基于Linux操作系統(tǒng)的視頻采集卡驅(qū)動程序設計

1 引言

Linux 操作系統(tǒng)以其本身強大的性能、卓越的穩(wěn)定性和開放源代碼的優(yōu)點正在得到越來越廣泛的應用。設備驅(qū)動程序在linux內(nèi)核中扮演著特殊的角色，它們是一個個獨立的“黑盒子”，使得特定的硬件響應一個定義良好的內(nèi)部編程接口，這些接口完全隱藏了設備的工作細節(jié)。用戶的操作通過一組標準化的調(diào)用執(zhí)行，而這些調(diào)用獨立于特定的驅(qū)動程序。將這些調(diào)用映射到作用于實際硬件的設備特有操作上，則是驅(qū)動程序的任務[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了解硬件設備的規(guī)格，這樣才能具體操縱硬件，實現(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總線控制設備，它負責初始化并處理PCI總線上的數(shù)據(jù)傳輸，在這個意義上說它是主設備；而7111a是從設備，它只是所謂的視頻解碼器，負責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總線進行編程，而不必直接控制該設備。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。應用程序處于最上層，V4L或V4L2處于中間層，而實際的硬件設備處于下層。

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重新設計了一套API和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并把它稱作Video for Linux Two（V4L2）。與V4L相比，它的擴展性和靈活性都得到了極大的提高，并且支持的硬件設備也更多。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是一個兩層驅(qū)動結(jié)構(gòu)：上層是videodev模塊，當videodev初始化后，它把自己注冊一個主設備號為81的字符設備，同時注冊自己的字符驅(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V4L2驅(qū)動程序初始化后，它把一個包含V4L2 驅(qū)動程序成員函數(shù)，次設備號以及其他相關(guān)信息的結(jié)構(gòu)傳遞給videodev，從而把它要處理的設備注冊到videodev。當應用程序觸發(fā)了一個驅(qū)動程序調(diào)用時，控制權(quán)首先傳遞給videodev中的函數(shù)，videodev負責將應用程序傳遞的文件或i節(jié)點結(jié)構(gòu)指針轉(zhuǎn)化為相應V4L2結(jié)構(gòu)的指針，并調(diào)用 V4L2驅(qū)動中的處理函數(shù)。

當V4L2驅(qū)動程序初始化時候，它首先會枚舉它將處理的系統(tǒng)中的設備，然后為每個設備填充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)對設備進行初始化。

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

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

Int type：V4L2設備類型；

Int minor：設備得次設備號；

Int（*open）（）：當打開新的文件描述符時調(diào)用；

Int（*close）（）：當關(guān)閉文件描述符時調(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）（）：當設備注冊時調(diào)用；

Int busy：設備的打開計數(shù)，由videodev維護；

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

4 采集卡驅(qū)動程序的基本結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)

4.1 驅(qū)動程序基本結(jié)構(gòu)

整個驅(qū)動程序分為三層：

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