??? 摘 要： 介紹了在Linux系統下開發符合Video for Linux標準的USB攝像頭驅動" title="攝像頭驅動">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
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??? 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中。但是如果使用現有的符合Video for Linux標準的驅動程序配合通用應用程序" title="應用程序">應用程序，難以充分利用USB帶寬，幀速不高，不易滿足實時監控等要求。本文首先介紹在Linux系統下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，方便驅動注冊、銷毀自己，例如usb_register()和usb_deregister()；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指針數組 .fops ，向系統注冊。在應用程序發出文件操作的相關命令時，核心根據這些指針調用相應函數，并將該結構作為參數傳遞給它們。這樣，就完成了驅動和核心之間的通信。例如：
??? 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.probe中完成。這樣，在枚舉函數將控制權返還給系統后，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系統中WDM驅動有異曲同工之處。當然，在驅動卸載函數中，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，USB1.1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據" title="圖像數據">圖像數據，應當在URB中指定USB_ISO_ASAP標志。
??? urb->transfer_flags = USB_ISO_ASAP;?//盡可能快地發出本URB
??? Linux系統中任何USB傳輸都通過URB實現。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，提高有效數據的傳輸速度。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傳輸在操作系統中的實現：每次傳輸都要包括URB的建立、發出、回收、數據整理等階段，這些時間不產生有效數據。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" title="例程">例程中實現的，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入，如果確實來不及，可以在完成例程中設定標志，例如“數據采集好”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，系統負擔較大，可以在 .open 函數中初始化兩個URB并將其發出，有限度地減輕系統負擔。
1.3?使用雙幀緩沖提高效率
??? Linux系統中，文件操作通常是由read、write等系統調用來完成。這些系統調用在驅動中的解決方法就是用copy_to_user() 、copy_from_user() 等函數在核態、戶態內存空間中互相拷貝。但是對于大批量的圖像數據，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()申請足夠大的核態內存，將其作為圖像數據緩沖空間，兩個URB帶回的圖像數據在這里暫存；然后使用remap_page_range() 函數將其逐頁映射到用戶空間中。戶態的圖像處理程序使用mmap() 函數，直接讀寫核態圖像緩沖內存，大大減少額外開銷。
??? 圖像數據的處理可能要花費比較長的時間，不同的算法對于數據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帶回的數據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，當前幀的數據整理、序號改變在URB完成例程中實現。
2 V4L標準的改進
??? V4L標準目前已經發展到第二版V4L2，其基本思路與V4L相同。
2.1?標準分析
??? 根據V4L標準，戶態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。在這里，有一個細節被忽略：在完成例程中，也就是圖2中步驟6，該URB被立刻發出，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帶回的數據被驅動丟棄；由于核態、戶態的切換需要一定的時間，加上戶態多進程同步等開銷，等到應用程序能夠再次發出獲得一副圖像的申請時，已經有不止一個URB帶回的數據被丟棄掉，這些URB包含的數據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據、緩沖。這樣憑白損失了一幀圖像，幀速最少下降一半。
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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，讓ioctl()函數通知驅動不間斷采集、緩沖圖像數據，輪流保存在兩幀緩沖區中，并在一幀圖像采集" title="圖像采集">圖像采集好后，設定“圖像采集好”旗語。戶態程序只需要發出一次“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，讓驅動停止緩沖即可。CPU工作流程圖如圖3。
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??? 注意到圖2、圖3，兩種“判斷有無新請求”的不同，即可發現新方法假定一直有請求，因此不丟棄每個URB帶回的數據，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，工作量將相當巨大，并且不能和現有的應用程序兼容。考慮到現有的圖像采集應用程序使用VIDIOCMCAPTURE作為參數，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字，如10。因此可以繼續使用VIDIOCMCAPTURE參數，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據的要求。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、USB1.1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，有效數據傳輸速度達960KB/s，接近等時傳輸方式下USB總線的帶寬極限。
參考文獻
1 O’Reilly & Associates,Inc. Linux Device Drivers. Second? edition.2001
2 O’Reilly & Associates,Inc. Understanding the Linux Kernel.2000
3 Detlef Fliegl. Programming Guid for Linux USB Device Drivers.2000
4 OmniVision Tecnologies,Inc. OV511＋Data Sheet. 2000