本文以RK3568外接GC8034為例，首先介紹MIPI CSI攝像頭的適配方法，然后介紹cmos sensor驅動的一些細節與cmos sensor驅動的工作流程。

硬件準備

首先介紹一下硬件。主板為風火輪科技的YY3568開發板，主控RK3568。

它支持一個MIPI CSI接口。此接口為4LANE，可以拆分為2個2LANE的。攝像頭模組為TSC8034-HYX5，此模組主控為GC8034。此外，模組上面有一顆DW9714，這是一顆VCM，用于控制鏡頭伸縮。模組連接到一個轉接板，然后轉接板通過排線連接到YY3568開發板MIPI CSI接口。

目前市面上大多數的cmos image sensor一般會包含控制接口(i2cspi等)用于寄存器讀寫，數據接口(csi/bt656等)用于傳原始圖像(raw image)數據。

軟件準備

本文所有的源碼分析基于rk的4.19版本kernel。

Android和Debian用的內核源碼是一樣的。

V4L2框架簡介

V4L2(Video for linux2)為linux中關于video設備的內核驅動。目前RK平臺全部使用V4L2框架來操作攝像頭設備。V4L2框架的組成大致如下圖所示

V4L2里面有v4l2-subdev和v4l2_device，以及videobuf2-core三類設備。

v4l2-subdev指的是硬件上面的接口，包括sensor，以及sensor的接口如mipicsi或者bt656等。對于用戶層來說，其控制節點為/dev/v4l-subdevX。

v4l2_device指的是那種能夠向用戶層傳遞數據的設備，在rk平臺上，這個設備可以是ISP(ImageSignal Processing unit)，也可以是CIF(Camera Interface)。ISP具備圖像處理功能，縮放以及壓縮功能。如果需要對圖像進行預處理，則需要用到ISP。其控制節點為 /dev/videoX

videobuf2-core用于分配和處理視頻幀緩沖區，比如對mmap等操作提供支持。

Kernel部分修改

首先要配置鏈路。由于從GC8034獲取的圖像需要進行前處理才能被用戶層使用，因此需要使用ISP，將鏈路設置為GC8034-> MIPI 接口->ISP。

首先配置GC8034。板上攝像頭接口的定義如下

此處可以看出，其復位腳使用的是GPIO3_B5，電源使能腳用的是GPIO4_B5，然后使用I2C4與GC8034和DW9714通信，另外攝像頭的時鐘要由主控提供，設備樹配置如下。

&i2c4 {
  status = "okay";


  dw9714: dw9714@c {
        compatible = "dongwoon,dw9714";
        status = "okay";
        reg = <0x0c>;
        rockchip,camera-module-index = <0>;
        rockchip,vcm-start-current = <10>;
        rockchip,vcm-rated-current = <85>;
        rockchip,vcm-step-mode = <5>;
        rockchip,camera-module-facing = "back";
    };




  gc8034: gc8034@37 {
    compatible = "galaxycore,gc8034";
    reg = <0x37>;
    clocks = <&cru CLK_CIF_OUT>;
    clock-names = "xvclk";
    power-domains = <&power RK3568_PD_VI>;
    //sensor mclk pinctl設置。如果sensor的工作時鐘由主控提供，則此處必須配置
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&cif_clk>;
    // reset管腳分配及有效電平
    reset-gpios = <&gpio3 RK_PB5 GPIO_ACTIVE_LOW>;
    // powerdown管腳分配及有效電平
    pwdn-gpios = <&gpio4 RK_PB5 GPIO_ACTIVE_LOW>;
    rockchip,grf = <&grf>;
    // 模組編號，該編號不要重復
    rockchip,camera-module-index = <0>;
    // 模組朝向，有"back"和"front"
    rockchip,camera-module-facing = "back";
    rockchip,camera-module-name = "RK-CMK-8M-2-v1";
    rockchip,camera-module-lens-name = "CK8401";
    lens-focus = <&dw9714>;
    port {
      gc8034_out: endpoint {
        // csi2 dphy端的port名
        remote-endpoint = <&mipi_in_ucam0>;
        // csi2 dphy lane數，1lane為 <1>, 4lane為 <1 2 3 4>
        // rk3568支持1*4lane和2*2lane兩種模式
        data-lanes = <1 2 3 4>;
      };
    };
  };
};

然后需要配置CSI鏈路。RK3568的CSI有兩種工作模式，1*4LANE和2*2LANE。如果是前者，則需要使能csi2_dphy0，同時禁用csi2_dphy1/csi2_dphy2。后者相反。CSI的輸入端為GC8034，4LANE連接，輸出端為ISP，因此配置如下。

&csi2_dphy0 {
  //csi2_dphy0不與csi2_dphy1/csi2_dphy2同時使用，互斥
  status = "okay";
  ports {
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <0>;
    port@0 {
      reg = <0>;
      #address-cells = <1>;
      #size-cells = <0>;


      mipi_in_ucam0: endpoint@2 {
        reg = <2>;
        remote-endpoint = <&gc8034_out>;
        data-lanes = <1 2 3 4>;
      };
    };
    port@1 {
      reg = <1>;
      #address-cells = <1>;
      #size-cells = <0>;


      csidphy_out: endpoint@0 {
        reg = <0>;
        remote-endpoint = <&isp0_in>;
      };
    };
  };
};

然后ISP只需要配置輸入端，為CSI

&rkisp_vir0 {
  status = "okay";
  port {
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <0>;


    isp0_in: endpoint@0 {
      reg = <0>;
      remote-endpoint = <&csidphy_out>;
    };
  };
};

配置完這個鏈路之后，編譯內核，然后將內核燒錄到板上，即可使用攝像頭。

內核日志如下

如果看到這個log，說明gc8034和csi2-dphy的鏈路已通。

GC8034驅動介紹

下面介紹一下GC8034的驅動。在kernel里面，由于有V4L2這個框架的存在，因此多數cmos image sensor的驅動的框架流程都差不多，只是在寄存器操作上存在差別。

首先是驅動注冊方面，GC8034支持通過I2C進行寄存器配置，而它的CSI接口只能用于raw image數據的發送，并不能進行控制。因此，它是一個I2C device。驅動的開始便是注冊了一個I2C device。如下

在設備樹上面的設備描述和驅動匹配時，便會執行probe函數。下面看下probe函數。

static int gc8034_probe(struct i2c_client *client,
       const struct i2c_device_id *id)
{
  struct device *dev = &client->dev;
  struct device_node *node = dev->of_node;
  struct gc8034 *gc8034;
  struct v4l2_subdev *sd;
  char facing[2];
  int ret;
...


  gc8034 = devm_kzalloc(dev, sizeof(*gc8034), GFP_KERNEL);
  if (!gc8034)
    return -ENOMEM;
  // 這些數據是為了 sensor 的 ioctl 獲取模組狀態
  // RK平臺的一些上層應用(比如android的camera應用) 需要獲取這些信息，以便實現前后攝像頭切換，3A參數匹配等
  ret = of_property_read_u32(node, RKMODULE_CAMERA_MODULE_INDEX,
    &gc8034->module_index);
  ret |= of_property_read_string(node, RKMODULE_CAMERA_MODULE_FACING,
    &gc8034->module_facing);
  ret |= of_property_read_string(node, RKMODULE_CAMERA_MODULE_NAME,
    &gc8034->module_name);
  ret |= of_property_read_string(node, RKMODULE_CAMERA_LENS_NAME,
    &gc8034->len_name);
...
  gc8034->client = client;


  gc8034->xvclk = devm_clk_get(dev, "xvclk");
...
  // 電源 復位等 gpio 獲取
...


  ret = gc8034_configure_regulators(gc8034);
...


  // 這個函數是獲取與之匹配的接口，也就是CSI的設備樹配置，主要是lane數
  ret = gc8034_parse_of(gc8034);
...


  // pinctrl資源獲取
...


  mutex_init(&gc8034->mutex);


  // 最重要的函數 v4l2_i2c_subdev_init 此函數注冊了一個v4l2 subdev，也就是將此攝像頭注冊到v4l2框架里面了
  // 其中 gc8034_subdev_ops 里面的就是gc8034響應上層控制的回調函數
  sd = &gc8034->subdev;
  v4l2_i2c_subdev_init(sd, client, &gc8034_subdev_ops);
  ret = gc8034_initialize_controls(gc8034);
...
  // 上電
  ret = __gc8034_power_on(gc8034);
...
  // 識別一下i2c上面是不是有gc8034存在，不存在的話會將上面的操作全部注銷掉
  ret = gc8034_check_sensor_id(gc8034, client);
...
  // 讀取gc8034 otp寄存器
  gc8034_otp_enable(gc8034);
  gc8034_otp_read(gc8034);
  gc8034_otp_disable(gc8034);


#ifdef CONFIG_VIDEO_V4L2_SUBDEV_API
  sd->internal_ops = &gc8034_internal_ops;
  sd->flags |= V4L2_SUBDEV_FL_HAS_DEVNODE |
         V4L2_SUBDEV_FL_HAS_EVENTS;
#endif
#if defined(CONFIG_MEDIA_CONTROLLER)
  gc8034->pad.flags = MEDIA_PAD_FL_SOURCE;
  sd->entity.function = MEDIA_ENT_F_CAM_SENSOR;
  ret = media_entity_pads_init(&sd->entity, 1, &gc8034->pad);
  if (ret < 0)
    goto err_power_off;
#endif


...
  // 此v4l2設備采用異步注冊
  ret = v4l2_async_register_subdev_sensor_common(sd);
...
  return 0;


...
}

整個probe函數很長，這里刪掉了那些錯誤處理和打印的部分，并為剩下的操作提供了注釋。它的操作流程就是先從設備樹上獲取信息，然后申請gpio等資源，注冊v4l2設備，然后嘗試讀取一下gc8034的id，如果gc8034存在，則讀取其otp寄存器。在kernel啟動的過程中，這些信息就是操作otp寄存器打印出來的

一般來說，模組出廠的時候要進行校準，因為各個廠家基于同一個sensor芯片設計的模組存在硬件上面的差異，校準的內容包括AF(自動對焦校準)、AWB(白平衡校準)、LSC(鏡頭陰影校準)，以及模組的出廠年月日廠商名等。前者一般需要被上層獲取，以便上層配置校準參數。

然后就是v4l2框架里面幾個比較重要的結構體。如下

static const struct v4l2_subdev_core_ops gc8034_core_ops = {
  .s_power = gc8034_s_power,
  .ioctl = gc8034_ioctl,
#ifdef CONFIG_COMPAT
  .compat_ioctl32 = gc8034_compat_ioctl32,
#endif
};


static const struct v4l2_subdev_video_ops gc8034_video_ops = {
  .s_stream = gc8034_s_stream,
  .g_frame_interval = gc8034_g_frame_interval,
  .g_mbus_config = gc8034_g_mbus_config,
};


static const struct v4l2_subdev_pad_ops gc8034_pad_ops = {
  .enum_mbus_code = gc8034_enum_mbus_code,
  .enum_frame_size = gc8034_enum_frame_sizes,
  .enum_frame_interval = gc8034_enum_frame_interval,
  .get_fmt = gc8034_get_fmt,
  .set_fmt = gc8034_set_fmt,
};


static const struct v4l2_subdev_ops gc8034_subdev_ops = {
  .core  = &gc8034_core_ops,
  .video  = &gc8034_video_ops,
  .pad  = &gc8034_pad_ops,
};

其中，

v4l2_subdev_core_ops主要是通用初始化的實現，gc8034中實現了上下電操作，也就是gc8034_s_power函數，還有一個ioctl操作，也就是gc8034_ioctl和gc8034_compat_ioctl32。

這個s_power函數主要借助Linux的電源管理框架(pm)來實現gc8034電源使能腳的拉高拉低，此驅動是實現了dev_pm_ops里面的suspend和resume函數的。

另外還有一個write_array函數，這個函數主要用于初始化大多數的寄存器。大多數sensor的原廠會提供幾種分辨率下寄存器的配置表。將這個函數放在這里，意思就是每一次使能gc8034的電源之后都重新初始化所有寄存器。

而ioctl函數一般是實現平臺私有的一些ioctl命令(通用的v4l2 ioctl命令通過其它的ops實現)。比如這里RKMODULE_GET_MODULE_INFO就是獲取設備樹配置的朝向和名稱等信息，RKMODULE_AWB_CFG就是獲取上文所述的otp寄存器里面的值。

v4l2_subdev_video_ops主要是對視頻流進行控制，其中s_stream是必須實現的，用于控制視頻流的開啟和關閉。g_frame_interval是用于獲取當前幀率，g_mbus_config則是用于獲取lane數的，對于gc8034只能是2lane和4lane。

v4l2_subdev_pad_ops主要是對視頻格式進行控制。enum_mbus_codeenum_frame_size

enum_frame_interval三個成員是獲取當前sensor支持的格式，分辨率以及幀率。get_fmt set_fmt兩個成員則是用于獲取和設置當前sensor的格式分辨率和幀率。

對于rk平臺來說，要實現一個sensor驅動，實現上面的api就足夠了。如果是其它平臺，則要看是否需要私有的ioctl。通用的v4l2驅動是不需要私有ioctl的。

總結

本文以RK3568外接GC8034為例，首先介紹MIPI CSI攝像頭的適配方法，然后介紹cmos sensor驅動的一些細節與cmos sensor驅動的工作流程。參考GC8034的驅動，可以在通用平臺上實現sensor的適配。

審核編輯：劉清