Linux USB 驱动开发实例（一） —— USB摄像头驱动实现源码分析

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  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. };  

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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. }  

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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. }  

        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：

[cpp] view plain copy

 

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：

[cpp] view plain copy

 

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

[cpp] view plain copy

 

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 plain copy

 

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

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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。

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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）

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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. }

Linux USB 驱动开发实例（一） —— USB摄像头驱动实现源码分析

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原文地址：http://blog.csdn.net/qq_21593899/article/details/51726707