基于Linux平臺(tái)高清攝像頭USB驅(qū)動(dòng)的研究

　　胡雄暉

　　摘要：本文通過(guò)在嵌入式系統(tǒng)中對(duì)USB攝像頭驅(qū)動(dòng)的改進(jìn)，并對(duì)基于Relay技術(shù)的高清攝像頭設(shè)備驅(qū)動(dòng)作了分析和說(shuō)明，有效提升攝像頭整體性能。

　　關(guān)鍵詞：Linux;USB驅(qū)動(dòng);Relay

　　1 Linux內(nèi)核USB驅(qū)動(dòng)框架

　　每一類設(shè)備都提供了通用接口，以便在需要時(shí)為內(nèi)核提供服務(wù)。這種通用接口使得內(nèi)核可以以相同的方式來(lái)對(duì)待不同的設(shè)備及驅(qū)動(dòng)程序[1]。在應(yīng)用程序看來(lái)，硬件設(shè)備只是一個(gè)設(shè)備文件，應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行操作。

　　Linux內(nèi)核提供了完整的USB驅(qū)動(dòng)程序框架。USB總線采用樹形結(jié)構(gòu)，在一條總線上只能有唯一的主機(jī)設(shè)備。Linux內(nèi)核從主機(jī)和設(shè)備兩個(gè)角度觀察USB總線結(jié)構(gòu)。在linux系統(tǒng)中，USB主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序由3部分組成：USB主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)(HCD)、USB核心驅(qū)動(dòng)(USBD)和不同種類的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

　　2 USB驅(qū)動(dòng)程序主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　1) 主機(jī)控制器用于管理主機(jī)硬件與USB設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸【2】。在Linux系統(tǒng)下定義了如下用于開放主機(jī)控制器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

　　Struct usb_operation sohci_device_operations={

　　sohci_alloc_dev,

　　sohci_free_dev,

　　sohci_get_current_frame_number,

　　sohci_submit_urb,

　　sohci_unlink_urb

　　};

　　其中：

　　sohci_alloc_dev用來(lái)分配USB設(shè)備資源。

　　sohci_free_dev用來(lái)收回USB設(shè)備資源。

　　sohci_get_current_frame_number用來(lái)獲得當(dāng)前幀號(hào)。

　　sohci_submit_urb用來(lái)提交URB請(qǐng)求快。

　　sohci_unlink_urb用來(lái)撤銷URB請(qǐng)求塊。

　　2) Linux系統(tǒng)中，USBD通過(guò)定義一組宏、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)來(lái)抽象出所有硬件或者設(shè)備具有依賴關(guān)系的部分。USBD中主要有四個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分別是：

　　 usb_device保存一個(gè)USB設(shè)備的信息。

　　 usb_bus保存一個(gè)USB總線系統(tǒng)的信息。

　　 usb_driver保存客戶驅(qū)動(dòng)信息，包括驅(qū)動(dòng)名稱，以及驅(qū)動(dòng)提供給USB內(nèi)核使用的函數(shù)指針等。

　　 urb是進(jìn)行USB通信的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，USBD通過(guò)URB在USB設(shè)備類驅(qū)動(dòng)和USBD、USBD和HCD間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

　　3) USB攝像頭驅(qū)動(dòng)程序需要做的第一件事情就是在USB子系統(tǒng)里注冊(cè)，包括該驅(qū)動(dòng)程序支持哪些設(shè)備，當(dāng)被支持的設(shè)備從總線插入或拔出時(shí)，會(huì)有哪些動(dòng)作等，所有這些信息通過(guò)usb_driver的形式傳送到USBD中，具體實(shí)現(xiàn)如下：

　　static struct usb_driver cam_driver={

　　.name="cam_video",

　　.probe=cam_probe,

　　.disconnect：cam_disconnect,

　　.id_table：cam_ids,

　　};

　　cam_video是客戶端驅(qū)動(dòng)程序的字符串名稱;cam_probe則指向USB驅(qū)動(dòng)程序的探測(cè)函數(shù)指針;cam_ids列表包含了一系列該驅(qū)動(dòng)程序可以支持的所有不同類型的USB設(shè)備，如沒有設(shè)置該列表，則該驅(qū)動(dòng)程序中的探測(cè)回調(diào)函數(shù)不會(huì)被調(diào)用[3]。

　　3 基于relay的Linux系統(tǒng)USB視頻驅(qū)動(dòng)

　　3.1 relay技術(shù)基本原理

　　Relay是一種從Linux內(nèi)核到用戶空間的高效數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。通過(guò)用戶定義的relay通道，內(nèi)核空間的程序能夠高效、可靠、便捷地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩艨臻g。Relay特別適用于內(nèi)核空間有大量數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)接脩艨臻g的情形，它提供一種機(jī)制使得內(nèi)核空間的程序能夠通過(guò)用戶定義的relay通道將大量數(shù)據(jù)高效的傳輸?shù)接脩艨臻g。

　　一個(gè)relay通道由一組和CPU一一對(duì)應(yīng)的內(nèi)核緩沖區(qū)組成。這些緩沖區(qū)又被稱為relay緩沖區(qū)，其中的每一個(gè)在用戶空間都用一個(gè)常規(guī)文件來(lái)表示，這被叫做relay文件。Relay并不關(guān)心數(shù)據(jù)的格式和內(nèi)容，這些完全依賴于使用relay的用戶程序。Relay的目的是提供一個(gè)足夠簡(jiǎn)單的接口，從而使得基本操作盡可能的高效[4]。

　　Relay將數(shù)據(jù)的讀和寫分離，使得突發(fā)性大量數(shù)據(jù)寫入的時(shí)候，不需要受限于用戶空間相對(duì)較慢的讀取速度，從而大大提高了效率。Relay作為寫入和讀取的橋梁，也就是將內(nèi)核用戶寫入的數(shù)據(jù)緩存并轉(zhuǎn)發(fā)給用戶空間的程序。Relay提供了兩大類主要API包括面向用戶空間和面向內(nèi)核空間，面向用戶空間的API：

　　 open()允許用戶打開一個(gè)已經(jīng)存在的通道緩沖區(qū)。

　　 mmap()使通道緩沖區(qū)被映射到位于用戶空間的調(diào)用者的地址空間。

　　 read()讀取通道緩沖區(qū)的內(nèi)容。

　　 endfile()將數(shù)據(jù)從通道緩沖區(qū)傳輸?shù)揭粋�(gè)輸出文件描述符。

　　 poll()支持 POLLIN/POLLRDNORM/POLLERR信號(hào)。

　　 close()將通道緩沖區(qū)的引用數(shù)減1。

　　面向內(nèi)核空間的API為：

　　 relay_open()創(chuàng)建一個(gè)relay通道，包括創(chuàng)建每個(gè)CPU對(duì)應(yīng)的relay緩沖區(qū)。

　　 relay_close()關(guān)閉一個(gè)relay通道，包括釋放所有的relay緩沖區(qū)，在此之前會(huì)調(diào)用relay_switch()來(lái)處理這些relay緩沖區(qū)以保證已讀取但是未滿的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。

　　 relay_write()將數(shù)據(jù)寫入到當(dāng)前CPU對(duì)應(yīng)的relay緩沖區(qū)內(nèi)。

　　 relay_reserve()在relay通道中保留一塊連續(xù)的區(qū)域來(lái)留給未來(lái)的寫入操作。

　　3.2 Relay技術(shù)可靠性分析

　　整個(gè)攝像頭圖像采集系統(tǒng)由前端高清視頻采集和后臺(tái)處理過(guò)程組成。前端高清視頻采集的可靠性主要由攝像頭設(shè)備中的圖像處理器性能決定的，目前市場(chǎng)絕大多數(shù)高清攝像頭都可以滿足系統(tǒng)要求。我們通過(guò)創(chuàng)建數(shù)據(jù)緩存多通道和增加緩存大小的方法來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性，從而減少丟幀現(xiàn)象，從一定程度上提成了高清攝像頭的工作的可靠性。

　　4 總結(jié)

　　本文在ARM體系結(jié)構(gòu)平臺(tái)下對(duì)USB攝像頭設(shè)備驅(qū)動(dòng)的基本原理進(jìn)行了說(shuō)明，并介紹了一種新型的驅(qū)動(dòng)改進(jìn)方法，通過(guò)提高內(nèi)核空間和用戶空間的數(shù)據(jù)傳輸速度，從而提高整個(gè)攝像頭設(shè)備的數(shù)據(jù)采集速度，使得改進(jìn)方案可行高效。

　　參考文獻(xiàn)

　　【1】 馮偉，王博編著【M】.北京：中國(guó)電力出版社，2008.

　　【2】 商斌.Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)入門與編程實(shí)踐【M】.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

　　【3】 暢衛(wèi)功.嵌入式Linux中USB攝像頭驅(qū)動(dòng)的研究【J】.嵌入式軟件應(yīng)用，2008.

　　【4】 季春志，褚偉.Linux平臺(tái)下高分辨率攝像頭設(shè)備USB驅(qū)動(dòng)的研究與改進(jìn)【J】.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009.