基于Android平臺的智能手持終端Camera模組驅動設計與研究

王憲臻，王志剛，牛寶超

（河北工業大學 天津 300401）

隨著芯片集成和嵌入式技術的發展，智能手持設備越來越廣泛的應用在各個領域。搭載著操作系統的智能手機更是集合了高端處理器芯片、嵌入式操作系統和現代網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、低功耗發展。嵌入式操作系統也足漸形成symbian、android、windows phone、iOS分足鼎立。Camera作為智能手機的重要應用，作為多媒體數據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[1-3]。Android發布版的 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。Camera底層庫是Camera功能中實現 Binder機制的接口類，對上層 Camera.apk提供接口，具體功能由其子類實現，在Camera模塊中是 libCameraservice.so。而真正CameraClient的功能實現是硬件抽象層庫Libcaemra.so通過調用底層驅動來實現的。Camera具體層次架構如圖1所示。

圖1 Andoird系統camera架構圖Fig.1 Structure diagram of the camera on android system

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范（API）[4-6]。用于管理所有視頻采集設備的驅動，統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。

V4L2驅動框架的主要作用是對視頻數據的時序和數據緩沖區的內存管理，并不直接和硬件打交道，控制硬件和獲得視頻數據需要借助I2C、PCI等驅動來完成[7-8]。它是一個雙層驅動系統，上層為video device模塊，是注冊了設備功能函數的字符設備。下層為V4L2驅動，利用video_register_device（）注冊V4L2驅動和設備節點/dev/video，在open函數打開/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。

圖2 V4L2視頻采集流程圖Fig.2 Flow chart of V4L2 video capture

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.camera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驅動的實現數據通信[9-10]。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pci_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進行數據和控制信息的交互的。ISP驅動中通過自動探測函數pci_register_driver（）將完成了初始化的驅動結構體注冊進內核。在probe函數中不僅需要有利用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。從而既實現了對上層V4L2接口的銜接，又可以利用V4L2規范中的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。用于實現與ISP的交互。在sensor驅動中通過i2c_register_driver（）完成i2c_driver的注冊，并在probe函數中利用v4l2_i2c_subdev_init完成從 i2c_client到v4l2_sub_dev的映射。并通過v4l2_subdev_ops定義了相應的操作。實現作為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系統下的Camera模塊的架構和模組的驅動設計進行了深入系統的分析，結合被手持設備廣泛應用的V4L2視頻采集接口規范給出了完整的設計實現方法，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有著一定的參考價值。

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