基于Android平臺的智能手持終端Camera模組驅動設計與研究

摘要：為了實現(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驅動設計方案，并完成了軟件設計。實際應用表明，該驅動架構設計實現(xiàn)了數(shù)據(jù)和控制通信的通用性、標準化，同時方便設備管理，達到了設計要求。
關鍵詞：設備驅動；設計；V4L2；android

    隨著芯片集成和嵌入式技術的發(fā)展，智能手持設備越來越廣泛的應用在各個領域。搭載著操作系統(tǒng)的智能手機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)絡傳輸技術等前沿科技。主流高端嵌入式芯片無論是ARM架構還是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作為智能手機的重要應用，作為多媒體數(shù)據(jù)的獲取和處理的樞紐，功能日趨復雜化。文中通過分析android平臺下Camera模組的驅動架構，深入介紹了android camera模塊的驅動設計。

1 Android Camera架構分析
    Android camera架構主要基于android系統(tǒng)本身的層次結構，主要由應用程序層(CameraApp)、應用程序框架層(CameraService)、硬件抽象層(CameraHal)、內核驅動層(CameraDriver)組成。Android發(fā)布版的Camera程序架構分成客戶端和服務端兩個部分，建立在Android的進程間通訊Binder的結構上。運行時環(huán)境是Camera應用層通過JNI的本地調用部分。它通過google提供的java虛擬機dalvik使應用層的java代碼可以與C++語言編寫的代碼進行交互。Camem底層庫是Camera功能中實現(xiàn)Binder機制的接口類，對上層camera．a(chǎn)pk提供接口，具體功能由其子類實現(xiàn)，在Camera模塊中是libCameraservice．so。而真正CameraClient的功能實現(xiàn)是硬件抽象層庫Libcaemra．so通過調用底層驅動來實現(xiàn)的。Camera具體層次架構如圖1所示。

2 V4L2視頻采集驅動接口
    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的各項功能。V4L2是Linux中關于視頻設備的內核驅動，是Alan CoX為了給Linux下視頻采集設備驅動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備的驅動，統(tǒng)一的驅動接口使得軟件能夠較容易的訪問這些設備，給驅動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用。[!--empirenews.page--]
    V4L2驅動框架的主要作用是對視頻數(shù)據(jù)的時序和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的內存管理，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等驅動來完成。它是一個雙層驅動系統(tǒng)，上層為video device模塊，是注冊了設備功能函數(shù)的字符設備。下層為V4L2驅動，利用video_register_ device()注冊V4L2驅動和設備節(jié)點／dev／video，在open函數(shù)打開／dev／video后，對應的對設備文件的操作則實際替換成由v4l2_ioctl_ ops結構定義的各種V4L2的接口來完成。V4L2視頻采集流程如圖2所示。

3 Camera ISP驅動和sensor驅動設計
    本模塊完成了智能手持設備的雙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驅動的主要功能封裝在ISP驅動中，ISP驅動向上層提供V4L2的調用接口，實際sensor作為v4l2_subdev，由ISP驅動的v4l2_subdev_call接口與實際sensor驅動的實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。ISP掛接在PCI總線上，兩個sensor掛接在I2C總線上。
    ISP驅動的核心結構體為isp_device，它封裝了諸如pei_dev、device、v4l2-device、isp_sub_device等重要的結構體。其中isp_sub_ device映射的是sensor，因為sensor是以v4l2_sub_device的方式完成與ISP進行數(shù)據(jù)和控制信息的交互的。ISP驅動中通過自動探測函數(shù)pei_register_driver()將完成了初始化的驅動結構體注冊進內核。在probe函數(shù)中不僅需要有利用pci_enable_device()啟用設備等PCI驅動的基本操作，還包括兩個重要的操作就是isp_initialize_modules和isp_register_entities。在這兩個函數(shù)中，完成對從作為v4l2_device的ISP設備到作為v4l2_sub_device的sensor的一系列的初始化。從而既實現(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驅動的核心結構體為sensor_device，它封裝了v4l2_sub_dev結構體。用于實現(xiàn)與ISP的交互。在sensor驅動中通過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定義了相應的操作。實現(xiàn)作為i2c設備的sensor通過sub_dev_call與上層驅動交互的功能。

4 結束語
    文中對Android系統(tǒng)下的Camera模塊的架構和模組的驅動設計進行了深入系統(tǒng)的分析，結合被手持設備廣泛應用的V4L2視頻采集接口規(guī)范給出了完整的設計實現(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驅動和sensor驅動，對于多媒體視頻采集需求場合中，視頻設備驅動或者其他相關設備驅動的開發(fā)有著一定的參考價值。