请,因此在判断有无新请求时,判断的结果必然是当前无请求,导致下一个URB带回的数据被驱动丢弃;由于核态、户态的切换需要一定的时间,加上户态多进程同步等开销,等到应用程序能够再次发出获得一副图像的申请时,已经有不止一个URB带回的数据被丢弃掉,这些URB包含的数据正好是新一帧图像的开始部分。因此驱动必须等到再下一帧图像才能保存数据、缓冲。这样凭白损失了一帧图像,帧速最少下降一半。

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