Linux USB 驱动开发实例（一） —— USB摄像头驱动实现源码分析

  Spac5xx的实现是按照标准的USB VIDEO设备的驱动框架编写（其具体的驱动框架可参照/usr/src/linux/drivers/usb/usbvideo.c文件），整个源程序由四个主体部分组成：

设备模块的初始化模块和卸载模块，上层软件接口模块，数据传输模块。


具体的模块分析如下：

 一、初始化设备模块

        该驱动采用了显式的模块初始化和消除函数，即调用module_init来初始化一个模块，并在卸载时调用moduel-exit函数

        其具体实现如下： 

1、模块初始化：

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  1. module_init (usb_spca5xx_init);   
  2.   
  3. static int __init  usb_spca5xx_init (void)   
  4. {    
  5. #ifdef CONFIG_PROC_FS                       
  6.     proc_spca50x_create ();//建立PROC设备文件   
  7. #endif /* CONFIG_PROC_FS */      
  8.     if (usb_register (&spca5xx_driver) < 0) //注册USB设备驱动      
  9.         return -1;      
  10.     info ("spca5xx driver %s registered", version);     
  11.     return 0;   
  12. }  

2、模块卸载：

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  1. module_exit (usb_spca5xx_exit);   
  2.   
  3. static void __exit  usb_spca5xx_exit (void)   
  4. {      
  5.     usb_deregister (&spca5xx_driver); //注销USB设备驱动     
  6.     info ("driver spca5xx deregistered");   
  7. #ifdef CONFIG_PROC_FS      
  8.     proc_spca50x_destroy ();//撤消PROC设备文件   
  9. #endif /* CONFIG_PROC_FS */   
  10. }   


关键数据结构 USB驱动结构，即插即用功能的实现 

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  1. static struct usb_driver spca5xx_driver = {          
  2.     "spca5xx",           
  3.     spca5xx_probe, //注册设备自我侦测功能          
  4.     spca5xx_disconnect,//注册设备自我断开功能          
  5.     {NULL,NULL}   
  6. };  

用两个函数调用spca5xx_probe 和spca5xx_disconnect来支持USB设备的即插即用功能：

a -- spca5xx_probe 具体实现如下：
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  1. static void * spca5xx_probe (struct usb_device *dev, unsigned int ifnum, const struct usb_device_id *id)   
  2. {      
  3.     struct usb_interface_descriptor *interface;          //USB设备接口描述符   
  4.     struct usb_spca50x *spca50x;                    //物理设备数据结构     
  5.     int err_probe;     
  6.     int i;      
  7.     if (dev->descriptor.bNumConfigurations != 1)        //探测设备是不是可配置       
  8.         goto nodevice;     
  9.     if (ifnum > 0)       
  10.         goto nodevice;      
  11.     interface = &dev->actconfig->interface[ifnum].altsetting[0];    
  12.     MOD_INC_USE_COUNT;      
  13.     interface = &intf->altsetting[0].desc;     
  14.     if (interface->bInterfaceNumber > 0)       
  15.         goto nodevice;      
  16.     if ((spca50x = kmalloc (sizeof (struct usb_spca50x), GFP_KERNEL)) == NULL) //分配物理地址空间       
  17.     {          
  18.         err ("couldn't kmalloc spca50x struct");         
  19.         goto error;       
  20.     }      
  21.   
  22.     memset (spca50x, 0, sizeof (struct usb_spca50x));     
  23.     spca50x->dev = dev;      
  24.     spca50x->iface = interface->bInterfaceNumber;      
  25.     if ((err_probe = spcaDetectCamera (spca50x)) < 0)       //具体物理设备查找，匹配厂商号，设备号（在子程序中）         
  26.     {          
  27.         err (" Devices not found !! ");         
  28.         goto error;       
  29.     }      
  30.     PDEBUG (0, "Camera type %s ", Plist[spca50x->cameratype].name)  
  31.     for (i = 0; i < SPCA50X_NUMFRAMES; i++)        
  32.         init_waitqueue_head (&spca50x->frame[i].wq);     //初始化帧等待队列       
  33.         init_waitqueue_head (&spca50x->wq);            //初始化驱动等待队列     
  34.   
  35.     if (!spca50x_configure (spca50x))                  //物理设备配置（主要完成传感器侦测和图形参数配置），主要思想是给控制寄存器写值，读回其返回值，以此判断具体的传感器型号       
  36.     {          
  37.         spca50x->user = 0;          
  38.         init_MUTEX (&spca50x->lock);                  //信号量初始化         
  39.         init_MUTEX (&spca50x->buf_lock);          
  40.         spca50x->v4l_lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;         
  41.         spca50x->buf_state = BUF_NOT_ALLOCATED;       
  42.     }                                      
  43.     else       
  44.     {  
  45.         err ("Failed to configure camera");         
  46.             goto error;       
  47.     }   
  48.     
  49.   
  50.     /* Init video stuff */   
  51.     
  52.     spca50x->vdev = video_device_alloc ();           //设备控制块内存分配     
  53.     if (!spca50x->vdev)       
  54.         goto error;  
  55.     memcpy (spca50x->vdev, &spca50x_template, sizeof (spca50x_template));    
  56.     //系统调用的挂接，在此将驱动实现的系统调用，挂到内核中     
  57.     video_set_drvdata (spca50x->vdev, spca50x);   
  58.     
  59.         if (video_register_device (spca50x->vdev, VFL_TYPE_GRABBER, video_nr) < 0)       
  60.     {                                              
  61.     //video设备注册         
  62.         err ("video_register_device failed");         
  63.         goto error;       
  64.     }   
  65.     
  66.     spca50x->present = 1;     
  67.     if (spca50x->force_rgb)   
  68.       
  69.         info ("data format set to RGB");     
  70.     spca50x->task.sync = 0;   
  71.     
  72.     spca50x->task.routine = auto_bh;     
  73.     spca50x->task.data = spca50x;     
  74.     spca50x->bh_requested = 0;   
  75.               
  76.     MOD_DEC_USE_COUNT; //增加模块使用数     
  77.     return spca50x; //返回数剧结构   
  78. error://错误处理     
  79.     if (spca50x->vdev)       
  80.     {   
  81.         
  82.         if (spca50x->vdev->minor == -1)   
  83.          
  84.             video_device_release (spca50x->vdev);         
  85.         else   
  86.          
  87.             video_unregister_device (spca50x->vdev);         
  88.         spca50x->vdev = NULL;       
  89.     }   
  90.     
  91.     if (spca50x)       
  92.     {   
  93.         
  94.         kfree (spca50x);         
  95.         spca50x = NULL;       
  96.     }   
  97.     
  98.     MOD_DEC_USE_COUNT;     
  99.     return NULL;   
  100. nodevice:   
  101.     
  102.     return NULL;   
  103. }  


b -- Spca5xx_disconnect  的具体实现如下：
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  1. static void  spca5xx_disconnect (struct usb_device *dev, void *ptr)   
  2. {      
  3.     struct usb_spca50x *spca50x = (struct usb_spca50x *) ptr;     
  4.     int n;      
  5.     MOD_INC_USE_COUNT; //增加模块使用数     
  6.     if (!spca50x)       
  7.         return;      
  8.     down (&spca50x->lock); //减少信号量     
  9.     spca50x->present = 0;  //驱动卸载置0      
  10.     for (n = 0; n < SPCA50X_NUMFRAMES; n++)       //标示所有帧ABORTING状态       
  11.     {  
  12.         spca50x->frame[n].grabstate = FRAME_ABORTING;       
  13.         spca50x->curframe = -1;     
  14.       
  15.     }  
  16.      for (n = 0; n < SPCA50X_NUMFRAMES; n++)       //唤醒所有等待进程       
  17.     {  
  18.         if (waitqueue_active (&spca50x->frame[n].wq))         
  19.             wake_up_interruptible (&spca50x->frame[n].wq);     
  20.           
  21.         if (waitqueue_active (&spca50x->wq))          
  22.             wake_up_interruptible (&spca50x->wq);      
  23.     }  
  24.     spca5xx_kill_isoc(spca50x);  //子函数终止URB包的传输     
  25.     PDEBUG (3,"Disconnect Kill isoc done");      
  26.     up (&spca50x->lock);  //增加信号量      
  27.     while(spca50x->user) /如果还有进程在使用，进程切换         
  28.         schedule();        
  29.     down (&spca50x->lock);       
  30.     if (spca50x->vdev)    
  31.     {         
  32.         video_unregister_device (spca50x->vdev);   //注销video设备       
  33.         usb_driver_release_interface (&spca5xx_driver,&spca50x->dev->actconfig->interface[spca50x->iface]); //端口释放         
  34.         spca50x->dev = NULL;         
  35.     }  
  36.     up (&spca50x->lock);   
  37. #ifdef CONFIG_PROC_FS          
  38.     destroy_proc_spca50x_cam (spca50x); //注销PROC文件   
  39. #endif /* CONFIG_PROC_FS */   
  40.          
  41.     if (spca50x && !spca50x->user)                      //释放内存空间          
  42.     {             
  43.         spca5xx_dealloc (spca50x);            
  44.         kfree (spca50x);            
  45.         spca50x = NULL;          
  46.     }      
  47.     MOD_DEC_USE_COUNT;                              //减少模块记数     
  48.     PDEBUG (3, "Disconnect complete");   
  49. }  



二、上层软件接口模块：   

        该模块通过file_operations数据结构，依据V4L协议规范，实现设备的关键系统调用，实现设备文件化的UNIX系统设计特点。作为摄相头驱动，其功能在于数据采集，而没有向摄相头输出的功能，因此在源码中没有实现write系统调用。

其关键的数据结构如下：

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  1. static struct video_device spca50x_template = {     
  2.     .owner = THIS_MODULE,    
  3.     .name = "SPCA5XX USB Camera",     
  4.     .type = VID_TYPE_CAPTURE,    
  5.     .hardware = VID_HARDWARE_SPCA5XX,     
  6.     .fops = &spca5xx_fops,           
  7. }；   
  8.   
  9.   
  10. static struct file_operations spca5xx_fops = {     
  11.     .owner = THIS_MODULE,    
  12.     .open = spca5xx_open, //open功能     
  13.     .release = spca5xx_close,//close功能     
  14.     .read = spca5xx_read, //read功能     
  15.     .mmap = spca5xx_mmap, //内存映射功能     
  16.     .ioctl = spca5xx_ioctl, //文件信息获取    
  17.     .llseek = no_llseek,//文件定位功能未实现   
  18. };   

1． Open功能

完成设备的打开和初始化，并初始化解码器模块。其具体实现如下：

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  1. static int  spca5xx_open(struct video_device *vdev, int flags)   
  2. {      
  3.     struct usb_spca50x *spca50x = video_get_drvdata (vdev);     
  4.     int err;      
  5.     MOD_INC_USE_COUNT;                         //增加模块记数     
  6.     down (&spca50x->lock);                                
  7.     err = -ENODEV;      
  8.   
  9.     if (!spca50x->present)                 //检查设备是不是存在，有不有驱动，是不是忙       
  10.         goto out;    
  11.     err = -EBUSY;     
  12.     if (spca50x->user)       
  13.         goto out;      
  14.     err = -ENOMEM;      
  15.     if (spca50x_alloc (spca50x))    
  16.         goto out;                      
  17.       
  18.     err = spca50x_init_source (spca50x);           //初始化传感器和解码模块,在此函数的实现中，对每一款DSP芯片的初始化都不一样，对中星微301P的DSP芯片的初始化在子函数zc3xx_init，其实现方法为寄存器填值。     
  19.     if (err != 0)  
  20.     {          
  21.         PDEBUG (0, "DEALLOC error on spca50x_init_source\n");         
  22.         up (&spca50x->lock);          
  23.         spca5xx_dealloc (spca50x);         
  24.         goto out2;       
  25.     }   
  26.   
  27.     spca5xx_initDecoder(spca50x);                  //解码模块初始化，其模块的具体实现采用的是huffman算法      spca5xx_setFrameDecoder(spca50x);     
  28.     spca50x->user++;      
  29.       
  30.     err = spca50x_init_isoc (spca50x);              //初始化URB(usb request block) 包，启动摄相头，采用同步传输的方式传送数据     
  31.     if (err)       
  32.     {          
  33.         PDEBUG (0, " DEALLOC error on init_Isoc\n");         
  34.         spca50x->user--;          
  35.         spca5xx_kill_isoc (spca50x);         
  36.         up (&spca50x->lock);          
  37.         spca5xx_dealloc (spca50x);         
  38.         goto out2;  
  39.     }      
  40.   
  41.     spca50x->brightness = spca50x_get_brghtness (spca50x) << 8;     
  42.     spca50x->whiteness = 0;   
  43.   
  44. out:      
  45.     up (&spca50x->lock);   
  46. out2:     
  47.     if (err)       
  48.         MOD_DEC_USE_COUNT;     
  49.     if (err)          
  50.     {          
  51.         PDEBUG (2, "Open failed");       
  52.     }     
  53.     else       
  54.     {          
  55.         PDEBUG (2, "Open done");      
  56.     }      
  57.     return err;   
  58. }  

2.Close功能

完成设备的关闭，其具体过程是：

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  1. static void spca5xx_close(struct video_device *vdev)   
  2. {     
  3.     struct usb_spca50x *spca50x =vdev->priv;     
  4.     int i;     
  5.     PDEBUG (2, "spca50x_close");     
  6.     down (&spca50x->lock);  //参数设置     
  7.     spca50x->user--;     
  8.     spca50x->curframe = -1;   
  9.     
  10.     if(spca50x->present)//present：是或有驱动加载       
  11.     {        
  12.         spca50x_stop_isoc (spca50x);//停止摄相头工作和数据包送         
  13.         spcaCameraShutDown (spca50x);//关闭摄相头，由子函数spca50x_stop_iso完成     
  14.         for (i = 0; i < SPCA50X_NUMFRAMES; i++)    //唤醒所有等待进程       
  15.         {        
  16.             if(waitqueue_active(&spca50x->frame[i].wq))   
  17.                 wake_up_interruptible (&spca50x->frame[i].wq);       
  18.         }   
  19.         if(waitqueue_active (&spca50x->wq))          
  20.             wake_up_interruptible (&spca50x->wq);     
  21.     }    
  22.       
  23.     up(&spca50x->lock);   
  24.     spca5xx_dealloc (spca50x);//回收内存空间     
  25.       
  26.     PDEBUG(2,"Release ressources done");     
  27.     MOD_DEC_USE_COUNT;   
  28. }   

3、 Read功能

 完成数据的读取，其主要的工作就是将数据由内核空间传送到进程用户空间

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  1. static long spca5xx_rea(struct video_device *dev, char * buf, unsigned long count,int noblock)   
  2. {     
  3.     struct usb_spca50x *spca50x = video_get_drvdata (dev);     
  4.     int i;     
  5.     int frmx = -1;     
  6.     int rc;     
  7.     volatile struct spca50x_frame *frame;   
  8.       
  9.         if(down_interruptible(&spca50x->lock))  //获取信号量         
  10.         return -EINTR;   
  11.       
  12.         if(!dev || !buf){//判断设备情况       
  13.         up(&spca50x->lock);       
  14.         return -EFAULT;   
  15.     }    
  16.     
  17.     if(!spca50x->dev){       
  18.         up(&spca50x->lock);       
  19.         return -EIO;   
  20.     }   
  21.       
  22.     if (!spca50x->streaming){       
  23.         up(&spca50x->lock);       
  24.         return -EIO;   
  25.     }   
  26.       
  27.         if((rc = wait_event_interruptible(spca50x->wq,     //在指定的队列上睡眠，直到参数2的条件为真   
  28.               spca50x->frame[0].grabstate == FRAME_DONE ||   
  29.               spca50x->frame[1].grabstate == FRAME_DONE ||                 
  30.           spca50x->frame[2].grabstate == FRAME_DONE ||                 
  31.               spca50x->frame[3].grabstate == FRAME_DONE )))    
  32.         {                 
  33.         up(&spca50x->lock);                 
  34.         return rc;          
  35.     }    
  36.     
  37.   
  38.     for (i = 0; i < SPCA50X_NUMFRAMES; i++)         //当数据到来       
  39.         if (spca50x->frame[i].grabstate == FRAME_DONE)   //标识数已到         
  40.             frmx = i;     
  41.     if (frmx < 0)       
  42.     {   
  43.         
  44.         PDEBUG(2, "Couldnt find a frame ready to be read.");         
  45.         up(&spca50x->lock);         
  46.         return -EFAULT;       
  47.     }   
  48.     
  49.     frame = &spca50x->frame[frmx];   
  50.     PDEBUG (2, "count asked: %d available: %d", (int) count,(int) frame->scanlength);     
  51.     if (count > frame->scanlength)       
  52.         count = frame->scanlength;   
  53.     
  54.     if ((i = copy_to_user (buf, frame->data, count)))   //实现用户空间和内核空间的数据贝       
  55.     {   
  56.         
  57.         PDEBUG (2, "Copy failed! %d bytes not copied", i);             
  58.         up(&spca50x->lock);         
  59.         return -EFAULT;       
  60.     }   
  61.     
  62.     /* Release the frame */    
  63.     frame->grabstate = FRAME_READY; //标识数据已空   
  64.     up(&spca50x->lock);                             
  65.     return count;//返回拷贝的数据数   
  66. }  

4、Mmap功能

实现将设备内存映射到用户进程的地址空间的功能，其关键函数是remap_page_range，其具体实现如下：

[cpp] view plaincopy
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  1. static int spca5xx_mmap(struct video_device *dev,const char *adr, unsigned long size)   
  2. {   
  3.     
  4.     unsigned long start = (unsigned long) adr;     
  5.     struct usb_spca50x *spca50x = dev->priv;     
  6.     unsigned long page, pos;     
  7.     if (spca50x->dev == NULL)       
  8.         return -EIO;   
  9.       
  10.     PDEBUG (4, "mmap: %ld (%lX) bytes", size, size);     
  11.     if(size > (((SPCA50X_NUMFRAMES * MAX_DATA_SIZE) + PAGE_SIZE - 1) & ~(PAGE_SIZE -1)))       
  12.         return -EINVAL;   
  13.          
  14.     if (down_interruptible(&spca50x->lock))  //获取信号量                 
  15.         return -EINTR;   
  16.     
  17.     pos = (unsigned long) spca50x->fbuf;  
  18.     while (size > 0)  //循环实现内存映射       
  19.     {                   
  20.         page = kvirt_to_pa (pos);   
  21.         if (remap_page_range (start, page, PAGE_SIZE, PAGE_SHARED)){  //实现内存映射   
  22.             up(&spca50x->lock);   
  23.             return -EAGAIN;      
  24.         }         
  25.       
  26.         start += PAGE_SIZE;         
  27.         pos += PAGE_SIZE;         
  28.         if (size > PAGE_SIZE)          
  29.             size -= PAGE_SIZE;         
  30.         else       
  31.             size = 0;       
  32.     }   
  33.   
  34.     up(&spca50x->lock); //释放信号量     
  35.     return 0;   
  36. }  

5、Ioctl功能：  

实现文件信息的获取功能

[cpp] view plaincopy
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  1. static int spca5xx_ioctl (struct inode *inode, struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg)   
  2. {         
  3.     struct video_device *vdev = file->private_data;          
  4.     struct usb_spca50x *spca50x = vdev->priv;          
  5.     int rc;   
  6.          
  7.     if(down_interruptible(&spca50x->lock))       //获取信号量                 
  8.         return -EINTR;   
  9.         
  10.     rc = video_usercopy (inode, file, cmd, arg, spca5xx_do_ioctl);  //将信息传送到用户进程，其关键函数实现spca5xx_do_ioctl   
  11.     up(&spca50x->lock);     
  12.     return rc;  
  13. }   

spca5xx_do_ioctl函数的实现依赖于不同的硬件，本驱动为了支持多种芯片，实现程序过于烦琐，其主要思想是通过copy_to_user(arg,b,sizeof(struct video_capability)函数将设备信息传递给用户进程。


三、数据传输模块

      源程序采用tasklet来实现同步快速传递数据，并通过spcadecode.c上的软件解码模块实现图形信息的解码。此模块的入口点挂节在spca_open函数中，其具体的函数为spca50x_init_isoc。当设备被打开时，同步传输数据也已经开始，并通过spca50x_move_data函数将数据传递给驱动程序，驱动程序通过轮询的办法实现对数据的访问。

[cpp] view plaincopy
在CODE上查看代码片派生到我的代码片
  1. Void outpict_do_tasklet (unsigned long ptr)   
  2. {     
  3.     int err;     
  4.     struct spca50x_frame *taskletframe = (struct spca50x_frame *) ptr;     
  5.     taskletframe->scanlength = taskletframe->highwater - taskletframe->data;   
  6.       PDEBUG (2, "Tasklet ask spcadecoder hdrwidth %d hdrheight %d method %d",           
  7.         taskletframe->hdrwidth, taskletframe->hdrheight,            
  8.         taskletframe->method);   
  9.     
  10.     err = spca50x_outpicture (taskletframe);  //输出处理过的图片数据     
  11.     if (err != 0)       
  12.     {        
  13.         PDEBUG (0, "frame decoder failed (%d)", err);         
  14.         taskletframe->grabstate = FRAME_ERROR;      
  15.     }     
  16.     else       
  17.     {        
  18.         taskletframe->grabstate = FRAME_DONE;       
  19.     }   
  20.     
  21.     if (waitqueue_active (&taskletframe->wq))//如果有进程等待，唤醒等待进程       
  22.         wake_up_interruptible (&taskletframe->wq);   
  23. }  

值得一提的是spcadecode.c上解码模块将原始压缩图形数据流yyuyv，yuvy， jpeg411，jpeg422解码为RGB图形，但此部分解压缩算法的实现也依赖于压缩的格式，归根结底依赖于DSP（数字处理芯片）中的硬件压缩算法。 


四．USB CORE的支持

       LINUX下的USB设备对下层硬件的操作依靠系统实现的USB CORE层，USB CORE对上层驱动提供了众多函数接口如：usb_control_msg，usb_sndctrlpipe等，其中最典型的使用为源码中对USB端点寄存器的读写函数spca50x_reg_write和spca50x_reg_read等，具体实现如下：（举spca50x_reg_write的实现，其他类似）

[cpp] view plaincopy
在CODE上查看代码片派生到我的代码片
  1. static int spca50x_reg_write(struct usb_device *dev,__u16 reg，__u16 index,__u16 value)   
  2. {         
  3.     int rc;          
  4.     rc = usb_control_msg(dev,          //通过USB CORE提供的接口函数设置寄存器的值   
  5.                 usb_sndctrlpipe(dev, 0),   
  6.                         reg,   
  7.                         USB_TYPE_VENDOR | USB_RECIP_DEVICE,   
  8.                         value, index, NULL, 0, TimeOut);   
  9.          
  10.     PDEBUG(5, "reg write: 0x%02X,0x%02X:0x%02X, 0x%x", reg, index, value, rc);          
  11.     if (rc < 0)                
  12.         err("reg write: error %d", rc);          
  13.     return rc;   
  14. }

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