基于Android平臺的智能手持終端Camera模組驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與研究

摘要：為了實(shí)現(xiàn)多媒體數(shù)據(jù)采集和處理的需求，提出了一種基于android平臺和V4L2視頻采集接口的camera驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案，并完成了軟件設(shè)計(jì)。實(shí)際應(yīng)用表明，該驅(qū)動(dòng)架構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)和控制通信的通用性、標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)方便設(shè)備管理，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：設(shè)備驅(qū)動(dòng)；設(shè)計(jì)；V4L2；android

    隨著芯片集成和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，智能手持設(shè)備越來越廣泛的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。搭載著操作系統(tǒng)的智能手機(jī)更是集合了高端處理器芯片、嵌入式操作系統(tǒng)和現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)等前沿科技。主流高端嵌入式芯片無論是ARM架構(gòu)還是intel新推出的medfield，都在朝著SoC單片高集成、多核、低功耗發(fā)展。嵌入式操作系統(tǒng)也足漸形成symbian、android、windows phone、iOS分足鼎立。Camera作為智能手機(jī)的重要應(yīng)用，作為多媒體數(shù)據(jù)的獲取和處理的樞紐，功能日趨復(fù)雜化。文中通過分析android平臺下Camera模組的驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，深入介紹了android camera模塊的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。

1 Android Camera架構(gòu)分析
    Android camera架構(gòu)主要基于android系統(tǒng)本身的層次結(jié)構(gòu)，主要由應(yīng)用程序?qū)?CameraApp)、應(yīng)用程序框架層(CameraService)、硬件抽象層(CameraHal)、內(nèi)核驅(qū)動(dòng)層(CameraDriver)組成。Android發(fā)布版的Camera程序架構(gòu)分成客戶端和服務(wù)端兩個(gè)部分，建立在Android的進(jìn)程間通訊Binder的結(jié)構(gòu)上。運(yùn)行時(shí)環(huán)境是Camera應(yīng)用層通過JNI的本地調(diào)用部分。它通過google提供的java虛擬機(jī)dalvik使應(yīng)用層的java代碼可以與C++語言編寫的代碼進(jìn)行交互。Camem底層庫是Camera功能中實(shí)現(xiàn)Binder機(jī)制的接口類，對上層camera．a(chǎn)pk提供接口，具體功能由其子類實(shí)現(xiàn)，在Camera模塊中是libCameraservice．so。而真正CameraClient的功能實(shí)現(xiàn)是硬件抽象層庫Libcaemra．so通過調(diào)用底層驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。Camera具體層次架構(gòu)如圖1所示。

2 V4L2視頻采集驅(qū)動(dòng)接口
    Camera的硬件抽象層遵循V4L2接口系列規(guī)范，通過V4L2接口完成Camera的各項(xiàng)功能。V4L2是Linux中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)，是Alan CoX為了給Linux下視頻采集設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫提供同一的接口而提出的一套規(guī)范(API)。用于管理所有視頻采集設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，統(tǒng)一的驅(qū)動(dòng)接口使得軟件能夠較容易的訪問這些設(shè)備，給驅(qū)動(dòng)程序的編寫者提供了極大的方便。在手持終端的視頻采集模塊中得到了廣泛的應(yīng)用。
    V4L2驅(qū)動(dòng)框架的主要作用是對視頻數(shù)據(jù)的時(shí)序和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的內(nèi)存管理，并不直接和硬件打交道，控制硬件和獲得視頻數(shù)據(jù)需要借助I2C、PCI等驅(qū)動(dòng)來完成。它是一個(gè)雙層驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，上層為video device模塊，是注冊了設(shè)備功能函數(shù)的字符設(shè)備。下層為V4L2驅(qū)動(dòng)，利用video_register_ device()注冊V4L2驅(qū)動(dòng)和設(shè)備節(jié)點(diǎn)／dev／video，在open函數(shù)打開／dev／video后，對應(yīng)的對設(shè)備文件的操作則實(shí)際替換成由v4l2_ioctl_ ops結(jié)構(gòu)定義的各種V4L2的接口來完成。V4L2視頻采集流程如圖2所示。

3 Camera ISP驅(qū)動(dòng)和sensor驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
    本模塊完成了智能手持設(shè)備的雙sensor支持，包括帶有ISP的前置RAW sensor和簡單采集功能的后置SoC sensor．careera驅(qū)動(dòng)的主要功能封裝在ISP驅(qū)動(dòng)中，ISP驅(qū)動(dòng)向上層提供V4L2的調(diào)用接口，實(shí)際sensor作為v4l2_subdev，由ISP驅(qū)動(dòng)的v4l2_subdev_call接口與實(shí)際sensor驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。ISP掛接在PCI總線上，兩個(gè)sensor掛接在I2C總線上。
    ISP驅(qū)動(dòng)的核心結(jié)構(gòu)體為isp_device，它封裝了諸如pei_dev、device、v4l2-device、isp_sub_device等重要的結(jié)構(gòu)體。其中isp_sub_ device映射的是sensor，因?yàn)閟ensor是以v4l2_sub_device的方式完成與ISP進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制信息的交互的。ISP驅(qū)動(dòng)中通過自動(dòng)探測函數(shù)pei_register_driver()將完成了初始化的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)體注冊進(jìn)內(nèi)核。在probe函數(shù)中不僅需要有利用pci_enable_device()啟用設(shè)備等PCI驅(qū)動(dòng)的基本操作，還包括兩個(gè)重要的操作就是isp_initialize_modules和isp_register_entities。在這兩個(gè)函數(shù)中，完成對從作為v4l2_device的ISP設(shè)備到作為v4l2_sub_device的sensor的一系列的初始化。從而既實(shí)現(xiàn)了對上層V4L2接口的銜接，又可以利用V4L2規(guī)范中的sub_dev_ call完成與sensor的交互。
    Sensor驅(qū)動(dòng)的核心結(jié)構(gòu)體為sensor_device，它封裝了v4l2_sub_dev結(jié)構(gòu)體。用于實(shí)現(xiàn)與ISP的交互。在sensor驅(qū)動(dòng)中通過i2e_register_ driver()完成i2e_driver的注冊，并在probe函數(shù)中利用v4l2_i2c_subdev_init完成從i2c_client到v4l2_sub_dev的映射。并通過v4l2_sub dev_ops定義了相應(yīng)的操作。實(shí)現(xiàn)作為i2c設(shè)備的sensor通過sub_dev_call與上層驅(qū)動(dòng)交互的功能。

4 結(jié)束語
    文中對Android系統(tǒng)下的Camera模塊的架構(gòu)和模組的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入系統(tǒng)的分析，結(jié)合被手持設(shè)備廣泛應(yīng)用的V4L2視頻采集接口規(guī)范給出了完整的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，并介紹了分別基于PCI總線和I2C總線的Camera模組中的ISP驅(qū)動(dòng)和sensor驅(qū)動(dòng)，對于多媒體視頻采集需求場合中，視頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)或者其他相關(guān)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的開發(fā)有著一定的參考價(jià)值。