Linux ARM平台开发系列讲解（摄像头V4L2子系统） 2.12.7 摄像头V4L2驱动开发流程总结

郝春妮

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2022-07-18

1. 概述

前几章对摄像头V4L2驱动开发各个环节做了展开分析，这一章节就做一个汇总，用来回顾前几章得知识点，概括一下摄像头开发得流程，本次使用RK3399。

2. Sensor Sub-device 开发移植

Sensor 驱动位于 drivers/media/i2c 目录下，注意到本章节所描述的是具有 media controller 属性的 sensor 驱动， 故 drivers/media/i2c/soc_camera 目录下的驱动并不适用。

在 Media Controller 结构下， Sensor 一般作为 sub-device 并通过 pad 与 cif、isp 或者 mipi phy 链接在一起。本章主要介绍 Sensor 驱动的代码[1]， dts 配置，及如何验证 sensor 驱动 的正确性。

本章将 Sensor 驱动的开发移植概括为 5 个部分

  • 按照 datasheet 编写上电时序， 主要包括 vdd，reset，powerdown，clk 等。
  • 配置 sensor 的寄存器以输出所需的分辨率、格式。
  • 编写 struct v4l2_subdev_ops 所需要的回调函数，一般包括 set_fmt，get_fmt， ov5695_s_stream
  • 增加 v4l2 controller 用来设置如 fps，exposure，gain，test pattern
  • 编写.probe()函数，并添加 media control 及 v4l2 sub device 初始化代码 作为良好的习惯，完成驱动编码后，也需要增加相应的 Documentation，可以参考 Documentation/devicetree/bindings/media/i2c/。这样板级 dts 可以根据该文档快速配置。

在板级 dts 中，引用 Sensor 驱动，一般需要

  • 配置正确的 clk，io mux
  • 根据原理图设置上电时序所需要的 regulator 及 gpio
  • 增加 port 子节点，与 cif 或者 isp 建立连接

本章以 ov13850 为例，简单分析 Sensor 驱动。

3. 上电时序

不同 Sensor 对上电时序要求不同，例如 OV Camera。可能很大部分的 OV Camera 对时序 要求不严格，只要 mclk，vdd，reset 或 powerdown 状态是对的，就能正确进行 I2C 通讯并输出 图片。但还是有小部分 Sensor 对上电要求非常严格，例如 OV2685 必须严格按时序上电。 在 Sensor 厂家提供的 DataSheet 中，一般会有上电时序图，只需要按顺序配置即可。以 OV13850 为例，其中__ov13850_power_on()即是用来给 Sensor 上电。如下（有删减）。

static int ov13850_probe(struct i2c_client *client,
			 const struct i2c_device_id *id)
{
	struct device *dev = &client->dev;
	struct device_node *node = dev->of_node;
	struct ov13850 *ov13850;
	struct v4l2_subdev *sd;
	char facing[2];
	int ret;
	if (ov13850_master == ov13850) {
		/* 获取时钟 */
		ov13850->xvclk = devm_clk_get(dev, "xvclk");
		if (IS_ERR(ov13850->xvclk)) {
			dev_err(dev, "Failed to get xvclk\n");
			return -EINVAL;
		}
		/* 获取复位gpio信息 */
		ov13850->reset_gpio = devm_gpiod_get(dev, "reset", GPIOD_OUT_LOW);
		if (IS_ERR(ov13850->reset_gpio))
			dev_warn(dev, "Failed to get reset-gpios\n");

		/* 配置电源 */
		ret = ov13850_configure_regulators(dev);
		if (ret) {
			dev_err(dev, "Failed to get power regulators\n");
			return ret;
		}
	/* 配置上电时序 */
	ov13850->pwdn_gpio = devm_gpiod_get(dev, "pwdn", GPIOD_OUT_LOW);
	if (IS_ERR(ov13850->pwdn_gpio))
		dev_warn(dev, "Failed to get pwdn-gpios\n");
	else
		gpiod_set_value_cansleep(ov13850->pwdn_gpio, 0);

	/* 上电 */
	ret = __ov13850_power_on(ov13850);

	return ret;
}


static int __ov13850_power_on(struct ov13850 *ov13850)
{
	int ret;
	u32 delay_us;
	struct device *dev = &ov13850->client->dev;
	struct i2c_client *client = ov13850->client;
	unsigned short addr;

	mutex_lock(&ov13850_power_mutex);
	/* 上电 */
	ret = __ov13850_master_power_on(dev);
	if (ret) {
		dev_err(dev, "could not power on, error %d\n", ret);
		goto err_power;
	}
	/* 等待启动 */
	usleep_range(500, 1000);
	if (!IS_ERR(ov13850->pwdn_gpio))
		gpiod_set_value_cansleep(ov13850->pwdn_gpio, 1);

	/* 8192 cycles prior to first SCCB transaction */
	delay_us = ov13850_cal_delay(8192);
	usleep_range(delay_us, delay_us * 2);

        /* Change i2c address by programming SCCB_ID */
	addr = client->addr;
	if (addr != OV13850_VENDOR_I2C_ADDR) {
		client->addr = OV13850_VENDOR_I2C_ADDR;
		ret = ov13850_write_reg(client, OV13850_REG_SCCB_ID,
					OV13850_REG_VALUE_08BIT,
					addr * 2);
		if (ret) {
			dev_err(dev, "write SCCB_ID failed\n");
			goto err_i2c_addr;
		}
		client->addr = addr;
	}

	mutex_unlock(&ov13850_power_mutex);
	return 0;

err_i2c_addr:
	if (!IS_ERR(ov13850->pwdn_gpio))
		gpiod_set_value_cansleep(ov13850->pwdn_gpio, 0);
	__ov13850_master_power_off(dev);
err_power:
	mutex_unlock(&ov13850_power_mutex);
	return ret;
}

OV13850 的上电时序简要说明如下:

  • 首先提供 xvclk(即 mclk)
  • 紧接着 reset pin 使能
  • 各路的 vdd 上电。这里使用了 ov13850_configure_regulators,里面调用了devm_regulator_bulk_get，因为 vdd, vodd, avdd 三者无严格顺序。如 果 vdd 之间有严格的要求，需要分开处理，可参考 OV2685 驱动代码
  • Vdd 上电后， 取消 Sensor Reset，powerdown 状态。Reset, powerdown 可能只需要一 个，Sensor 封装不同， 可能有差异
  • 最后按时序要求，需要 8192 个 clk cycle 之后，上电才算完成。

注意，虽然不按 datasheet 要求上电许多 Sensor 也能正常工作，但按原厂建议的时序操作， 无疑是最可靠的。

同样，datasheet 中还会有下电时序(Power Down Sequence)，也同样按要求即可。

3.1 判断上电时序是否正确

在.probe()阶段会去尝试读取 chip id，如 ov13850 的 ov13850_check_sensor_id()，如果能够正确读取到 chip id，一般就认为上电时序正确，Sensor 能够正常进行 i2c 通信。

ret = ov13850_check_sensor_id(ov13850, client);

4. Sensor 初始化寄存器列表

在 OV13850 及 OV13850 中，各定义了 struct ov13850_mode 及 struct ov13850_mode， 用来表示 sensor 不同的初始化 mode。Mode 可以包括如分辨率，mbus code，寄存器初始化列 表等。

寄存器初始化列表，请按厂家提供的直接填入即可。需要注意的是， 列表最后用了 REG_NULL 表示结束。

static const struct regval ov13850_2112x1568_regs[] = {
	{0x3612, 0x27},
	{0x370a, 0x26},
	{0x372a, 0x00},
	{0x372f, 0x90},
	{0x3801, 0x08},
	{0x3805, 0x97},
	{0x3807, 0x4b},
	{0x3808, 0x08},
	{0x3809, 0x40},
	{0x380a, 0x06},
	{0x380b, 0x20},
	{0x380c, 0x12},
	{0x380d, 0xc0},
	{0x380e, 0x06},
	{0x380f, 0x80},
	{0x3813, 0x02},
	{0x3814, 0x31},
	{0x3815, 0x31},
	{0x3820, 0x02},
	{0x3821, 0x05},
	{0x3836, 0x08},
	{0x3837, 0x02},
	{0x4601, 0x04},
	{0x4603, 0x00},
	{0x4020, 0x00},
	{0x4021, 0xE4},
	{0x4022, 0x07},
	{0x4023, 0x5F},
	{0x4024, 0x08},
	{0x4025, 0x44},
	{0x4026, 0x08},
	{0x4027, 0x47},
	{0x4603, 0x01},
	{0x5401, 0x61},
	{0x5405, 0x40},
	{REG_NULL, 0x00},
};

static const struct ov13850_mode supported_modes[] = {
	{
		.width = 2112,
		.height = 1568,
		.max_fps = {
			.numerator = 10000,
			.denominator = 300000,
		},
		.exp_def = 0x0600,
		.hts_def = 0x12c0,
		.vts_def = 0x0680,
		.reg_list = ov13850_2112x1568_regs,
	},{
		.width = 4224,
		.height = 3136,
		.max_fps = {
			.numerator = 20000,
			.denominator = 150000,
		},
		.exp_def = 0x0600,
		.hts_def = 0x12c0,
		.vts_def = 0x0d00,
		.reg_list = ov13850_4224x3136_regs,
	},
};


ov13850->cur_mode = &supported_modes[0];

5. V4l2_subdev_ops 回调函数

V4l2_subdev_ops 回调函数是 Sensor 驱动中逻辑控制的核心。回调函数包括非常多的功能， 具体可以查看 kernel 代码 include/media/v4l2-subdev.h。建议 Sensor 驱动至少包括如下回调 函数。

  • .open，这样上层才可以打开/dev/v4l-subdev节点。在上层需要单独对 sensor 设置 v4l control 时，.open()是必须实现的
  • .s_stream，即 set stream，包括 stream on 和 stream off，一般在这里配置寄存器，使其 输出图像
  • .enum_mbus_code，枚举驱动支持的 mbus_code
  • .enum_frame_size，枚举驱动支持的分辨率
  • .get_fmt，返回当前 Sensor 选中的 format/size。如果.get_fmt 缺失，media-ctl 工具无法 查看 sensor entity 当前配置的 fmt
  • .set_fmt，设置 Sensor 的 format/size 以上回调中， .s_stream stream_on 会比较复杂些。在 ov13850 驱动代码中，它包括 pm_runtime 使能（即唤醒并上电），配置 control 信息（v4l2 control 可能会在 sensor 下电时 配置）即 v4l2_ctrl_handler_setup()，并最终写入寄存器 stream on。

以上回调中， .s_stream stream_on 会比较复杂些。在 ov13850 驱动代码中，它包括 pm_runtime 使能（即唤醒并上电），配置 control 信息（v4l2 control 可能会在 sensor 下电时 配置）即 v4l2_ctrl_handler_setup()，并最终写入寄存器 stream on。

6. V4l2 controller

对于需要配置 fps，exposure, gain, blanking 的场景，v4l2 controller 部分是必要的。 OV13850 驱动代码中

  • ov13850_initialize_controls()，用来声明支持哪些 control，并设置最大最小值等信息
  • Struct v4l2_ctrl_ops，包含了 ov13850_set_ctrl()回调函数，用以响应上层的设置。

7. Probe 函数及注册 media entity, v4l2 subdev

Probe 函数中， 首先对 dts 进行解析，获取 regulator, gpio, clk 等信息用以对 sensor 上下 电。其次注册 media entity, v4l2 subdev，及 v4l2 controller 信息。注意到 v4l2 subdev 的注 册是异步。如下几个关键的函数调用。

  • v4l2_i2c_subdev_init(), 注册为一个 v4l2 subdev，参数中提供回调函数
  • ov13850_initialize_controls()，初始化 v4l2 controls
  • media_entity_init()，注册成为一个 media entity，OV13850仅有一个输出，即 Source Pad
  • v4l2_async_register_subdev()，声明 sensor 需要异步注册。因为 RKISP1 及 CIF 都 采用异步注册 sub device，所以这个调用是必须的。

8. dts 示例 subdev

Sensor 的 dts 配置大同小异，根据硬件的设计，主要是 pinctl(iomux)，clk，gpio，以及 remote port。以下示例是在 RK3399-AIO 上的 OV13850 dts 节点。

ov13850: ov13850@36 {
                compatible = "ovti,ov13850";
                status = "okay";
                reg = <0x36>;
                clocks = <&cru SCLK_CIF_OUT>;
                clock-names = "xvclk";

                /* conflict with csi-ctl-gpios */
                reset-gpios = <&gpio0 8 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
                pwdn-gpios = <&gpio2 0 GPIO_ACTIVE_HIGH>;

                rockchip,camera-module-index = <0>;
                rockchip,camera-module-facing = "back";
                rockchip,camera-module-name = "CMK-CT0116";
                rockchip,camera-module-lens-name = "Largan-50013A1";

                avdd-supply = <&vcc_mipi>; /* VCC28_MIPI */
                dovdd-supply = <&vcc_mipi>; /* VCC18_MIPI */
                dvdd-supply = <&dvdd_1v2>; /* DVDD_1V2 */

                port {
                        ucam_out0: endpoint {
                                remote-endpoint = <&mipi_in_ucam0>;
                                data-lanes = <1 2>;
                        };
                };
        };
  • Pinctrl，声明了必要的 pinctrl， 该例子中包括了 reset pin 初始化和 clk iomux
  • Clock，指定名称为 xvclk（驱动会讯取名为 xvclk 的 clock），即 24M 时钟
  • Vdd supply，OV13850 需要的三路供电
  • Port 子节点，定义了一个 endpoint，声明需要与 mipi_in_wcam 建立连接。同样地 mipi dphy 会引用 wcam_out
  • Data-lanes 指定了 OV13850 使用两个 lane

9. 使用gstreamer方式预览摄像头 subdev

gst-launch-1.0 v4l2src device=/dev/video0 ! video/x-raw,format=NV12,width=640,height=480, framerate=30/1 ! videoconvert ! kmssink &
  • ov13850出图效果预览：
    在这里插入图片描述

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