基于V4L2的视频驱动开发（1）

作者：刘洪涛,华清远见嵌入式学院讲师。
编写基于V4L2视频驱动主要涉及到以下几个知识点：
●    摄像头方面的知识

                要了解选用的摄像头的特性，包括访问控制方法、各种参数的配置方法、信号输出类型等。
●    Camera解码器、控制器

                如果摄像头是模拟量输出的，要熟悉解码器的配置。最后数字视频信号进入camera控制器后，还要熟悉camera控制器的操作。
●    V4L2的API和数据结构

                编写驱动前要熟悉应用程序访问V4L2的方法及设计到的数据结构。
●    V4L2的驱动架构

                最后编写出符合V4L2规范的视频驱动。
本文介绍基于S3C2440硬件平台的V4L2视频驱动开发。摄像头采用OmniVision公司的OV9650和OV9655。主要包含以下几个方面的内容：
视频驱动的整体驱动框架
●    3C2440 camera控制器+ov9650（ov9655）

        ●    V4L2API及数据结构

        ●    V4L2驱动框架

        ●    ov9650（ov9655）+s3c2440+V4L2实例
一、 视频驱动的整体框架
视频驱动的整体框架见下图：



二、S3C2440 camera控制器+ov9650（ov9655）
（1）S3C2440 camera控制器介绍
S3C2440支持ITU-RBT601/656格式的数字图像输入，支持的2个通道的DMA，Preview通道和Codec通道，参见下图。



Preview通道可以将YCbCr4:2:2格式的图像转换为RGB（16bit或24bit）格式的数据，并存放于为PreviewDMA分配的内存中，最大分辨率为640*480。主要用于本地液晶屏显示。如果将PreviewDMA的内存和Framebuffer内存重叠的话，就可以实现采集直接输出到液晶屏上了。
Codec通道可以输出YCbCr4:2:0或YCbCr4:2:2格式到为CodecDMA分配的内存中。最大分辨率为4096*4096。主要用于图像的编解码处理。



上图中的windowcut功能是指在图像可以先做一个裁剪。通过设置CIWDOFST完成此功能，见下图。图像进入P、C通道后，各自的scaler单元还可以对其进行缩放、旋转等处理。



S3C2440camera控制器支持乒乓存储。为了防止采集和输出之间的冲突，采用了乒乓存储方式。每次采集一帧后，自动转到下一个存储区。如果你因为内存空间不足，不想使用此功能的话，可以将四个区域设置到同一块空间。
在做图像处理时，需要关注到最后存储区中的图像格式，如codec通道硬件自动把Y、Cb、Cr分离存储。



S3C2440 camera 控制器Last IRQ功能的使用，也是需要掌握的。如果处理不好，输出的图像效果会受影响。



控制器会在每个VSYNC下降沿判断ImgCptEn信号等命令。如果在下降沿发现ImgCptEn信号有效，则产生IRQ中断。然后才开始一帧图像的真正采集。而如果在VSYNC下降沿判断到ImgCptEn为低电平且之前LastIRQEn没有使能，则不会产生任何中断，且不会再进行下一帧的采集。如果你想在ImgCptEn关闭后，一帧采集完后产生一个中断通知你，那么就需要在最后一次中断产生前（stopcapturing后的vysnc下将沿）使能lastirq就可以了。
我在移植linux驱动时就遇到了一个LastIRQ的问题。现象是输出图像上面总是有一条比其它部分反应慢。采集运动图像，就能看出现象。查看代码是因为没有设立lastirq，因为每次如果不在lastirq产生的情况下读取，图像缓冲中的数据是不稳定的，可能照成图像不完整。修改代码支持lastirq后，问题解决。
Camera控制器时钟设置也是需要注意的，ov9650需要Camera控制器为其提供时钟。



提供给外部摄像头的时钟是由UPLL输出时钟分频得到的。而CAMIF的时钟是由HCLK提供的。本例中，提供给ov9650的时钟为24M。
（2）ov9650（ov9655）设置方法
OV9650是OmniVision公司的COMS摄像头，130万像素，支持SXVGA、VGA、QVGA、CIF等图像输出格式。最大速率在SXVGA时为15fps，在VGA时为30fps。
OV9650摄像头时序如下图：



上图中D[9:2]用于8-bitYUV或者RGB565/RGB555(D[9]MSB、D[2]LSB)。D[9:0]用于10-bitRGB。本例中使用8-bit YUV模式。
我手边开发板的Camera和S3C2440的接线原理图如下（对应camera中具体的信号名称参见前文的驱动整体架构图）。
注：GPG12用于PWEN信号



OV9650摄像头设置方法是通过SCCB总线设置
SCCB可以看作是一种简化的I2C总线，可以使用IO模拟SCCB时序。
（3）编写ARM测试代码测试camera功能
在Keil环境下编写一个测试代码完成从摄像头采集图像输出到液晶屏。下面列出程序的流程。



（4）编写测试代码过程中常见的问题
●    摄像头寄存器的配置
因为摄像头有很多寄存器，可能一下无法理解里面所有的配置含义，所以开始时希望得到一份可用的配置。但往往从别人的测试代码中拿到配置后，仍然无法使用。我这里列出几个可能的原因：（1）摄像头中的图像输出格式和你在camera控制器中设置的不一致，同一个摄像头可以设置多种输入格式，如：YCbYCr或CbYCrY。（2）图像输出的一些时序和你的camera控制器设置不一致，摄像头可以设置一些时序，如：图像数据在CAMPCLK的上升沿有效还是下降沿有效。（3）注意输出图像的格式和Framebuffer控制器的匹配，如字节顺序等问题。
●    Ov9650和ov9655的使用区别
这里主要列出两者之间在复位信号上有差别，ov9650是高电平复位，而ov9655是低电平复位。