基于Android平台的智能手持终端Camera模组驱动设计与研究

摘要：为了实现多媒体数据采集和处理的需求，提出了一种基于android平台和V4L2视频采集接口的camera驱动设计方案，并完成了软件设计。实际应用表明，该驱动架构设计实现了数据和控制通信的通用性、标准化，同时方便设备管理，达到了设计要求。
关键词：设备驱动；设计；V4L2；android

    随着芯片集成和嵌入式技术的发展，智能手持设备越来越广泛的应用在各个领域。搭载着操作系统的智能手机更是集合了高端处理器芯片、嵌入式操作系统和现代网络传输技术等前沿科技。主流高端嵌入式芯片无论是ARM架构还是intel新推出的medfield，都在朝着SoC单片高集成、多核、低功耗发展。嵌入式操作系统也足渐形成symbian、android、windows phone、iOS分足鼎立。Camera作为智能手机的重要应用，作为多媒体数据的获取和处理的枢纽，功能日趋复杂化。文中通过分析android平台下Camera模组的驱动架构，深入介绍了android camera模块的驱动设计。

1 Android Camera架构分析
    Android camera架构主要基于android系统本身的层次结构，主要由应用程序层(CameraApp)、应用程序框架层(CameraService)、硬件抽象层(CameraHal)、内核驱动层(CameraDriver)组成。Android发布版的Camera程序架构分成客户端和服务端两个部分，建立在Android的进程间通讯Binder的结构上。运行时环境是Camera应用层通过JNI的本地调用部分。它通过google提供的java虚拟机dalvik使应用层的java代码可以与C++语言编写的代码进行交互。Camem底层库是Camera功能中实现Binder机制的接口类，对上层camera．apk提供接口，具体功能由其子类实现，在Camera模块中是libCameraservice．so。而真正CameraClient的功能实现是硬件抽象层库Libcaemra．so通过调用底层驱动来实现的。Camera具体层次架构如图1所示。

2 V4L2视频采集驱动接口
    Camera的硬件抽象层遵循V4L2接口系列规范，通过V4L2接口完成Camera的各项功能。V4L2是Linux中关于视频设备的内核驱动，是Alan CoX为了给Linux下视频采集设备驱动程序的编写提供同一的接口而提出的一套规范(API)。用于管理所有视频采集设备的驱动，统一的驱动接口使得软件能够较容易的访问这些设备，给驱动程序的编写者提供了极大的方便。在手持终端的视频采集模块中得到了广泛的应用。
    V4L2驱动框架的主要作用是对视频数据的时序和数据缓冲区的内存管理，并不直接和硬件打交道，控制硬件和获得视频数据需要借助I2C、PCI等驱动来完成。它是一个双层驱动系统，上层为video device模块，是注册了设备功能函数的字符设备。下层为V4L2驱动，利用video_register_ device()注册V4L2驱动和设备节点／dev／video，在open函数打开／dev／video后，对应的对设备文件的操作则实际替换成由v4l2_ioctl_ ops结构定义的各种V4L2的接口来完成。V4L2视频采集流程如图2所示。

3 Camera ISP驱动和sensor驱动设计
    本模块完成了智能手持设备的双sensor支持，包括带有ISP的前置RAW sensor和简单采集功能的后置SoC sensor．careera驱动的主要功能封装在ISP驱动中，ISP驱动向上层提供V4L2的调用接口，实际sensor作为v4l2_subdev，由ISP驱动的v4l2_subdev_call接口与实际sensor驱动的实现数据通信。ISP挂接在PCI总线上，两个sensor挂接在I2C总线上。
    ISP驱动的核心结构体为isp_device，它封装了诸如pei_dev、device、v4l2-device、isp_sub_device等重要的结构体。其中isp_sub_ device映射的是sensor，因为sensor是以v4l2_sub_device的方式完成与ISP进行数据和控制信息的交互的。ISP驱动中通过自动探测函数pei_register_driver()将完成了初始化的驱动结构体注册进内核。在probe函数中不仅需要有利用pci_enable_device()启用设备等PCI驱动的基本操作，还包括两个重要的操作就是isp_initialize_modules和isp_register_entities。在这两个函数中，完成对从作为v4l2_device的ISP设备到作为v4l2_sub_device的sensor的一系列的初始化。从而既实现了对上层V4L2接口的衔接，又可以利用V4L2规范中的sub_dev_ call完成与sensor的交互。
    Sensor驱动的核心结构体为sensor_device，它封装了v4l2_sub_dev结构体。用于实现与ISP的交互。在sensor驱动中通过i2e_register_ driver()完成i2e_driver的注册，并在probe函数中利用v4l2_i2c_subdev_init完成从i2c_client到v4l2_sub_dev的映射。并通过v4l2_sub dev_ops定义了相应的操作。实现作为i2c设备的sensor通过sub_dev_call与上层驱动交互的功能。

4 结束语
    文中对Android系统下的Camera模块的架构和模组的驱动设计进行了深入系统的分析，结合被手持设备广泛应用的V4L2视频采集接口规范给出了完整的设计实现方法，并介绍了分别基于PCI总线和I2C总线的Camera模组中的ISP驱动和sensor驱动，对于多媒体视频采集需求场合中，视频设备驱动或者其他相关设备驱动的开发有着一定的参考价值。