Linux USB 驱动开发实例（一） —— USB摄像头驱动实现源码...

TONY-NING

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：

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

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2、模块卸载：

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

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关键数据结构 USB驱动结构，即插即用功能的实现

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. };

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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：

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.     memset (spca50x, 0, sizeof (struct usb_spca50x));     
    
22.     spca50x->dev = dev;      
    
23.     spca50x->iface = interface->bInterfaceNumber;      
    
24.     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）         
    
25.     {         
    
26.         err (" Devices not found !! ");         
    
27.         goto error;      
    
28.     }      
    
29.     PDEBUG (0, "Camera type %s ", Plist[spca50x->cameratype].name)  
    
30.     for (i = 0; i < SPCA50X_NUMFRAMES; i++)        
    
31.         init_waitqueue_head (&spca50x->frame[i].wq);     //初始化帧等待队列      
    
32.         init_waitqueue_head (&spca50x->wq);            //初始化驱动等待队列
    
33.     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      
    
34.     {         
    
35.         spca50x->user = 0;         
    
36.         init_MUTEX (&spca50x->lock);                  //信号量初始化         
    
37.         init_MUTEX (&spca50x->buf_lock);         
    
38.         spca50x->v4l_lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;         
    
39.         spca50x->buf_state = BUF_NOT_ALLOCATED;      
    
40.     }                                      
    
41.     else      
    
42.     {  
    
43.         err ("Failed to configure camera");         
    
44.             goto error;      
    
45.     }
    
46.     /* Init video stuff */
    
47.     spca50x->vdev = video_device_alloc ();           //设备控制块内存分配     
    
48.     if (!spca50x->vdev)      
    
49.         goto error;  
    
50.     memcpy (spca50x->vdev, &spca50x_template, sizeof (spca50x_template));   
    
51.     //系统调用的挂接，在此将驱动实现的系统调用，挂到内核中     
    
52.     video_set_drvdata (spca50x->vdev, spca50x);
    
53.         if (video_register_device (spca50x->vdev, VFL_TYPE_GRABBER, video_nr) < 0)      
    
54.     {                                             
    
55.     //video设备注册         
    
56.         err ("video_register_device failed");         
    
57.         goto error;      
    
58.     }
    
59.     spca50x->present = 1;     
    
60.     if (spca50x->force_rgb)
    
61.         info ("data format set to RGB");     
    
62.     spca50x->task.sync = 0;
    
63.     spca50x->task.routine = auto_bh;     
    
64.     spca50x->task.data = spca50x;     
    
65.     spca50x->bh_requested = 0;
    
66.     MOD_DEC_USE_COUNT; //增加模块使用数     
    
67.     return spca50x; //返回数剧结构   
    
68. error://错误处理     
    
69.     if (spca50x->vdev)      
    
70.     {
    
71.         if (spca50x->vdev->minor == -1)
    
72.             videodevice_release (spca50x->vdev);         
    
73.         else
    
74.             video_unregister_device (spca50x->vdev);         
    
75.         spca50x->vdev = NULL;      
    
76.     }
    
77.     if (spca50x)      
    
78.     {
    
79.         kfree (spca50x);         
    
80.         spca50x = NULL;      
    
81.     }
    
82.     MOD_DEC_USE_COUNT;     
    
83.     return NULL;   
    
84. nodevice:
    
85.     return NULL;   
    
86. }  
    

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b -- Spca5xx_disconnect 的具体实现如下：

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.      for (n = 0; n < SPCA50X_NUMFRAMES; n++)       //唤醒所有等待进程      
    
16.     {  
    
17.         if (waitqueue_active (&spca50x->frame[n].wq))         
    
18.             wake_up_interruptible (&spca50x->frame[n].wq);
    
19.         if (waitqueue_active (&spca50x->wq))         
    
20.             wake_up_interruptible (&spca50x->wq);      
    
21.     }  
    
22.     spca5xx_kill_isoc(spca50x);  //子函数终止URB包的传输     
    
23.     PDEBUG (3,"Disconnect Kill isoc done");      
    
24.     up (&spca50x->lock);  //增加信号量      
    
25.     while(spca50x->user) /如果还有进程在使用，进程切换         
    
26.         schedule();        
    
27.     down (&spca50x->lock);      
    
28.     if (spca50x->vdev)   
    
29.     {         
    
30.         video_unregister_device (spca50x->vdev);   //注销video设备      
    
31.         usb_driver_release_interface (&spca5xx_driver,&spca50x->dev->actconfig->interface[spca50x->iface]); //端口释放         
    
32.         spca50x->dev = NULL;         
    
33.     }  
    
34.     up (&spca50x->lock);   
    
35. #ifdef CONFIG_PROC_FS         
    
36.     destroy_proc_spca50x_cam (spca50x); //注销PROC文件   
    
37. #endif /* CONFIG_PROC_FS */
    
38.     if (spca50x && !spca50x->user)                      //释放内存空间         
    
39.     {            
    
40.         spca5xx_dealloc (spca50x);            
    
41.         kfree (spca50x);            
    
42.         spca50x = NULL;         
    
43.     }      
    
44.     MOD_DEC_USE_COUNT;                              //减少模块记数     
    
45.     PDEBUG (3, "Disconnect complete");   
    
46. }  
    

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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：

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. };   

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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：

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. }  

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2.Close功能
完成设备的关闭，其具体过程是：

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. }   

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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

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. }  

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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：

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. }

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5、Ioctl功能：  
实现文件信息的获取功能

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. }   

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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。

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. }  

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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）

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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转自博客，博主zqixiao_09