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Linux系統(tǒng)下USB攝像頭驅動開發(fā)

時間:2023-02-20 23:33:22 電子通信論文 我要投稿
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Linux系統(tǒng)下USB攝像頭驅動開發(fā)

摘要:介紹了在Iinux系統(tǒng)下開發(fā)符合Video for Linux標準的USB攝像頭驅動的方法,并對該標準提出“不間斷采集”的改進思路,配合雙URB、雙幀緩沖等方法,提高采集速度。

    關鍵詞:Linux設備驅動 USB攝像頭 Video for Linux 不間斷采集

USB攝像頭以其良好的性能和低廉的價格得到廣泛應用。同時因其靈活、方便的特性,易于集成到嵌入式系統(tǒng)中。但是如果使用現(xiàn)有的符合Video for Linux標準的驅動程序配合通用應用程序,難以充分利用USB帶寬,幀速不高,不易滿足實時監(jiān)控等要求。本文首先介紹在Linux系統(tǒng)下USB攝像頭驅動編制的一般方法,然后說明在此基礎上如何提高幀速。

1 Linux系統(tǒng)中的USB攝像頭驅動程序

USB設備驅動程序完全符合通用設備驅動的準則,不同的是內核提供了一些特別的API函數(shù),方便驅動注冊、銷毀自己,例如usb_reSister()和usb_dereSister();2.4版的內核還提供了對于hotplug的支持。

1.1 USB攝像頭驅動的一般編寫方法

攝像頭屬于視頻類設備。在目前的Linux核心中,視頻部分的標準是Video for Linux(簡稱V4L)。這個標準其實定義了一套接口,內核、驅動、應用程序以這個接口為標準進行交流。目前的V4L涵蓋了視、音頻流捕捉及處理等內容,USB攝像頭也屬于它支持的范疇。

因此,USB攝像頭的驅動應當與內核提供的視頻驅動掛鉤。即首先在驅動中聲明一個video_device結構,并為其指定文件操作函數(shù)指針數(shù)組.fops,向系統(tǒng)注冊。在應用程序發(fā)出文件操作的相關命令時,核心根據(jù)這些指針調用相應函數(shù),并將該結構作為參數(shù)傳遞給它們。這樣,就完成了驅動和核心之間的通信。例如:(范文先生網www.gymyzhishaji.com收集整理)

static struct video_device vdev_template={……};

//聲明video_device,指出掛接驅動

static struct file_operations ov511_fops={……};

//聲明本驅動的文件操作函數(shù)指針

struct video_device*vdev=video_devdata(file);

//從文件指針中提取出video_device結構

在video_device結構中,有一個私有指針priv,可以將它指向一塊保留內存。在這塊內存中,保存著本驅動、本設備的相關初始化信息。這塊內存的申請、初始化、指針指向等工作都是在USB驅動的枚舉函數(shù).probe中完成。這樣,在枚舉函數(shù)將控制權返還給系統(tǒng)后,因為內核不銷毀保留內存,所以驅動仍然保留著自己的信息。這點與Windows系統(tǒng)中WDM驅動有異曲同工之處。當然,在驅動卸載函數(shù)中,應當將申請的各塊內存全部釋放。

1.2 使用雙URB輪流通信

眾所周知,USBl.1總線標準定義了控制、中斷、批量、等時等四種管道。對于時間性極強但是準確度要求不高的視頻捕捉應用來說,攝像頭應當使用等時傳輸方式。為了盡可能快地得到圖像數(shù)據(jù),應當在URB中指定USB_ISO_ASAP標志。

urb->transfer_flags=USB_ISO_ASAP;//盡可能快地發(fā)出本URB

Linux系統(tǒng)中任何USB傳輸都通過URB實現(xiàn)。為提高速度,可以考慮擴大URB的緩沖,這樣可以降低每個USB事務中握手信息所占比例,提高有效數(shù)據(jù)的傳輸速度。但是受限于總線帶寬和具體的USB設備芯片,單純擴大URB的緩沖不能無限制地解決問題。具體分析一下USB傳輸在操作系統(tǒng)中的實現(xiàn):每次傳輸都要包括URB的建立、發(fā)出、回收、數(shù)據(jù)整理等階段,這些時間不產生有效數(shù)據(jù)。因此可以建立兩個URB,在等待一個URB被回收時,也就是圖像正在被傳感器采集時,處理、初始化另一個URB,并在回收后立刻將其發(fā)出。兩個URB交替使用,大大減少了額外時間。工作流程如圖1所示。

這個過程是在URB的完成例程中實現(xiàn)的,有兩點需要注意:首先處理再次初始化的代碼時間不能長,否則會造成完成例程的重人,如果確實來不及,可以在完成例程中設定標志,例如“數(shù)據(jù)采集好”旗語,由應用程序使用阻塞ioctl()來查詢該旗語并做處理;其次由于CPU可能會在完成例程中停留較長時間,系統(tǒng)負擔較大,可以在.open函數(shù)中初始化兩個URB并將其發(fā)出,有限度地減輕系統(tǒng)負擔。

1.3 使用雙幀緩沖提高效率

Linux系統(tǒng)中,文件操作通常是由read、write等系統(tǒng)調用來完成。這些系統(tǒng)調用在驅動中的解決方法就是用copy_to_u

ser()、copy_from_user()等函數(shù)在核態(tài)、戶態(tài)內存空間中互相拷貝。但是對于大批量的圖像數(shù)據(jù),采用拷貝的方法顯然會增加時間開銷,因此用內存映射的方法解決。首先使用vmalloc()申請足夠大的核態(tài)內存,將其作為圖像數(shù)據(jù)緩沖空間,兩個URB帶回的圖像數(shù)據(jù)在這里暫存;然后使用remap_page_range()函數(shù)將其逐頁映射到用戶空間中。戶態(tài)的圖像處理程序使用mmap()函數(shù),直接讀寫核態(tài)圖像緩沖內存,大大減少額外開銷。

圖2

    圖像數(shù)據(jù)的處理可能要花費比較長的時間,不同的算法對于數(shù)據(jù)保留時間的要求也不一樣。因此可以申請兩幀圖像緩沖,在處理一幀圖像的同時,將兩個URB帶回的數(shù)據(jù)全部填充到另一幀緩沖中,這樣可以免去時間沖突上的麻煩。

值得注意的是:這種方法要求時刻持有當前幀的序號、每一幀的起始地址等信息,不能將兩幀圖像混淆。這些信息可以保存在保留內存中,當前幀的數(shù)據(jù)整理、序號改變在URB完成例程中實現(xiàn)。

2 V4L標準的改進

V4L標準目前已經發(fā)展到第二版V4L2,其基本思路與V4L相同。

2.1 標準分析

根據(jù)V4L標準,戶態(tài)程序在需要一幀圖像時,CPU的走向如圖2。CPU按照123456的順序完成一個循環(huán)。在這里,有一個細節(jié)被忽略:在完成例程中,也就是圖2中步驟6,該URB被立刻發(fā)出,但是由于這時用戶程序正在阻塞等待,沒辦法再次提出獲得圖像的申請,因此在判斷有無新請求時,判斷的結果必然是當前無請求,導致下一個URB帶回的數(shù)據(jù)被驅動丟棄;由于核態(tài)、戶態(tài)的切換需要一定的時間,加上戶態(tài)多進程同步等開銷,等到應用程序能夠再次發(fā)出獲得一副圖像的申請時,已經有不止一個URB帶回的數(shù)據(jù)被丟棄掉,這些URB包含的數(shù)據(jù)正好是新一幀圖像的開始部分。因此驅動必須等到再下一幀圖像才能保存數(shù)據(jù)、緩沖。這樣憑白損失了一幀圖像,幀速最少下降一半。

2.2 改進思路:不間斷采集

為了解決這個問題,可以改進V4L標準作,使其增加新的功能:通過新的參數(shù),讓ioetl()函數(shù)通知驅動不間斷采集、緩沖圖像數(shù)據(jù),輪流保存在兩幀緩沖區(qū)中,并在一幀圖像采集好后,設定“圖像采集好”旗語。戶態(tài)程序只需要發(fā)出一次“獲得圖像”請求,就可以通過阻塞等待該旗語,不斷獲得圖像。在采集結束后,再次通過新的參數(shù),讓驅動停止緩沖即可。CPU工作流程圖如圖3。

圖3

    注意到圖2、圖3,兩種“判斷有無新請求”的不同,即可發(fā)現(xiàn)新方法假定一直有請求,因此不丟棄每個URB帶回的數(shù)據(jù),輪流保存在兩個幀緩沖內。

V4L已經作為約定俗成的標準被內核支持,因此如果使用全新的參數(shù),工作量將相當巨大,并且不能和現(xiàn)有的應用程序兼容?紤]到現(xiàn)有的圖像采集應用程序使用VIDIOCMCAPTURE作為參數(shù),并提供幀序號,要求驅動將圖像保存到指定序號的幀緩沖內。由于驅動通常僅僅提供幾幀緩沖,因此該序號不會大于某個數(shù)字,如10。因此可以繼續(xù)使用VIDIOCMCAPTURE參數(shù),搭配較大的序號來表示新增的功能,例如用10000和10001來分別表示開始和停止緩沖圖像數(shù)據(jù)的要求。驅動在收到VIDIOCMCAPTURE要求后,檢查這個序號。如果小于10000,則按照正常的方法處理,否則按照改進方法。這種思路可以有效解決兼容性問題。

2.3 實驗結果

在賽揚366、USBl.1接口的計算機平臺上,采用上述不間斷采集改進V4L標準,配合雙URB、雙幀緩沖等方法后,幀速提高兩倍有余,有效數(shù)據(jù)傳輸速度達960KB/s,接近等時傳輸方式下USB總線的帶寬極限。


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