Linux環境下的USB攝像頭驅動開發

摘要：嵌入式環境下的USB攝像頭驅動需要充分利用USB總線與內核中的USB核心密切配合并且保證數據流的高速與穩定。本文從Linux內核的USB核心模塊出發，遵循Video4Linux接口標準，采用urb策略與內存映射的方式以提高數據讀取速度，設計開發了基于Linux環境下的USB攝像頭驅動，并在ARM9實驗平臺上對該驅動程序進行了測試與分析。

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引言

　　嵌入式圖像處理的應用范圍隨著嵌入式技術的不斷發展而不斷擴大，攝像頭作為數字圖像采集的基礎，驅動程序的開發顯得尤為重要。作為操作系統內核與硬件設備之間的接口，驅動程序是否優良，直接影響著硬件設備能否正常、高效運轉。帶有USB(通用串行總線)接口的攝像頭因其具有支持熱插拔、接口通用性好、實時性強、較高的傳輸速率、低成本、易于擴展等優點而備受青睞。但是嵌入式系統中支持USB攝像頭的驅動程序很少，因此，研究和開發嵌入式環境下的USB攝像頭驅動程序具有應用價值和現實意義。

USB攝像頭驅動程序構架

　　設備驅動程序是計算機軟、硬件之間存在的悖論的產物：軟件和硬件不應該互相滲透到對方的領域。因此，設備驅動程序是介于操作系統與硬件之間，將硬件設備的具體工作細節對操作系統內核完全屏蔽的接口。用戶的操作通過標準化的調用執行，經設備驅動程序映射到實際的硬件設備上。

　　由于在不同的環境下通常需要不同的方式來操作硬件，所以在編寫訪問硬件的設備驅動程序時，不能給用戶強加任何特定的策略(策略，既是如何使用這些功能[1])。驅動程序應該處理如何使硬件工作的問題，而將怎樣使用硬件的問題留給上層應用程序，即驅動程序的作用在于提供機制(機制，既是需要提供什么功能[1])。

USB子系統分析

　　一個USB子系統是由幾個點對點的連接方式構建而成的樹狀結構，在該系統中USB只是擔當設備和主控制器之間通信通道的角色，對它所發送或者接受的數據沒有任何特殊的內容和結構上的要求。

　　Linux內核支持兩種主要類型的USB驅動程序：宿主系統上的驅動程序和設備上的驅動程序[2]。宿主系統上的USB驅動程序控制插入其中的USB設備，而設備上的驅動程序則控制該設備如何與主機通信。

　　Linux內核提供了USB核心模塊，該模塊將不同類型的USB主控制器完全屏蔽，而為上層的USB設備驅動程序提供了用于訪問和控制USB設備的接口(如圖1)。因此USB核心模塊將USB主控制器和USB設備驅動程序隔開，也同時將USB驅動程序的編寫與具體的硬件隔開。

驅動模塊構架

　　每個硬件設備在操作系統內核中都對應一個驅動模塊。USB攝像頭設備在內核中表現為一個字符設備，并且屬于視頻類的硬件設備。Linux內核為視頻類設備提供了內核接口Video4Linux，該內核接口使得Linux環境下的上層應用程序可以像訪問普通文件一樣對其進行讀寫操作。因此該驅動模塊提供的機制應該符合Video4Linux接口：