基于Linux操作系統(tǒng)的視頻采集卡驅(qū)動程序設(shè)計(jì)

1 引言

Linux 操作系統(tǒng)以其本身強(qiáng)大的性能、卓越的穩(wěn)定性和開放源代碼的優(yōu)點(diǎn)正在得到越來越廣泛的應(yīng)用。設(shè)備驅(qū)動程序在linux內(nèi)核中扮演著特殊的角色，它們是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的“黑盒子”，使得特定的硬件響應(yīng)一個(gè)定義良好的內(nèi)部編程接口，這些接口完全隱藏了設(shè)備的工作細(xì)節(jié)。用戶的操作通過一組標(biāo)準(zhǔn)化的調(diào)用執(zhí)行，而這些調(diào)用獨(dú)立于特定的驅(qū)動程序。將這些調(diào)用映射到作用于實(shí)際硬件的設(shè)備特有操作上，則是驅(qū)動程序的任務(wù)[1]。

本文撰寫的背景是源于我們自己開發(fā)的CDMA無線視頻傳輸系統(tǒng)，該傳輸系統(tǒng)的視頻采集模塊使用Philip SAA7146+ SAA7111a，本文主要介紹linux環(huán)境下視頻采集設(shè)備驅(qū)動程序的編寫。

2 采集芯片簡介[2][3]

開發(fā)驅(qū)動程序的第一步就是詳細(xì)了解硬件設(shè)備的規(guī)格，這樣才能具體操縱硬件，實(shí)現(xiàn)硬件特定的操作，因此首先介紹一下Philip SAA7146及7111A芯片。

Philip SAA7146是PCI總線控制設(shè)備，它負(fù)責(zé)初始化并處理PCI總線上的數(shù)據(jù)傳輸，在這個(gè)意義上說它是主設(shè)備；而7111a是從設(shè)備，它只是所謂的視頻解碼器，負(fù)責(zé)將模擬視頻信號解碼為數(shù)字比特流。對于后者，只需要通過I2C總線進(jìn)行編程，而不必直接控制該設(shè)備。它并不具有總線控制能力，因此不能在PCI 總線上找到它。因此7111a并不需要專門的驅(qū)動程序，它是通過主控芯片（SAA7146）經(jīng)由I2C總線來驅(qū)動的，我們只需要編寫主控芯片的驅(qū)動程序即可。

3 V4L規(guī)范[4]

V4L與V4L2是Linux下開發(fā)視頻采集設(shè)備驅(qū)動程序的一套規(guī)范，這套規(guī)范使用分層的方法給驅(qū)動程序的開發(fā)提供了清晰的模型和一致的接口。應(yīng)用程序處于最上層，V4L或V4L2處于中間層，而實(shí)際的硬件設(shè)備處于下層。

3.1 V4L

V4L是Video for Linux的簡寫，它是Alan Cox為了給Linux下視頻采集設(shè)備驅(qū)動程序的編寫提供統(tǒng)一的接口而提出的一套規(guī)范（API），它將所有的視頻采集設(shè)備的驅(qū)動程序都納入它的管理之中，給驅(qū)動程序編寫者帶來極大的方便。

3.2 V4L2

鑒于V4L的種種不足，Bill Dirks重新設(shè)計(jì)了一套API和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并把它稱作Video for Linux Two（V4L2）。與V4L相比，它的擴(kuò)展性和靈活性都得到了極大的提高，并且支持的硬件設(shè)備也更多。但是也由于它對V4L做了徹底的改造，使得它與 V4L并不兼容。

V4L2是一個(gè)兩層驅(qū)動結(jié)構(gòu)：上層是videodev模塊，當(dāng)videodev初始化后，它把自己注冊一個(gè)主設(shè)備號為81的字符設(shè)備，同時(shí)注冊自己的字符驅(qū)動成員函數(shù)；下層是V4L2驅(qū)動程序，它實(shí)際上是videodev的客戶端，videodev通過V4L2驅(qū)動程序的成員函數(shù)來調(diào)用V4L2驅(qū)動程序。當(dāng)V4L2驅(qū)動程序初始化后，它把一個(gè)包含V4L2 驅(qū)動程序成員函數(shù)，次設(shè)備號以及其他相關(guān)信息的結(jié)構(gòu)傳遞給videodev，從而把它要處理的設(shè)備注冊到videodev。當(dāng)應(yīng)用程序觸發(fā)了一個(gè)驅(qū)動程序調(diào)用時(shí)，控制權(quán)首先傳遞給videodev中的函數(shù)，videodev負(fù)責(zé)將應(yīng)用程序傳遞的文件或i節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)指針轉(zhuǎn)化為相應(yīng)V4L2結(jié)構(gòu)的指針，并調(diào)用 V4L2驅(qū)動中的處理函數(shù)。

當(dāng)V4L2驅(qū)動程序初始化時(shí)候，它首先會枚舉它將處理的系統(tǒng)中的設(shè)備，然后為每個(gè)設(shè)備填充struct v4l2_device結(jié)構(gòu)，并把指向該結(jié)構(gòu)的指針傳遞給v4l2_register _device ()函數(shù)，該函數(shù)調(diào)用v4l2_device結(jié)構(gòu)中的初始化函數(shù)對設(shè)備進(jìn)行初始化。

Struct v4l2_device結(jié)構(gòu)中的主要域說明如下：

Char name[32]：設(shè)備的名字，該名字會出現(xiàn)在/proc/Videodev文件中；

Int type：V4L2設(shè)備類型；

Int minor：設(shè)備得次設(shè)備號；

Int（*open）（）：當(dāng)打開新的文件描述符時(shí)調(diào)用；

Int（*close）（）：當(dāng)關(guān)閉文件描述符時(shí)調(diào)用；

Int（*read）（）：調(diào)用read()；

Int（*write）（）：調(diào)用write（）；

Int（*ioctl）（）：調(diào)用ioctl（）；

Int（*mmap）（）：調(diào)用mmap（）；

Int（*poll）（）：調(diào)用select（）；

Int（*initialize）（）：當(dāng)設(shè)備注冊時(shí)調(diào)用；

Int busy：設(shè)備的打開計(jì)數(shù)，由videodev維護(hù)；

設(shè)備通過函數(shù)v4l2_unregister_device()取消注冊；V4L2允許設(shè)備多次打開，上面的v4l2_device結(jié)構(gòu)中的成員函數(shù)都具有一個(gè)id參數(shù)，該參數(shù)可以把設(shè)備的多次打開區(qū)分開來。

4 采集卡驅(qū)動程序的基本結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)

4.1 驅(qū)動程序基本結(jié)構(gòu)

整個(gè)驅(qū)動程序分為三層：

模塊Saa7146_v4l2直接操作硬件設(shè)備，它主要提供基于SAA7146芯片的采集設(shè)備的核心功能，也可將其稱作核心驅(qū)動程序；同時(shí)驅(qū)動程序還提供了擴(kuò)展機(jī)制，用于擴(kuò)充核心驅(qū)動程序的功能，這樣做的好處就是可以在extension模塊當(dāng)中實(shí)現(xiàn)自己想要的附加功能，而不用修改核心部分。顯然，該擴(kuò)展模塊也對硬件設(shè)備具有完全的控制權(quán)。