基于Linux操作系統的視頻采集卡驅動(dòng)程序設計

1 引言

Linux 操作系統以其本身強大的性能、卓越的穩定性和開(kāi)放源代碼的優(yōu)點(diǎn)正在得到越來(lái)越廣泛的應用。設備驅動(dòng)程序在linux內核中扮演著(zhù)特殊的角色，它們是一個(gè)個(gè)獨立的“黑盒子”，使得特定的硬件響應一個(gè)定義良好的內部編程接口，這些接口完全隱藏了設備的工作細節。用戶(hù)的操作通過(guò)一組標準化的調用執行，而這些調用獨立于特定的驅動(dòng)程序。將這些調用映射到作用于實(shí)際硬件的設備特有操作上，則是驅動(dòng)程序的任務(wù)[1]。

本文撰寫(xiě)的背景是源于我們自己開(kāi)發(fā)的CDMA無(wú)線(xiàn)視頻傳輸系統，該傳輸系統的視頻采集模塊使用Philip SAA7146+ SAA7111a，本文主要介紹linux環(huán)境下視頻采集設備驅動(dòng)程序的編寫(xiě)。

2 采集芯片簡(jiǎn)介[2][3]

開(kāi)發(fā)驅動(dòng)程序的第一步就是詳細了解硬件設備的規格，這樣才能具體操縱硬件，實(shí)現硬件特定的操作，因此首先介紹一下Philip SAA7146及7111A芯片。

Philip SAA7146是PCI總線(xiàn)控制設備，它負責初始化并處理PCI總線(xiàn)上的數據傳輸，在這個(gè)意義上說(shuō)它是主設備；而7111a是從設備，它只是所謂的視頻解碼器，負責將模擬視頻信號解碼為數字比特流。對于后者，只需要通過(guò)I2C總線(xiàn)進(jìn)行編程，而不必直接控制該設備。它并不具有總線(xiàn)控制能力，因此不能在PCI 總線(xiàn)上找到它。因此7111a并不需要專(zhuān)門(mén)的驅動(dòng)程序，它是通過(guò)主控芯片（SAA7146）經(jīng)由I2C總線(xiàn)來(lái)驅動(dòng)的，我們只需要編寫(xiě)主控芯片的驅動(dòng)程序即可。

3 V4L規范[4]

V4L與V4L2是Linux下開(kāi)發(fā)視頻采集設備驅動(dòng)程序的一套規范，這套規范使用分層的方法給驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)提供了清晰的模型和一致的接口。應用程序處于最上層，V4L或V4L2處于中間層，而實(shí)際的硬件設備處于下層。

3.1 V4L

V4L是Video for Linux的簡(jiǎn)寫(xiě)，它是Alan Cox為了給Linux下視頻采集設備驅動(dòng)程序的編寫(xiě)提供統一的接口而提出的一套規范（API），它將所有的視頻采集設備的驅動(dòng)程序都納入它的管理之中，給驅動(dòng)程序編寫(xiě)者帶來(lái)極大的方便。

3.2 V4L2

鑒于V4L的種種不足，Bill Dirks重新設計了一套API和數據結構，并把它稱(chēng)作Video for Linux Two（V4L2）。與V4L相比，它的擴展性和靈活性都得到了極大的提高，并且支持的硬件設備也更多。但是也由于它對V4L做了徹底的改造，使得它與 V4L并不兼容。

V4L2是一個(gè)兩層驅動(dòng)結構：上層是videodev模塊，當videodev初始化后，它把自己注冊一個(gè)主設備號為81的字符設備，同時(shí)注冊自己的字符驅動(dòng)成員函數；下層是V4L2驅動(dòng)程序，它實(shí)際上是videodev的客戶(hù)端，videodev通過(guò)V4L2驅動(dòng)程序的成員函數來(lái)調用V4L2驅動(dòng)程序。當V4L2驅動(dòng)程序初始化后，它把一個(gè)包含V4L2 驅動(dòng)程序成員函數，次設備號以及其他相關(guān)信息的結構傳遞給videodev，從而把它要處理的設備注冊到videodev。當應用程序觸發(fā)了一個(gè)驅動(dòng)程序調用時(shí)，控制權首先傳遞給videodev中的函數，videodev負責將應用程序傳遞的文件或i節點(diǎn)結構指針轉化為相應V4L2結構的指針，并調用 V4L2驅動(dòng)中的處理函數。

當V4L2驅動(dòng)程序初始化時(shí)候，它首先會(huì )枚舉它將處理的系統中的設備，然后為每個(gè)設備填充struct v4l2_device結構，并把指向該結構的指針傳遞給v4l2_register _device ()函數，該函數調用v4l2_device結構中的初始化函數對設備進(jìn)行初始化。

Struct v4l2_device結構中的主要域說(shuō)明如下：

Char name[32]：設備的名字，該名字會(huì )出現在/proc/Videodev文件中；

Int type：V4L2設備類(lèi)型；

Int minor：設備得次設備號；

Int（*open）（）：當打開(kāi)新的文件描述符時(shí)調用；

Int（*close）（）：當關(guān)閉文件描述符時(shí)調用；

Int（*read）（）：調用read()；

Int（*write）（）：調用write（）；

Int（*ioctl）（）：調用ioctl（）；

Int（*mmap）（）：調用mmap（）；

Int（*poll）（）：調用select（）；

Int（*initialize）（）：當設備注冊時(shí)調用；

Int busy：設備的打開(kāi)計數，由videodev維護；

設備通過(guò)函數v4l2_unregister_device()取消注冊；V4L2允許設備多次打開(kāi)，上面的v4l2_device結構中的成員函數都具有一個(gè)id參數，該參數可以把設備的多次打開(kāi)區分開(kāi)來(lái)。

4 采集卡驅動(dòng)程序的基本結構及實(shí)現

4.1 驅動(dòng)程序基本結構

整個(gè)驅動(dòng)程序分為三層：

模塊Saa7146_v4l2直接操作硬件設備，它主要提供基于SAA7146芯片的采集設備的核心功能，也可將其稱(chēng)作核心驅動(dòng)程序；同時(shí)驅動(dòng)程序還提供了擴展機制，用于擴充核心驅動(dòng)程序的功能，這樣做的好處就是可以在extension模塊當中實(shí)現自己想要的附加功能，而不用修改核心部分。顯然，該擴展模塊也對硬件設備具有完全的控制權。