来源：电子技术应用  作者：南京大学电子科学与工程系 王 滔 于 洁
摘要：介绍了在Iinux系统下开发符合Video for Linux标准的USB摄像头驱动的方法，并对该标准提出“不间断采集”的改进思路，配合双URB、双帧缓冲等方法，提高采集速度。

    关键词：Linux设备驱动 USB摄像头 Video for Linux 不间断采集

USB 摄像头以其良好的性能和低廉的价格得到广泛应用。同时因其灵活、方便的特性，易于集成到嵌入式系统中。但是如果使用现有的符合Video& nbspfor Linux标准的驱动程序配合通用应用程序，难以充分利用USB带宽，帧速不高，不易满足实时监控等要求。本文首先介绍在Linux系统下USB摄像头驱动编制的一般方法，然后说明在此基础上如何提高帧速。

1 Linux系统中的USB摄像头驱动程序

USB设备驱动程序完全符合通用设备驱动的准则，不同的是内核提供了一些特别的API函数，方便驱动注册、销毁自己，例如usb_reSister()和usb_dereSister()；2．4版的内核还提供了对于hotplug的支持。

1．1 USB摄像头驱动的一般编写方法

摄像头属于视频类设备。在目前的Linux核心中，视频部分的标准是Video for Linux(简称V4L)。这个标准其实定义了一套接口，内核、驱动、应用程序以这个接口为标准进行交流。目前的V4L涵盖了视、音频流捕捉及处理等内容，USB摄像头也属于它支持的范畴。

因此，USB摄像头的驱动应当与内核提供的视频驱动挂钩。即首先在驱动中声明一个video_device结构，并为其指定文件操作函数指针数组．fops，向系统注册。在应用程序发出文件操作的相关命令时，核心根据这些指针调用相应函数，并将该结构作为参数传递给它们。这样，就完成了驱动和核心之间的通信。例如：

static struct video_device vdev_template＝{……}；

／／声明video_device，指出挂接驱动

static struct file_operations ov511_fops＝{……}；

／／声明本驱动的文件操作函数指针

struct video_device*vdev＝video_devdata(file)；

／／从文件指针中提取出video_device结构

在video_device 结构中，有一个私有指针priv，可以将它指向一块保留内存。在这块内存中，保存着本驱动、本设备的相关初始化信息。这块内存的申请、初始化、指针指向等工作都是在USB驱动的枚举函数.probe中完成。这样，在枚举函数将控制权返还给系统后，因为内核不销毁保留内存，所以驱动仍然保留着自己的信息。这点与Windows系统中WDM驱动有异曲同工之处。当然，在驱动卸载函数中，应当将申请的各块内存全部释放。

1．2 使用双URB轮流通信

众所周知，USBl．1总线标准定义了控制、中断、批量、等时等四种管道。对于时间性极强但是准确度要求不高的视频捕捉应用来说，摄像头应当使用等时传输方式。为了尽可能快地得到图像数据，应当在URB中指定USB_ISO_ASAP标志。

urb->transfer_flags＝USB_ISO_ASAP；／／尽可能快地发出本URB

Linux 系统中任何USB传输都通过URB实现。为提高速度，可以考虑扩大URB的缓冲，这样可以降低每个USB事务中握手信息所占比例，提高有效数据的传输速度。但是受限于总线带宽和具体的USB设备芯片，单纯扩大URB的缓冲不能无限制地解决问题。具体分析一下USB传输在操作系统中的实现：每次传输都要包括URB的建立、发出、回收、数据整理等阶段，这些时间不产生有效数据。因此可以建立两个URB，在等待一个URB被回收时，也就是图像正在被传感器采集时，处理、初始化另一个URB，并在回收后立刻将其发出。两个URB交替使用，大大减少了额外时间。工作流程如图1所示。

这个过程是在 URB的完成例程中实现的，有两点需要注意：首先处理再次初始化的代码时间不能长，否则会造成完成例程的重人，如果确实来不及，可以在完成例程中设定标志，例如“数据采集好”旗语，由应用程序使用阻塞ioctl()来查询该旗语并做处理；其次由于CPU可能会在完成例程中停留较长时间，系统负担较大，可以在．open函数中初始化两个URB并将其发出，有限度地减轻系统负担。

1．3 使用双帧缓冲提高效率

Linux系统中，文件操作通常是由read、write等系统调用来完成。这些系统调用在驱动中的解决方法就是用copy_to_user()、 copy_from_user()等函数在核态、户态内存空间中互相拷贝。但是对于大批量的图像数据，采用拷贝的方法显然会增加时间开销，因此用内存映射的方法解决。首先使用vmalloc()申请足够大的核态内存，将其作为图像数据缓冲空间，两个URB带回的图像数据在这里暂存；然后使用 remap_page_range()函数将其逐页映射到用户空间中。户态的图像处理程序使用mmap()函数，直接读写核态图像缓冲内存，大大减少额外开销。

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    关键词：Linux设备驱动 USB摄像头 Video for Linux 不间断采集

USB 摄像头以其良好的性能和低廉的价格得到广泛应用。同时因其灵活、方便的特性，易于集成到嵌入式系统中。但是如果使用现有的符合Video& nbspfor Linux标准的驱动程序配合通用应用程序，难以充分利用USB带宽，帧速不高，不易满足实时监控等要求。本文首先介绍在Linux系统下USB摄像头驱动编制的一般方法，然后说明在此基础上如何提高帧速。

1 Linux系统中的USB摄像头驱动程序

USB设备驱动程序完全符合通用设备驱动的准则，不同的是内核提供了一些特别的API函数，方便驱动注册、销毁自己，例如usb_reSister()和usb_dereSister()；2．4版的内核还提供了对于hotplug的支持。

1．1 USB摄像头驱动的一般编写方法

摄像头属于视频类设备。在目前的Linux核心中，视频部分的标准是Video for Linux(简称V4L)。这个标准其实定义了一套接口，内核、驱动、应用程序以这个接口为标准进行交流。目前的V4L涵盖了视、音频流捕捉及处理等内容，USB摄像头也属于它支持的范畴。

因此，USB摄像头的驱动应当与内核提供的视频驱动挂钩。即首先在驱动中声明一个video_device结构，并为其指定文件操作函数指针数组．fops，向系统注册。在应用程序发出文件操作的相关命令时，核心根据这些指针调用相应函数，并将该结构作为参数传递给它们。这样，就完成了驱动和核心之间的通信。例如：

static struct video_device vdev_template＝{……}；

／／声明video_device，指出挂接驱动

static struct file_operations ov511_fops＝{……}；

／／声明本驱动的文件操作函数指针

struct video_device*vdev＝video_devdata(file)；

／／从文件指针中提取出video_device结构

在video_device 结构中，有一个私有指针priv，可以将它指向一块保留内存。在这块内存中，保存着本驱动、本设备的相关初始化信息。这块内存的申请、初始化、指针指向等工作都是在USB驱动的枚举函数.probe中完成。这样，在枚举函数将控制权返还给系统后，因为内核不销毁保留内存，所以驱动仍然保留着自己的信息。这点与Windows系统中WDM驱动有异曲同工之处。当然，在驱动卸载函数中，应当将申请的各块内存全部释放。

1．2 使用双URB轮流通信

众所周知，USBl．1总线标准定义了控制、中断、批量、等时等四种管道。对于时间性极强但是准确度要求不高的视频捕捉应用来说，摄像头应当使用等时传输方式。为了尽可能快地得到图像数据，应当在URB中指定USB_ISO_ASAP标志。

urb->transfer_flags＝USB_ISO_ASAP；／／尽可能快地发出本URB

Linux 系统中任何USB传输都通过URB实现。为提高速度，可以考虑扩大URB的缓冲，这样可以降低每个USB事务中握手信息所占比例，提高有效数据的传输速度。但是受限于总线带宽和具体的USB设备芯片，单纯扩大URB的缓冲不能无限制地解决问题。具体分析一下USB传输在操作系统中的实现：每次传输都要包括URB的建立、发出、回收、数据整理等阶段，这些时间不产生有效数据。因此可以建立两个URB，在等待一个URB被回收时，也就是图像正在被传感器采集时，处理、初始化另一个URB，并在回收后立刻将其发出。两个URB交替使用，大大减少了额外时间。工作流程如图1所示。

这个过程是在 URB的完成例程中实现的，有两点需要注意：首先处理再次初始化的代码时间不能长，否则会造成完成例程的重人，如果确实来不及，可以在完成例程中设定标志，例如“数据采集好”旗语，由应用程序使用阻塞ioctl()来查询该旗语并做处理；其次由于CPU可能会在完成例程中停留较长时间，系统负担较大，可以在．open函数中初始化两个URB并将其发出，有限度地减轻系统负担。

1．3 使用双帧缓冲提高效率

Linux系统中，文件操作通常是由read、write等系统调用来完成。这些系统调用在驱动中的解决方法就是用copy_to_user()、 copy_from_user()等函数在核态、户态内存空间中互相拷贝。但是对于大批量的图像数据，采用拷贝的方法显然会增加时间开销，因此用内存映射的方法解决。首先使用vmalloc()申请足够大的核态内存，将其作为图像数据缓冲空间，两个URB带回的图像数据在这里暂存；然后使用 remap_page_range()函数将其逐页映射到用户空间中。户态的图像处理程序使用mmap()函数，直接读写核态图像缓冲内存，大大减少额外开销。

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注意到图2、图3，两种“判断有无新请求”的不同，即可发现新方法假定一直有请求，因此不丢弃每个URB带回的数据，轮流保存在两个帧缓冲内。

V4L 已经作为约定俗成的标准被内核支持，因此如果使用全新的参数，工作量将相当巨大，并且不能和现有的应用程序兼容。考虑到现有的图像采集应用程序使用 VIDIOCMCAPTURE作为参数，并提供帧序号，要求驱动将图像保存到指定序号的帧缓冲内。由于驱动通常仅仅提供几帧缓冲，因此该序号不会大于某个数字，如10。因此可以继续使用VIDIOCMCAPTURE参数，搭配较大的序号来表示新增的功能，例如用10000和10001来分别表示开始和停止缓冲图像数据的要求。驱动在收到VIDIOCMCAPTURE要求后，检查这个序号。如果小于10000，则按照正常的方法处理，否则按照改进方法。这种思路可以有效解决兼容性问题。

2．3 实验结果

在赛扬366、USBl．1接口的计算机平台上，采用上述不间断采集改进V4L标准，配合双URB、双帧缓冲等方法后，帧速提高两倍有余，有效数据传输速度达960KB／s，接近等时传输方式下USB总线的带宽极限。