Fakulta elektrotechnická EYE-02

ˇ ´ vysok´ ˇen´ı technick´ Cesk e e uc e v Praze ´ Fakulta elektrotechnicka

´ PRACE ´ DIPLOMOVA Moˇ znosti pouˇ zit´ı operaˇ cn´ıho syst´ emu GNU/Linux v zabezpeˇ covac´ı kameˇ re EYE-02

Praha, 2009

Jiˇ r´ı V´ıt

i

Podˇ ekov´ an´ı Dˇekuji vedouc´ımu své diplomové práce Ing. Pavlu P´ıˇsovi za ochotu ujmout se jej´ıho veden´ı a za pˇripom´ınky k práci, dále firmˇe JABLOCOM a jej´ım zamˇestnanc˚ um Ing. Jiˇr´ımu Holingerovi a Ing. Jiˇr´ımu Baˇzantovi, PhD., za to, ˇze mi umoˇznili pod´ılet se na vývoji jejich výrobku a za jejich uˇziteˇcné rady a Bc. Janu Breuerovi za jeho rady ohlednˇe detail˚ u operaˇcn´ıho systému Linux.

ii

Abstrakt Diplomová práce se vˇenuje pouˇzit´ı operaˇcn´ıho systému Linux v bezpeˇcnostn´ı kameˇre JABLOCOM EYE-02 vybavené mikroprocesorem AT91SAM9260 firmy Atmel. Na zaˇcátku je struˇcnˇe naznaˇcen postup, jakým byl operaˇcn´ı systém pˇripraven pro pouˇzit´ı v zaˇr´ızen´ı. Následuje popis významu ovladaˇc˚ u v systému Linux, jejich obvyklá struktura a postupy pˇri vývoji. V dalˇs´ıch kapitolách je popsán vývoj ovladaˇc˚ u pro nˇekterá zaˇr´ızen´ı pˇr´ıtomná na kameˇre, jmenovitˇe CMOS videosn´ımaˇc a PIR detektor pohybu. Protoˇze je videosn´ımaˇc pˇripojen k mikroprocesoru prostˇrednictv´ım specializovaného rozhran´ı ISI, je kromˇe ovladaˇce pro samotný sn´ımaˇc prezentován také ovladaˇc pro toto rozhran´ı, které zat´ım v Linuxu nen´ı podporováno. V závˇeru práce jsou zhodnoceny dosaˇzené výsledky a nast´ınˇen smˇer dalˇs´ıho vývoje.

iii

Abstract This diploma thesis focuses on usability of the Linux operation system in security camera JABLOCOM EYE-02. This camera is equipped with Atmel AT91SAM9260 microcontroller. In the first part is shortly described the way how the operation system has been prepared for the use in this device. This is followed by some introduction to Linux device drivers, their usual structure and development methods. Next chapters describe driver development for some devices used in the camera, this is CMOS video sensor and PIR motion sensor. The video sensor is connected to the microprocessor using specialised ISI interface, so the thesis presents two drivers – one for the video sensor a one for the ISI, which is in the kernel not yet supported. The conclusion describes reached results and possibilities of future development.

iv

v

Obsah Seznam obr´ azk˚ u

viii

Seznam tabulek

ix

´ 1 Uvod

1

2 Kamera EYE-02 a operaˇ cn´ı syst´ em Linux 2.1 Kamera EYE-02 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Provoz OS Linux v kameˇre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 2 2

3 Drivery v Linuxu 3.1 Význam a rozdˇelen´ı driver˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Jaderné moduly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Standardn´ı souborové operace na zaˇr´ızen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5 5 6 7

4 Driver pro CMOS videosn´ımaˇ c 4.1 CMOS videosn´ımaˇc MT9V011 . . . . . . . . . . 4.2 Rozhran´ı Atmel ISI . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 API Video4Linux2 . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Struktura ovladaˇce . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5 Ovladaˇc ISI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ´ 4.5.1 Upravy linuxového jádra . . . . . . . . . 4.5.2 Inicializace driveru . . . . . . . . . . . . 4.5.3 Buffer pro zachycený obraz . . . . . . . . 4.5.4 Souborové operace open() a release() 4.5.5 Proces sejmut´ı obrazu . . . . . . . . . . 4.5.6 Operace read() . . . . . . . . . . . . . . 4.5.7 Operace ioctl() a konfigurace sn´ımaˇce 4.6 Ovladaˇc sn´ımaˇce . . . . . . . . . . . . . . . . . ´ 4.6.1 Upravy linuxového jádra . . . . . . . . . 4.6.2 Protokol I2C . . . . . . . . . . . . . . . 4.6.3 Struktura kódu . . . . . . . . . . . . . . 4.7 Pouˇzit´ı ovladaˇc˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

9 9 10 10 11 12 13 14 15 16 16 17 18 18 19 19 20 21

ˇ 5 Cidlo PIR 23 5.1 Inicializaˇcn´ı funkce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 5.2 Souborová operace read() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 vi

5.3 Obsluha pˇreruˇsen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 5.4 Dalˇs´ı moˇznosti vývoje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 6 USB velkokapacitn´ı zaˇ r´ızen´ı

26

7 Z´ avˇ er

27

A Obsah pˇ riloˇ zen´ eho CD

29

vii

Seznam obr´ azk˚ u 2.1 Blokové schéma kamery EYE-02 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5

Blokové schéma sn´ımaˇce MT9V011 . . . . . Význam ovladaˇce atmel-isi . . . . . . . . . Znázornˇen´ı postupu pˇri sn´ımán´ı obrazu . . . Význam ovladaˇce mt9v011 . . . . . . . . . . Ukázka obrázku sejmutého kamerou EYE-02

viii

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

3 9 13 17 19 22

Seznam tabulek 4.1 Podporované ioctl pˇr´ıkazy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

ix

Kapitola 1 ´ Uvod Tato práce se zabývá pouˇzit´ım operaˇcn´ıho systému Linux v bezpeˇcnostn´ı kameˇre EYE02 firmy JABLOCOM v Jablonci nad Nisou. Kamera je v souˇcasnosti provozována bez operaˇcn´ıho systému, proto jsem byl poˇzádán, abych prozkoumal moˇznosti a pˇr´ınos vyuˇzit´ı Linuxu. ´ Ulohu pˇrenesen´ı Linuxu do kamery jsem ˇreˇsil v rámci týmového projektu v roce 2008 se svým kolegou Janem Breuerem. Pˇri ˇreˇsen´ı jsme narazili na problém s pˇr´ıliˇs malou pamˇet´ı Data Flash, kterou byla kamera vybavena. Do této pamˇeti se neveˇsel zkompilovaný binárn´ı obraz jádra systému. Kamera vˇsak obsahuje slot pro Micro SD kartu, kterou jsme pro bootován´ı s u ´ spˇechem vyuˇzili. Nyn´ı je v pamˇeti Data Flash um´ıstˇen pouze bootlader, který um´ı ˇc´ıst Micro SD kartu. Obraz jádra je na kartˇe uloˇzen na pˇresnˇe definované pozici, odkud ho bootloader zkop´ıruje do RAM a následnˇe spust´ı, ˇc´ımˇz dojde k nastartován´ı systému. Nyn´ı je mým u ´ kolem vytvoˇrit drivery pro hardwarové prvky kamery – CMOS videosenzor, PIR detektor pohybu a USB velkokapacitn´ı zaˇr´ızen´ı. Prvn´ı dva drivery budu ˇreˇsit sám, tˇret´ı byl jiˇz napsán a je v jádˇre k dispozici. Mou prvotn´ı ambic´ı je proniknout do problematiky vývoje driver˚ u. Na vývoji driver˚ u budu pokraˇcovat i po odevzdán´ı diplomové práce a budu je (podle zadán´ı) vyv´ıjet pod licenc´ı open-source. Driver pro videosenzor (resp. pro rozhran´ı ISI pouˇzitého mikroprocesoru, k nˇemuˇz je videosenzor pˇripojen) jeˇstˇe nebyl pro konkrétn´ı mikroprocesor vyvinut, proto bych ho po dokonˇcen´ı rád dostal do hlavn´ı vˇetve linuxového jádra.

1

Kapitola 2 Kamera EYE-02 a operaˇ cn´ı syst´ em Linux 2.1

Kamera EYE-02

Kamera EYE-02 je zabezpeˇcovac´ı kamera, kterou vyv´ıj´ı firma JABLOCOM v Jablonci nad Nisou. Na obr. 2.1 je znázornˇeno blokové schéma. Jej´ı prvotn´ı funkc´ı je sledován´ı vymezeného prostoru a v pˇr´ıpadˇe detekce pohybu sejmut´ı obrázku a upozornˇen´ı uˇzivatele prostˇrednictv´ım SMS nebo MMS. Pro tento u ´ˇcel je kamera vybavena CMOS videosn´ımaˇcem, detektorem pohybu a GSM modulem. Uˇzivatelské rozhran´ı pˇredstavuj´ı dvˇe svˇetelné diody (ˇcervená a zelená) a tlaˇc´ıtko. Kromˇe LED s viditelným svˇetlem m˚ uˇzeme na kameˇre nalézt také sadu infraˇcervených LED, které umoˇzn ˇ uj´ı noˇcn´ı vidˇen´ı. Kamera dále obsahuje USB rozhran´ı a slot na Micro SD kartu. Pomoc´ı USB rozhran´ı je moˇzné pˇripojit kameru k PC, provést konfiguraci a stáhnout sn´ımky. MicroSD karta slouˇz´ı pro uchován´ı sn´ımk˚ u a dalˇs´ıch potˇrebných dat. V kameˇre je pouˇzit mikroprocesor AT91SAM9260 od firmy Atmel a CMOS videosn´ımaˇc MT9V011 od firmy Micron. Mikroprocesor je vybaven rozhran´ım ISI (Image Sensor Interface) pro pˇripojen´ı videosn´ımaˇce, schopným pˇrijatá data okamˇzitˇe zpracovat.

2.2

Provoz OS Linux v kameˇ re

Linux je operaˇcn´ı systém unixového typu. Jeho jádro je ˇsiˇritelné podle licence GNU GPL, d´ıky ˇcemuˇz ho lze pˇrizp˚ usobit i jiným architekturám, neˇz je IBM PC i386, pro kterou byl p˚ uvodnˇe napsán. Komunita dobrovoln´ık˚ u, která se kolem Linuxu vytvoˇrila, uˇz portovala jádro i na mikroprocesory tˇr´ıdy ARM. Pˇred provozem Linuxu na kameˇre EYE-02 bylo tedy nutné provést následuj´ıc´ı kroky: • Z´ısk´ an´ı zdrojov´ eho k´ odu j´ adra – zdrojové kódy jsou dostupné na internetové stránce The Linux Kernel Archives na adrese http://www.kernel.org. • Aplikace patche pro konkr´ etn´ı architekturu – patch pro mikroprocesory AT91 je k dispozici na adrese http://maxim.org.za/at91 26.html. Tento krok ovˇsem nemus´ı být nezbytný – pokud jsou zmˇeny v patchi d˚ ukladnˇe otestované a osvˇedˇc´ı se, jsou zahrnuty do pˇr´ıˇst´ı verze. V dobˇe psan´ı této diplomové práce (kvˇeten 2009) je nejnovˇejˇs´ı verze jádra 2.6.29.3 a ta pro pouˇzit´ı v kameˇre postaˇcuje i bez patche. 2

2

Kamera EYE-02 a operaˇ cn´ı syst´ em Linux

3

Obrázek 2.1: Blokové schéma kamery EYE-02 • Pˇ rizp˚ usoben´ı j´ adra hardwaru – jádro je sice pˇripravené pro pouˇzit´ı s mikroprocesorem AT91, ale mus´ı se pˇrizp˚ usobit jeˇstˇe zapojen´ı procesoru v konkrétn´ı aplikaci. • Konfigurace j´ adra – rozhodujeme se, které ˇcásti kódu do pˇrekladu zahrnout a které nikoliv, popˇr. s jakými parametry pˇreklad provádˇet. Zdrojové kódy jádra jsou velice univerzáln´ı a obsahuj´ı vˇeci pro r˚ uzné architektury. My napˇr. pro naˇsi aplikaci nepotˇrebujeme drivery pro LCD nebo myˇs, zato ale uˇzijeme podporu pro komunikaci rozhran´ım I2C. • Pˇ reklad j´ adra – pro tento krok potˇrebujeme pˇrekladaˇc, který um´ı pˇrekládat pro c´ılovou platformu ARM. Vhodný je napˇr. pˇrekladaˇc GCC, který je v tomto ohledu velmi univerzáln´ı. • Zaveden´ı bin´ arn´ıho obrazu j´ adra - obraz (vytvoˇrený pˇrekladem) mus´ıme pˇredat mikroprocesoru, aby ho mohl spustit. V kameˇre EYE-02 se po startu mikroprocesoru spust´ı bootloader, který obraz jádra zkop´ıruje z Micro SD karty do RAM a následnˇe spust´ı. Po pˇrekladu tedy obraz jádra mus´ıme um´ıstit na Micro SD kartu.

2

Kamera EYE-02 a operaˇ cn´ı syst´ em Linux

4

• Pˇ r´ıprava souborov´ eho syst´ emu - kdyˇz jádro nabˇehne a provede inicializaci, potˇrebuje koˇrenový souborový systém. Ten mus´ıme m´ıt pˇripravený dopˇredu na blokovém zaˇr´ızen´ı (pro nás Micro SD karta), které jádru specifikujeme pˇri konfiguraci. Souborový systém obsahuje hlavnˇe konfiguraˇcn´ı skripty a jaderné moduly. Micro SD karta je rozdˇelena do tˇr´ı odd´ıl˚ u. Prvn´ı odd´ıl má velikost cca 4MB a je urˇcen pro binárn´ı obraz jádra, tam ho hledá bootloader pˇri startu procesoru. Nen´ı na nˇem tedy zaveden ˇzádný souborový systém, obsahuje pouze binárn´ı data. Máme-li obraz jádra pˇripraven v souboru zImage a prvn´ı odd´ıl na kartˇe je reprezentován souborem /dev/mmcblk0p1, dostaneme obraz jádra na kartu t´ımto pˇr´ıkazem: dd if=zImage of=/dev/mmcblk0p1 Druhý odd´ıl má velikost cca 20MB a je na nˇem zaveden souborový systém ext2, který slouˇz´ı operaˇcn´ımu systému jako koˇrenový souborov´ y systém. Tˇret´ı odd´ıl je formátován jako FAT32 a slouˇz´ı pro uchován´ı dat, která budou zpˇr´ıstupnˇena po rozhran´ı USB pomoc´ı driveru USB file storage. Tento prostor je urˇcen pˇredevˇs´ım pro nasn´ımané fotografie. S kamerou lze komunikovat dvˇema zp˚ usoby: (a) Rozhran´ım UART, které slouˇz´ı pro debug, (b) rozhran´ım USB, které pˇri pouˇzit´ı modulu g ether emuluje ethernetové spojen´ı. V kameˇre bˇeˇz´ı telnetový démon.

Kapitola 3 Drivery v Linuxu 3.1

V´ yznam a rozdˇ elen´ı driver˚ u

Driver je program, který zprostˇredkuje pˇr´ıstup uˇzivatele k hardwarovému zaˇr´ızen´ı. Komunikace s hardwarem je pomˇernˇe nároˇcná záleˇzitost, je nutné znát strukturu konkrétn´ıho zaˇr´ızen´ı a princip jeho práce. Driver tyto detaily ukryje a nab´ıdne uˇzivateli rozhran´ı s pˇresnˇe definovanou mnoˇzinou operac´ı (pro vˇsechny drivery shodnou). Zaˇr´ızen´ı ˇclen´ıme na tˇri typy: znaková, bloková a s´ıt’ová. • Znakov´ a zaˇ r´ızen´ı pˇrij´ımaj´ı a poskytuj´ı data ve formˇe sekvenc´ı bajt˚ u. Driver, který takové zaˇr´ızen´ı ovládá, obvykle poskytuje minimáln´ı mnoˇzinu operac´ı open, close, read a write. Zaˇr´ızen´ı jsou pˇr´ıstupná v souborovém systému v adresáˇri /dev a patˇr´ı mezi nˇe napˇr. sériový port nebo speciáln´ı zaˇr´ızen´ı zero, které pˇri kaˇzdém ˇcten´ı vrát´ı nulu. • Blokov´ a zaˇ r´ızen´ı jsou taková, na nichˇz m˚ uˇze existovat souborový systém. Jedná se pˇredevˇs´ım o záznamová zaˇr´ızen´ı (disky, CD-ROM). Také jsou reprezentována soubory v adresáˇri /dev a v Linuxu (narozd´ıl od vˇetˇsiny ostatn´ıch unixových systém˚ u) s nimi lze zacházet jako se znakovými. Spolupráce s jádrem je ovˇsem zcela odliˇsná. • S´ıt’ov´ a rozhran´ı slouˇz´ı pro výmˇenu dat s jinými poˇc´ıtaˇci. Nejsou v souborovém systému, tud´ıˇz na nˇe nelze aplikovat metody pro znaková a bloková zaˇr´ızen´ı. Soubory v adresáˇri /dev se nevytvoˇr´ı samy od sebe. K tomu je nutné pouˇz´ıt utilitu mknod ve tvaru mknod <device_type> <major_number> <minor_number> Zde filename je název souboru, kterým chceme zaˇr´ızen´ı reprezentovat, device type udává druh zaˇr´ızen´ı, tedy jestli je znakové (c) nebo blokové (b) a major a minor jsou ˇc´ısla zaˇr´ızen´ı. ˇ ıslo major v rozmez´ı 0–255 zaˇrazuje zaˇr´ızen´ı do skupiny. V zdrojových kódech v souC´ boru devices.txt v adresáˇri Documentation jsou vypsané skupiny zaˇr´ızen´ı a jim pˇriˇrazeˇ ıslo minor upˇresˇ ná major ˇc´ısla. C´ nuje typ zaˇr´ızen´ı v rámci skupiny. ˇ C´ıslo zaˇr´ızen´ı se vyuˇz´ıvá právˇe k zaloˇzen´ı souboru v adresáˇri /dev. Je pˇriˇrazeno v inicializaˇcn´ı funkci driveru. Pokud driver patˇr´ı do nˇejaké existuj´ıc´ı skupiny, m˚ uˇze si pˇriˇradit jej´ı major ˇc´ıslo, popˇr. m˚ uˇze nechat jádro, aby mu samo pˇriˇradilo nˇejaké volné. Seznam aktivn´ıch ovladaˇc˚ u najdeme v souboru /proc/devices spolu s ˇc´ısly zaˇr´ızen´ı. 5

3

Drivery v Linuxu

3.2

6

Jadern´ e moduly

Drivery v˚ ubec nemusej´ı být souˇcást´ı jádra, mohou se vyv´ıjet mimo jako jaderné moduly. To jsou programy, které sice bˇeˇz´ı v jaderném prostoru, ale mohou se do nˇej zavést aˇz pˇri jeho chodu. Je to mnohem pohodlnˇejˇs´ı neˇz pˇri kaˇzdé zmˇenˇe v kódu driveru znovu pˇrekládat a zavádˇet jádro. Moduly je moˇzné dostat do jádra tˇremi zp˚ usoby: (a) Modul se vyv´ıj´ı zcela mimo jádro, pˇrekládá se nezávisle na nˇem. Zaveden´ı je moˇzné pˇr´ıkazem insmod, bude popsán n´ıˇze. (b) Modul je souˇcást´ı jádra, pˇrekládá se s n´ım, ale stále je to modul, m˚ uˇze být zaveden aˇz pˇri bˇehu. Toto je nutné specifikovat v konfiguraˇcn´ıch souborech Kconfig, aby si uˇzivatel pˇri konfiguraci jádra mohl vybrat, ˇze chce tuto souˇcást pˇrekládat jako modul. Pˇri pˇrekladu jádra se potom volán´ım make modules_install pˇreloˇzené moduly nainstaluj´ı do zadaného adresáˇre, kde je bude jádro hledat. (c) Modul je souˇcást´ı jádra a zavád´ı se automaticky pˇri jeho startu. Opˇet se specifikuje pˇri konfiguraci (a pokud si nap´ıˇseme takovou souˇcást my, mus´ıme ji sami pˇridat do Makefile a Kconfig). Pro práci s moduly nab´ız´ı Linux nˇekolik utilit: • insmod – zavede modul do jádra. Moduly mohou na sobˇe navzájem záviset (jeden exportuje symboly, které druhý vyuˇz´ıvá) a pokud se pokouˇs´ıme zavést modul, kterému chyb´ı závislosti, tak tato funkce vrát´ı chybu. • rmmod – odstran´ı modul z jádra. Pokud ovˇsem nen´ı zrovna nˇekým vyuˇz´ıván. • lsmod – vyp´ıˇse vˇsechny aktivn´ı moduly v jádˇre, jejich velikost a u kaˇzdého modulu poˇcet a seznam jiných modul˚ u, které tento vyuˇz´ıvaj´ı. Tato funkce pouze vyp´ıˇse v pohlednˇejˇs´ı formˇe obsah souboru /proc/modules. • modprobe – chytˇrejˇs´ı varianta programu insmod. Jednak hledá moduly v adresáˇri, kde jsou nainstalované (takˇze se m˚ uˇze volat odkudkoliv) a jednak ˇreˇs´ı chybˇej´ıc´ı závislosti. Pokud zjist´ı, ˇze zavádˇenému modulu nˇejaká taková chyb´ı, tak si prohlédne tabulku symbol˚ u (která se vytvoˇr´ı pˇri kompilaci jádra) a pokud tam poˇzadovaný symbol najde, zavede kromˇe zadaného modulu jeˇstˇe ty, které exportuj´ı potˇrebné symboly. Pro psan´ı a pˇreklad modul˚ u plat´ı ponˇekud jiná pravidla neˇz pro psan´ı uˇzivatelských aplikac´ı. Kaˇzdý modul mus´ı definovat funkce: int module_init(void); void module_exit(void);

3

Drivery v Linuxu

7

Funkce se nemus´ı jmenovat zrovna takto, staˇc´ı kdyˇz zachovaj´ı prototyp, ale potom je nutné pomoc´ı maker (o stejných jménech jako výˇse uvedené funkce) definovat, která funkce slouˇz´ı jako init a exit: int isi_init(void) { ... } void isi_exit(void) { ... } module_init(isi_init); module_exit(isi_exit); Dále je vhodné pomoc´ı jiných maker definovat název modulu, autora a licenci (pokud ta nen´ı definovaná, tak jádro pˇri zavádˇen´ı nadává). Ani pˇreklad neprob´ıhá stejnˇe jako u uˇzivatelských aplikac´ı. Máme-li zdrojový soubor isi.c a chceme z nˇej udˇelat modul, mus´ıme do Makefile um´ıstit ˇrádku: obj-m := isi.o Pokud ovˇsem na tento Makefile pust´ıme obyˇcejný make, dostaneme vynadáno. Pro pˇreklad modul˚ u se totiˇz mus´ı volat pˇrekládac´ı systém jádra. K tomu pouˇzijeme make ve tvaru: make -C /usr/src/linux-2.6.29.3 M=/home/vitj2/c/atmel-isi modules Za parametr C patˇr´ı cesta k zdrojovému kódu jádra a za M adresáˇr s modulem. Je nutné zm´ınit, ˇze k pˇrekladu modul˚ u je potˇreba pˇreloˇzené jádro s kompletn´ımi zdrojovými kódy. Pˇrekladem se vytvoˇr´ı modul se jménem isi.ko, který zavedeme pˇr´ıkazem insmod.

3.3

Standardn´ı souborov´ e operace na zaˇ r´ızen´ı

Driver komunikuje s uˇzivatelem pomoc´ı vymezené mnoˇziny operac´ı, které se provádˇej´ı na souboru zaˇr´ızen´ı v adresáˇri /dev. Tuto mnoˇzinu definuje struktura file operations. Definuje jich mnoho, my si probereme jen ty nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı. Popis ˇcerpám z literatury [1]. • int (*open)(struct inode *, struct file *); Prvn´ı funkce, která se volá pˇri pˇr´ıstupu k souboru zaˇr´ızen´ı. Obvykle v n´ı provád´ıme pˇr´ıpravu zaˇr´ızen´ı k práci. Také se kontroluje poˇcet pˇr´ıstup˚ u – pokud si nepˇrejeme, aby k souboru pˇristupovalo v´ıce proces˚ u, zavedeme si pˇr´ıznak otevˇreného zaˇr´ızen´ı a zde ho kontrolujeme. Pokud uˇz bylo otevˇreno, vrac´ıme chybovou hláˇsku. • ssize_t (*read)(struct file *, char __user *, size_t, loff_t *); ´ Operace ˇcten´ı dat ze znakového zaˇr´ızen´ı. Ukolem této funkce je pˇredat data do uˇzivatelského prostoru. Parametr typu size t nám ˇr´ıká, kolik dat se vejde do uˇzivatelského bufferu. Pokud jich máme k pˇrenosu v´ıc, bude se funkce volat nˇekolikrát a my mus´ıme zajistit, aby data správnˇe navazovala. Zde je dobré zd˚ uraznit, ˇze pˇresun z jaderného prostoru (v nˇemˇz bˇeˇz´ı modul) do uˇzivatelského nelze realizovat prostým pouˇzit´ım pointeru. K tomu jsou pˇripraveny speciáln´ı funkce v includovaném souboru , které je nutné zavolat.

3

Drivery v Linuxu

8

Návratová hodnota je bud’ mnoˇzstv´ı pˇrenesených dat (kladné ˇc´ıslo), konec souboru dat (nula) nebo záporné chybové ˇc´ıslo. V pˇr´ıpadˇe, ˇze pˇreneseme vˇsechna data, je nutné vrátit nulu, protoˇze podle toho uˇzivatelská aplikace pozná, ˇze má s ˇcten´ım pˇrestat (pokud neˇcte omezený poˇcet znak˚ u). • ssize_t (*write)(struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *); Zápis dat do zaˇr´ızen´ı. Funguje podobnˇe jako read() a stejná omezen´ı plat´ı i pro pˇrenos dat mezi jaderným a uˇzivatelským prostorem. Vrac´ı mnoˇzstv´ı pˇrijatých dat. • int (*ioctl)(struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long) Speciáln´ı pˇr´ıkaz pro zaˇr´ızen´ı. Pouˇz´ıvá se, kdyˇz chceme se zaˇr´ızen´ım provádˇet i nˇeco jiného, neˇz ˇcten´ı a zápis dat. Napˇr. konfigurace. Pˇr´ıkazy se specifikuj´ı formou celoˇc´ıselné konstanty. Driver definuje mnoˇzinu pˇr´ıkaz˚ u, které podporuje. Lze dodat také pointer na datovou strukturu pro výmˇenu dat. • int (*mmap)(struct file *, struct vm_area_struct *) Mapován´ı pamˇeti zaˇr´ızen´ı do adresového prostoru procesu. Uˇsetˇr´ı se t´ım ˇcas pro pˇresun dat funkc´ı read(). • int (*release)(struct inode *, struct file *) Uvolnˇen´ı zaˇr´ızen´ı. Podobnˇe jako open(), tato operace se volá jako posledn´ı, tˇesnˇe pˇred t´ım, neˇz proces soubor zaˇr´ızen´ı uvoln´ı. V této funkci bychom mˇeli uvolnit vˇsechny zabrané zdroje, které zaˇr´ızen nepotˇrebuje ke své ˇcinnosti.

Kapitola 4 Driver pro CMOS videosn´ımaˇ c 4.1

CMOS videosn´ımaˇ c MT9V011

V kameˇre EYE-02 je pro sn´ımán´ı obrazu pouˇzit CMOS sn´ımaˇc MT9V011 od firmy Micron. Jedná se ˇctvrtpalcový sn´ımaˇc s rozliˇsen´ım 640 × 480 aktivn´ıch pixel˚ u s Bayerovou RGB maskou. Na obr. 4.1 je znázornˇeno blokové schéma sn´ımaˇce. Toto schéma je pˇrevzaté z katalogového listu sn´ımaˇce [4].

Obrázek 4.1: Blokové schéma sn´ımaˇce MT9V011 Komunikace se senzorem prob´ıhá prostˇrednictv´ım nˇekolika druh˚ u signál˚ u: • S´ eriov´ e rozhran´ı – dvouvodiˇcová komunikace s protokolem SMBus (I2C), slouˇz´ı pro zápis a ˇcten´ı ovládac´ıch registr˚ u senzoru. Tˇemito registry se dá spustit nebo zastavit sn´ımán´ı a nastavit r˚ uzné parametry, napˇr. doba expozice (neboli integrace). Seznam registr˚ u a jejich pouˇzit´ı lze nalézt v katalogovém listu [4]. • Datov´ y v´ ystup – desetibitový paraleln´ı výstup pro pˇrenos sejmutých dat. ˇ • Casov´ a synchronizace – hodinový signál CLKIN, který mus´ı poskytnout master zaˇr´ızen´ı a který je pro chod senzoru nezbytný, dále hodinový signál PIXCLK, který generuje senzor, a synchronizaˇcn´ı signály LINE VALID a FRAME VALID, které podávaj´ı informaci o sejmutém ˇrádku a sn´ımku. Sn´ımaˇc neumoˇzn ˇ uje vyˇc´ıtat data v jiném formátu, neˇz je Bayer. 9

4

Driver pro CMOS videosn´ımaˇ c

4.2

10

Rozhran´ı Atmel ISI

ISI (Image Sensor Interface) je speciáln´ı rozhran´ı, kterým je vybaven mikroprocesor AT91SAM9260 a které slouˇz´ı pro pˇripojen´ı CMOS sn´ımaˇce. Je témˇeˇr dokonalá protistrana pro pouˇzitý sn´ımaˇc MT9V011, pouze datová sbˇernice je o dva bity ˇsirˇs´ı neˇz ta u sn´ımaˇce, jinak hodinové a synchronizaˇcn´ı signály si odpov´ıdaj´ı. Kromˇe samotného pˇr´ıjmu dat nab´ız´ı ISI i uˇziteˇcné funkce pro jejich zpracován´ı, jako je napˇr. pˇrevzorkován´ı na jinou velikost, oˇrez nebo pˇrepoˇcet formátu. Je schopné pˇrij´ımat barevný i ˇsedotónový obraz. Barevný obraz sn´ımá ve formátech RGB nebo YCbCr. Kombinace ISI a pouˇzitého senzoru bohuˇzel neumoˇzn ˇ uje plnˇe vyuˇz´ıt funkc´ı ISI. Popsané moˇznosti zpracován´ı obrazu se totiˇz týkaj´ı jen barevného obrazu ve zm´ınˇených formátech. Sn´ımaˇc MT9V011 vˇsak produkuje data pˇr´ımo z Bayerovy masky, která ˇzádnému podporovanému barevnému formátu neodpov´ıdaj´ı, takˇze lze pouˇz´ıt pouze ˇsedotónový reˇzim. V tomto reˇzimu ISI data pouze pˇrenese z datové sbˇernice prostˇrednictv´ım DMA do pamˇeti a nijak je nezpracuje. Debayerizace se mus´ı provést softwarovˇe.

4.3

API Video4Linux2

Pro usnadnˇen´ı tvorby ovladaˇc˚ u pro multimediáln´ı zaˇr´ızen´ı nab´ız´ı linuxové jádro vrstvu Video4Linux2 (dvojka v názvu znaˇc´ı, ˇze se jedná o následn´ıka Video4Linux). Tato vrstva podporuje ˇsirokou ˇskálu zaˇr´ızen´ı, mezi nˇeˇz patˇr´ı napˇr. zaˇr´ızen´ı pro zachytáván´ı videa (kamery, videosn´ımaˇce), pro výstup videa nebo rádiová zaˇr´ızen´ı. Výhodou pouˇzit´ı Video4Linux2 je jednotné API pro uˇzivatelské aplikace a usnadnˇen´ı práce vývojáˇre ovladaˇc˚ u, protoˇze vrstva provád´ı mnoho operac´ı, které by jinak vývojáˇr musel ˇreˇsit sám. Pro zaˇr´ızen´ı pro zachytáván´ı videa nab´ız´ı V4L2 následuj´ıc´ı funkce: • zjiˇ stˇ en´ı moˇ znost´ı – uˇzivatelská aplikace se zeptá zaˇr´ızen´ı, co vˇsechno dovede, jaké formáty podporuje apod. • konfigurace – nastaven´ı velikosti okna, oˇrezu obrazu, poˇctu sn´ımk˚ u • pˇ r´ıjem dat – pˇr´ıjem sejmutých obrazových dat ze zaˇr´ızen´ı a jejich uloˇzen´ı do pamˇeti K tˇret´ımu bodu je vhodné poznamenat, ˇze specifikace V4L2 [8] doporuˇcuje, aby ovladaˇc pouze pˇrenesl data do pamˇeti v tom tvaru, v jakém je z´ıskal ze zaˇr´ızen´ı, a neprovádˇel ˇzádné zpracován´ı nebo pˇrevody formát˚ u. To by mˇela zajistit aˇz aplikace. Tyto tˇri body se realizuj´ı pomoc´ı obvyklých souborových operac´ı se zaˇr´ızen´ım. Zjiˇstˇen´ı moˇznost´ı a konfigurace se provád´ı systémovým volán´ım ioctl(), zat´ımco pˇrenos dat m˚ uˇze ’ prob´ıhat bud volán´ım read(), nebo lépe volán´ım mmap(), kdy se uˇsetˇr´ı ˇcas za pˇresun dat do uˇzivatelského prostoru a aplikace m˚ uˇze data ihned zpracovat. Hlavn´ı strukturou, která reprezentuje videozaˇr´ızen´ı, je struktura video device. V n´ı jsou nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı tˇri skupiny ˇclen˚ u: • identifikace zaˇr´ızen´ı – název, vlastn´ıc´ı modul • souborové operace – struktura s ukazateli na funkce, které realizuj´ı volán´ı jako open(), read(), mmap()

4


11

• operace IOCTL – struktura s ukazateli na funkce, které realizuj´ı jednotlivé pˇr´ıkazy z volán´ı ioctl() Právˇe volán´ı ioctl() vrstva V4L2 velmi usnadˇ nuje. Bývá zvykem, ˇze funkce obsluhuj´ıc´ı toto volán´ı obsahuje dlouhou konstrukci switch...case pro kaˇzdý ioctl pˇr´ıkaz a je velmi nepˇrehledná. Vrstva V4L2 definuje mnoˇzinu pˇr´ıkaz˚ u a pro kaˇzdou z nich je definován funkˇcn´ı prototyp. Programátor pro kaˇzdý podporovan´ y ioctl pˇr´ıkaz definuje funkci odpov´ıdaj´ıc´ı pˇr´ısluˇsnému prototypu a vrstva se uˇz postará o zavolán´ı této funkce a pˇrenos dat mezi jaderným a uˇzivatelským prostorem. Nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı ioctl pˇr´ıkazy jsou tyto (kaˇzdý pˇr´ıkaz je uveden konstantou, která tento pˇr´ıkaz reprezentuje): • VIDIOC QUERYCAP – dotaz na identifikaci a moˇznosti zaˇr´ızen´ı. Aplikace pˇri volán´ı pˇredá ukazatel na strukturu v4l2 capability, kterou driver vypln´ı. Struktura obsahuje jméno ovladaˇce a zaˇr´ızen´ı, verzi ovladaˇce a bitové pole, v nˇemˇz jsou vypsané funkce podporované ovladaˇcem. Pro bitové pole V4L2 definuje konstanty. Náˇs ovladaˇc pro ISI bude podporovat vlastnosti VIDEO CAPTURE (je schopen zachytávat video) a READWRITE (podporuje souborové operace read() a/nebo write()). Ovladaˇc pro ISI podporuje pouze operaci read(), protoˇze zapisovat data do sn´ımaˇce nemá smysl. • VIDIOC CROPCAP – dotaz na moˇznosti oˇrezu a pˇrevzorkován´ı obrazu. Pomoc´ı struktury v4l2 rect je definováno nejvˇetˇs´ı okno, které lze z obrazu vybrat. • VIDIOC G CROP, VIDIOC S CROP – zjiˇstˇen´ı / nastaven´ı oˇrezu. Opˇet je vyuˇzita struktura v4l2 rect. • VIDIOC G FMT, VIDIOC S FMT – zjiˇstˇen´ı / nastaven´ı formátu dat. V4L2 definuje mnoˇzstv´ı formát˚ u, kterými mohou kódována obrazová data. Protoˇze podle doporuˇcen´ı by mˇel ovladaˇc pˇredávat data v podobˇe, v jaké je pˇrijme ze sn´ımaˇce, závis´ı podporované formáty na konkrétn´ım typu sn´ımaˇce. Sn´ımaˇc MT9V011 podporuje jenom jeden formát – Bayerovu masku s rozliˇsen´ım 16 bit˚ u. Podporované formáty zaˇr´ızen´ı lze zjistit pˇr´ıkazem VIDIOC ENUM FMT. • VIDIOC QUERYCTRL, VIDIOC S CTRL, VIDIOC G CTRL – zjiˇstˇen´ı / nastaven´ı jiného parametru sn´ımán´ı, který nen´ı pokryt ostatn´ımi ioctl. V4L2 definuje mnoˇzinu takových parametr˚ u (napˇr. doba expozice) a tyto funkce je obsluhuj´ı. Výˇcet moˇzných parametr˚ u lze z´ıskat pouˇzit´ım pˇr´ıkazu VIDIOC QUERYCTRL

4.4

Struktura ovladaˇ ce

Rozhran´ı ISI je urˇceno pro pˇripojen´ı mnoha typ˚ u sn´ımaˇc˚ u, nejenom toho jednoho pouˇzitého v kameˇre EYE-02. Z toho d˚ uvodu je vhodné rozdˇelit kód na ˇcást týkaj´ıc´ı se ISI a ˇcást týkaj´ıc´ı se konkrétn´ıho videosn´ımaˇce. • Ovladaˇ c ISI bude komunikovat s aplikac´ı a zprostˇredkuje j´ı pˇr´ıstup k celému sn´ımac´ımu systému. Tento ovladaˇc bude zcela nezávislý na pouˇzitém typu sn´ımaˇce, aby bylo moˇzné pouˇz´ıt ho pro vˇsechna zaˇr´ızen´ı, která se k ISI daj´ı pˇripojit.

4


12

• Ovladaˇ c sn´ımaˇ ce bude pˇrizp˚ usoben konkrétn´ımu typu sn´ımaˇce MT9V011. Sn´ımaˇce se mezi sebou liˇs´ı ve zp˚ usobu ovládán´ı a konfigurace. Sn´ımaˇc MT9V011 se ovládá a konfiguruje po sériové lince podle protokolu I2C. Ovladaˇc proto bude schopen tuto komunikaci realizovat a bude zamˇeˇrený na mnoˇzinu registr˚ u sn´ımaˇce MT9V011. K tomuto ovladaˇci nebude m´ıt pˇr´ıstup aplikace, ale pouze ovladaˇc ISI. Aby bylo moˇzné ovladaˇce takto koncipovat, je potˇreba definovat jednotné rozhran´ı mezi nimi. Takové, které ovladaˇc pro ISI bude vyuˇz´ıvat a které ovladaˇc sn´ımaˇce bude implementovat. Pokud se napˇr. ovladaˇc ISI rozhodne, ˇze je potˇreba zkrátit expozici, tak mus´ı m´ıt k dispozici prostˇredek, kterým tento poˇzadavek sdˇel´ı ovladaˇci pro sn´ımaˇc, aby to tento mohl zmˇenit v registrech. Takovéto rozhran´ı je realizováno strukturou image sensor, definovanou v souboru camera.h. Tato struktura reprezentuje sn´ımaˇc. Kromˇe nˇekolika formalit, jako je vlastn´ık struktury nebo název sn´ımaˇce, obsahuje tato struktura pˇredevˇs´ım ukazatele na funkce, kterými se sn´ımaˇc konfiguruje a ovládá. Namátkou jsou to napˇr. tyto: struct image_sensor { int (*set_format)

(struct struct int (*cropcap) (struct struct int (*start_capture) (struct

image_sensor *cam, image_sensor_format *fmt); image_sensor *cam, v4l2_cropcap *cropcap); image_sensor *cam);

}; Interakce mezi obˇema ovladaˇci je následuj´ıc´ı: ovladaˇc pro ISI definuje a exportuje tyto funkce: int register_camera (struct image_sensor *cam); void unregister_camera (struct image_sensor *cam); Ovladaˇc pro sn´ımaˇc si definuje strukturu cam, definuje vˇsechny ovládac´ı a konfiguraˇcn´ı funkce, pˇriˇrad´ı pointery a strukturu zaregistruje. Ovladaˇc pro ISI si pointer na strukturu uloˇz´ı a následnˇe s n´ım pracuje. Kdyˇz potˇrebuje konfigurovat sn´ımaˇc, zavolá pˇr´ısluˇsný funkˇcn´ı ukazatel v struktuˇre cam a ovladaˇc sn´ımaˇce tuto funkci provede. Konfigurace je potom vˇec specifická pro kaˇzdý sn´ımaˇc (napˇr. pro náˇs MT9V011 prob´ıhá pomoc´ı protokolu I2C) a pro ovladaˇc ISI je zcela transparentn´ı.

4.5

Ovladaˇ c ISI

Ovladaˇc pro rozhran´ı ISI, který jsem nazval atmel-isi, má dva základn´ı u ´ koly: • Konfigurace zaˇ r´ızen´ı – nastaven´ı velikosti obrázku, doby expozice. Provád´ı se ioctl volán´ım. • Pˇ renos dat – sejmut´ı obrazových dat ze sn´ımaˇce a jejich zprostˇredkován´ı aplikaci. M˚ uˇze být realizováno volán´ım read(), kdy budou data po sejmut´ı pˇresunuta do uˇzivatelského prostoru, nebo volán´ım mmap(), kdy bude do uˇzivatelského prostoru namapován buffer, do nˇehoˇz byla data pˇrenesena z ISI funkc´ı DMA.

4


13

Význam ovladaˇce atmel-isi je znázornˇen na obr. 4.2.

Obrázek 4.2: Význam ovladaˇce atmel-isi Ovladaˇc jsem nevymyslel celý sám, ale (jak uˇz to tak u open-source program˚ u chod´ı) inspiroval jsem se u podobných kód˚ u. Nejuˇziteˇcnˇejˇs´ı mi byl ovladaˇc pro podobné zaˇr´ızen´ı na procesoru AVR32.

4.5.1

´ Upravy linuxov´ eho j´ adra

Protoˇze pro zaˇr´ızen´ı ISI zat´ım neexistuje podpora v linuxovém jádˇre, musel jsem ji doplnit. Týká se následuj´ıc´ıch soubor˚ u: • arch/arm/mach-at91/include/mach/board.h – doplnˇena definice struktury at91 isi data, která má následuj´ıc´ı tvar: struct at91_isi_data { unsigned int clock_rate; unsigned int nr_data_pins; }; Struktura slouˇz´ı pro specifikaci frekvence hodinového signálu CLKIN, který vstupuje do sn´ımaˇce (hodnota se udává v Hz) a poˇctu datových pin˚ u, které se vyuˇz´ıvaj´ı pˇri pˇrenosu dat (pro pˇr´ıpad, ˇze má sn´ımaˇc uˇzˇs´ı datovou sbˇernici neˇz ISI). Dále byl doplnˇen funkˇcn´ı prototyp: extern void __init at91_add_device_isi(struct at91_isi_data *data) Ten slouˇz´ı pro registraci zaˇr´ızen´ı ISI v jádˇre a byla j´ım nahrazena p˚ uvodn´ı verze bez vstupn´ıch parametr˚ u, která slouˇzila jen jako výplˇ n a byla pˇripravena pro doplnˇen´ı. • arch/arm/mach-at91/at91sam9260 devices.c – v tomto souboru jsou definovány funkce, které registruj´ı a inicializuj´ı jednotlivá zaˇr´ızen´ı na mikroprocesoru. Mezi tato zaˇr´ızen´ı patˇr´ı také ISI, proto bylo nutné doplnit i podporu pro nˇej. Jednak bylo doplnˇeno pole isi resources, které je sloˇzeno ze struktur resource. V tomto poli byly pro zaˇr´ızen´ı ISI definovány dva zdroje:

4


14

(a) pamˇet’ová oblast, která pokrývá ovládac´ı registry modulu ISI (b) pˇreruˇsen´ı od modulu ISI Dále byla doplnˇena struktura at91sam9260 isi device typu platform device, která definuje zaˇr´ızen´ı ISI (pod názvem atmel isi), aby mu následnˇe bylo moˇzné pˇriˇradit platform driver. Nakonec byla definována funkce at91 add device isi (vyhovuj´ıc´ı prototypu v souboru board.h), která provede pˇr´ıpravu pro pouˇzit´ı modulu ISI a jeho registraci jako platform device. Pˇr´ıprava spoˇc´ıvá ve dvou ˇcástech: (a) Nastaven´ı funkce pin˚ u, které vyuˇz´ıvá modul ISI. Je nutné oznámit procesoru, ˇze tyto piny budou uˇz´ıvány periferi´ı a nikoliv jako paraleln´ı port. (b) Nastaven´ı hodinového signálu CLKIN pro videosn´ımaˇc. Tento signál sn´ımaˇc nezbytnˇe potˇrebuje, aby v˚ ubec komunikoval. Bez nˇej nereaguje ani na komunikaci po I2C. V jádˇre jsou v adresáˇri mach-at91 dále pˇr´ıtomny soubory typu board-xxx.c, které jsou specifické pro jednotlivé aplikace s mikroprocesorem. Takovou aplikac´ı je i kamera EYE-02, proto byl doplnˇen soubor board-eye02.c, který popisuje konkrétn´ı architekturu kamery. V tomto souboru je definována struktura eye isi data typu at91 isi data, v n´ı je zadána frekvence hodinového signálu a poˇcet pouˇzitých datových vodiˇc˚ u na ISI. Dále je v inicializaˇcn´ı funkci aplikace volána funkce at91 add device isi, která zaregistruje ISI jako platform device. Od této chv´ıle je v jádˇre pˇr´ıtomna struktura typu platform device, která reprezentuje modul ISI a je moˇzné pˇriˇradit j´ı platform driver, coˇz bude provádˇet uˇz samotný ovladaˇc. Kaˇzdá aplikace s t´ımto mikroprocesorem by mˇela m´ıt sv˚ uj vlastn´ı definiˇcn´ı soubor a z nˇeho volat registraˇcn´ı funkci zaˇr´ızen´ı ISI, aby bylo následnˇe moˇzné pˇriˇradit driver.

4.5.2

Inicializace driveru

V pˇredchoz´ı podkapitole jsem uvedl, ˇze modul ISI je nyn´ı v jádˇre zaveden jako platform device. V inicializaci jaderného modulu atmel-isi se tedy provád´ı registrace platform driveru, zat´ımco v cleanup funkci se tato registrace ruˇs´ı. K tomu jsou uˇzity tyto metody: platform_driver_register(&atmel_isi_driver); platform_driver_unregister(&atmel_isi_driver); Struktura atmel isi driver je typu platform driver. Má uvedeno jméno .driver.name = "atmel_isi"; D´ıky tomu ho po registraci jádro spoj´ı s definovaným stejnojmenným platform device a zavolá metodu .probe. V metodˇe atmel isi probe() se provedou následuj´ıc´ı akce: • Alokace hlavn´ı struktury – tedy struktury atmel isi, která v sobˇe nese vˇsechny potˇrebné informace o driveru, aby k nim ostatn´ı funkce mˇely snadný pˇr´ıstup.

4


15

• Nastaven´ı hodinov´ eho sign´ alu – potˇrebujeme dva hodinové signály. Jeden, který budeme pouˇstˇet do sn´ımaˇce (vstup CLKIN), ten nám v procesoru zajist´ı programovatelný zdroj hodin PCK1. Dále potˇrebujeme signál ze skupiny peripheral clock, bez kterého se neobejde modul ISI na procesoru. V inicializaci oba tyto signály povol´ıme. • Pˇ r´ıprava video device – zadán´ı jména a zpˇetných volán´ı pro souborové operace. • Pˇ remapov´ an´ı pamˇ eti – fyzické do virtuáln´ıho prostoru, abychom mohli pˇristupovat k ovládac´ım registr˚ um ISI a do SRAM, kam budeme ukládat adresy buffer˚ u pro záznam obrazu. • Registrace pˇ reruˇ sen´ı – ISI generuje mnoho pˇreruˇsen´ı, která se nám hod´ı, napˇr. oznámen´ı o dokonˇceném resetu nebo o dokonˇceném sn´ımán´ı. • Alokace zachycovac´ıho bufferu – do nˇej bude modul ISI pomoc´ı DMA pˇrenáˇset data ze sn´ımaˇce. Posledn´ı bod si zaslouˇz´ı trochu rozepsat, proto jsem mu vˇenoval samostatnou podkapitolu.

4.5.3

Buffer pro zachycen´ y obraz

Pouˇzitý senzor je schopný sejmout obraz o velikosti 640 × 480 pixel˚ u (ve skuteˇcnosti jeˇstˇe o nˇeco vˇetˇs´ı, ale ˇcást z nˇeho uˇz by zab´ıraly ˇcerné kalibraˇcn´ı zóny). Protoˇze senzor obsahuje desetibitový A/D pˇrevodn´ık, budeme pro kaˇzdý pixel potˇrebovat dva bajty. Jednoduchým výpoˇctem z´ıskáme velikost potˇrebného prostoru 640 × 480 × 2 = 614400 B. Toto je velmi rozsáhlý prostor, funkce kalloc() ovˇsem um´ı alokovat jen max. 128 kB. Mohla by se alokovat pamˇet’ v uˇzivatelském prostoru, ale ta nejsp´ıˇs nebude souvislá. To by nevadilo, kdyby DMA kanál podporoval funkci scatter-gather (pozastaven´ı pˇrenosu, v meziˇcase lze pˇrepsat c´ılovou adresu DMA pˇrenosu na jinou stránku), jenˇze ISI tuto funkci nepodporuje. ˇ sen´ım je patch jménem bigphysarea. Ten dopln´ı do jádra kód, který pˇri bootován´ı Reˇ a rozdˇelován´ı pamˇeti zabere souvislý u ´ sek pro sebe. Zároveˇ n exportuje funkce bmalloc() a bfree(), které maj´ı k tomuto u ´ seku pˇr´ıstup. Já jsem se ovˇsem pouˇzit´ı tohoto patche vyhnul, protoˇze jsem k alokaci pouˇzil funkci __get_free_pages(GFP_USER|GFP_DMA, get_order(size)); Tento nápad nepocház´ı z moj´ı hlavy, pˇreˇcetl jsem si ho v jiném kódu, kde byl doplnˇen komentáˇrem, ˇze tato funkce dostala bˇehem bootován´ı spoustu pamˇeti a ta je stále k dispozici. Tento postup funguje, proto jsem ho dále nerozeb´ıral a pouˇz´ıval. V pˇr´ıpadˇe problém˚ u je tu stále moˇznost pouˇzit´ı bigphysarea. Protoˇze ovladaˇc (zat´ım) sn´ımá jeden obrázek na jeden poˇzadavek, vystaˇcil jsem si s jedn´ım bufferem. Pokud by pˇriˇsla potˇreba vˇetˇs´ıho mnoˇzstv´ı obrázk˚ u, je moˇzné alokovat v´ıce buffer˚ u za sebou a pˇrenáˇset do nich data cyklicky.

4


4.5.4

16

Souborov´ e operace open() a release()

Operace open() se volá v okamˇziku otevˇren´ı souboru zaˇr´ızen´ı v adresáˇri /dev. Funkce nejprve zkontroluje, jestli uˇz zaˇr´ızen´ı nen´ı otevˇrené. Nen´ı ˇzádouc´ı, aby bylo zaˇr´ızen´ı vyuˇz´ıváno nˇekolika procesy, na to driver nen´ı pˇripraven. Tato kontrola se provád´ı ovˇeˇren´ım ˇclenu struktury atmel isi.users. Tento ˇclen je inkrementován na konci funkce open() a na konci funkce release() je dekrementován. Dále funkce ovˇeˇr´ı, jestli byl pˇr´ıkazem register camera() registrován nˇejaký sn´ımaˇc. Pokud ne, funkce vrát´ı chybovou hodnotu ENODEV (zaˇr´ızen´ı nen´ı k dispozici). Nem˚ uˇzeme sn´ımat obraz, kdyˇz nemáme odkud. D˚ uleˇzitá ˇcinnost, kterou tato funkce provád´ı, je zápis ˇclenu private data struktury file. Pokud se totiˇz volaj´ı souborové operace jako read(), nepˇredaj´ı se jim jako parametr ˇzádná naˇse data, ale pouze ukazatel na strukturu file, která je ta samá, co byla pˇredána funkci open(). My bychom ovˇsem ve funkci read() potˇrebovali minimálnˇe pˇr´ıstup k hlavn´ı struktuˇre atmel isi. Jenˇze ta je dynamicky alokovaná a neexistuje na ni ˇzádný globáln´ı ukazatel. Proto jediný zp˚ usob, jak se k n´ı ve funkci read() dostaneme, je takový, ˇze referenci na ni uloˇz´ıme do pole private data struktury file. Potom pˇri volán´ı funkce read() m˚ uˇzeme z pˇredané struktury file toto pole pˇreˇc´ıst a máme pˇr´ıstup k naˇs´ı struktuˇre atmel isi. V naˇsem driveru máme pro zapouzdˇren´ı vˇsech potˇrebných private dat definovánu strukturu atmel isi fh: struct atmel_isi_fh { struct atmel_isi unsigned int };

*isi; read_off;

Parametr isi je odkaz na hlavn´ı strukturu driveru, zat´ımco parametr read off vyuˇzijeme pˇri operaci read(). Vyuˇzit´ı je popsáno v jej´ı samostatné podkapitole. Nakonec se provede reset rozhran´ı ISI (zápisem do ovládac´ıho registru). Operace release() se provád´ı ve chv´ıli, kdy je soubor zaˇr´ızen´ı uzavˇren. V tento okamˇzik se pˇreruˇs´ı sn´ımán´ı, zastav´ı se ˇcinnost ISI a sn´ıˇz´ı se poˇcet pˇr´ıstup˚ u k souboru (atmel isi.users).

4.5.5

Proces sejmut´ı obrazu

Postup pˇri sn´ımán´ı obrazových dat je znázornˇen na obr. 4.3. Samotná operace sejmut´ı obrázku se spust´ı funkc´ı atmel isi start capture(). Funkce zavolá metodu start capture() struktury image sensor. Tuto metodu implementuje driver pro konkrétn´ı sn´ımaˇc a mˇel by mu dát pokyn ke spuˇstˇen´ı sn´ımán´ı. Dále je aktivován DMA kanál volán´ım funkce atmel isi start dma(). Nakonec je zápisem do ovládac´ıho registru ISI povoleno sn´ımán´ı. V tomto okamˇziku je nutné vyˇckat, dokud nen´ı sn´ımán´ı dokonˇceno. Toto ˇcekán´ı realizuje funkce atmel isi wait for frame(). Funkce ˇceká, dokud nen´ı probuzena obsluhou pˇreruˇsen´ı nebo dokud nevyprˇs´ı timeout. Na tom, který z tˇechto dvou pˇr´ıpad˚ u nastane dˇr´ıv, závis´ı návratová hodnota této funkce. Modul ISI po dokonˇcen´ı sn´ımán´ı jednoho obrázku generuje pˇreruˇsen´ı SOF (start of frame), kterým signalizuje, ˇze se chystá pˇrenést dalˇs´ı obrázek. V tomto okamˇziku obsluha pˇreruˇsen´ı sn´ımán´ı zastav´ı a probud´ı ˇcekac´ı funkci.

4


17

Obrázek 4.3: Znázornˇen´ı postupu pˇri sn´ımán´ı obrazu Proces sn´ımán´ı se ˇr´ıd´ı zápisem do registru ISI Control 1 Register (ISI CR1), konkrétnˇe bitem ISI DIS (Image sensor disable) (viz [3]). Nulován´ım tohoto bitu je spuˇstˇena funkce ISI a zahájen pˇrenos, zat´ımco nastaven´ım bitu je dokonˇceno sejmut´ı aktuáln´ıho sn´ımku a pak se modul vypne.

4.5.6

Operace read()

Zpˇetné volán´ı read() je pouˇzito v momentu, kdy uˇzivatel vyˇc´ıtá data ze souboru zaˇr´ızen´ı. Je tedy u ´ kolem této funkce oˇcekávaná data poskytnout. V záhlav´ı funkce máme mj. vstupn´ı parametr count, který nás zpravuje o velikosti bufferu v uˇzivatelském prostoru, do nˇehoˇz máme zapsat data. Protoˇze tento parametr jen velmi tˇeˇzko dosáhne stovek kilobajt˚ u, které obrazová data dohromady ˇc´ıtaj´ı, je funkce volána nˇekolikrát a data se vyˇc´ıtaj´ı postupnˇe. Mus´ıme si tedy zaznamenávat mnoˇzstv´ı pˇrenesených dat, abychom vˇedˇeli, kde v bufferu máme pˇri dalˇs´ım pˇrenosu zaˇc´ıt vyˇc´ıtat. K tomu jsme ve struktuˇre atmel isi fh definovali ˇclen read off. Pˇri vstupu do funkce read() mohou nastat tˇri stavy: • Funkce je volána poprvé od otevˇren´ı souboru nebo pˇredchoz´ıho kompletn´ıho vyˇcten´ı dat. Mus´ıme zajistit sejmut´ı nových dat, nulovat read off a zaˇc´ıt vyˇc´ıtán´ı. • Funkce je volána v pr˚ ubˇehu vyˇc´ıtán´ı, aby z´ıskala dalˇs´ı dávku dat. Uˇz nic nesn´ımáme, pouze kop´ırujeme data a inkrementujeme read off. • Funkce je volána po vyˇcten´ı vˇsech dat, read off je roven mnoˇzstv´ı dat v bufferu. Nedˇeláme nic, pouze vrac´ıme nulu jako znamen´ı konce souboru dat.

4


4.5.7

18

Operace ioctl() a konfigurace sn´ımaˇ ce

Volán´ı ioctl() se pouˇz´ıvá pro speciáln´ı operace, které se vymykaj´ı bˇeˇznému ˇcten´ı nebo zápisu dat. U ovladaˇce pro videosn´ımaˇc se t´ımto zp˚ usobem provád´ı konfigurace a zjiˇst’uj´ı se moˇznosti zaˇr´ızen´ı. V kapitole o Video4Linux2 jsem uˇz popsal, jak tato vrstva usnadˇ nuje pouˇzit´ı ioctl(). Zat´ımco v bˇeˇzných ovladaˇc´ıch funkce ioctl() obsahuje obrovskou konstrukci switch–case, která ˇreˇs´ı r˚ uzné pˇr´ıkazy, vrstva V4L2 tento problém ˇreˇs´ı sama a programátor mus´ı pouze definovat funkce o pˇredem daných prototypech, které jednotlivé pˇr´ıkazy ioctl realizuj´ı. V4L2 definuje mnoho ioctl pˇr´ıkaz˚ u a vˇsechny jsou reprezentovány konstantami ve tvaru VIDIOC xxx. Jejich podrobný popis a definice pˇr´ısluˇsných funkˇcn´ıch prototyp˚ u lze nalézt ve specifikaci V4L2 [8]. Jsou mezi nimi zahrnuty ale pˇr´ıkazy pro vˇsechny tˇr´ıdy zaˇr´ızen´ı, které V4L2 podporuje. My budeme v naˇsem driveru ˇreˇsit jen velmi malou ˇcást. Pˇ r´ıkaz QUERYCAP ENUMFMT G FMT S FMT TRY FMT CROPCAP G CROP S CROP QUERYCTRL G CTRL S CTRL

Popis dotaz na schopnosti zaˇr´ızen´ı dotaz na podporované formáty dotaz na aktuáln´ı formát pˇr´ıkaz k nastaven´ı formátu dotaz na moˇznost nastaven´ı daného formátu dotaz na moˇznosti oˇrezu obrazu dotaz na aktuáln´ı nastaven´ı oˇrezu pˇr´ıkaz k nastaven´ı oˇrezu dotaz na moˇznosti nastaven´ı parametr˚ u dotaz na hodnotu parametru pˇr´ıkaz k nastaven´ı parametru

Tabulka 4.1: Podporované ioctl pˇr´ıkazy Pˇr´ıkazy, které maj´ı vazbu na pouˇzitý senzor, jsou vyˇrizovány prostˇrednictv´ım zpˇetných volán´ı ve struktuˇre image sensor. Form´ at dat: náˇs sn´ımaˇc MT9V011 podporuje jenom jeden formát, proto funkce pro nastaven´ı asi moc nevyuˇzijeme, ale driver pro ISI mus´ı b´ yt univerzáln´ı a pˇredpokládat moˇznost pˇripojen´ı sn´ımaˇce s v´ıce podporovanými formáty. Parametry: u MT9V011 podporujeme dobu expozice a zes´ılen´ı jednotlivých barevných kanál˚ u na Bayerovˇe masce. Podporované parametry ale závis´ı na typu senzoru, proto je na jeho ovladaˇci, aby sdˇelil jejich seznam.

4.6

Ovladaˇ c sn´ımaˇ ce

Ovladaˇc pro sn´ımaˇc je specifický pro konkrétn´ı výrobek Micron MT9V011. Nenab´ız´ı ˇzádné rozhran´ı pro komunikaci s uˇzivatelskou aplikac´ı, protoˇze komunikuje pouze s ovladaˇcem ISI.

4


19

´ Ukolem ovladaˇce je pˇrij´ımat pokyny od ovladaˇce ISI a pˇredávat je sn´ımaˇci. Komunikace se sn´ımaˇcem prob´ıhá po sériové lince protokolem I2C a jedná se pouze o z´ apis nebo ˇ cten´ı ovl´ adac´ıch registr˚ u sn´ımaˇ ce. Význam driveru je znázornˇen na obr. 4.4.

Obrázek 4.4: Význam ovladaˇce mt9v011

4.6.1

´ Upravy linuxov´ eho j´ adra

Stejnˇe jako u ovladaˇce ISI, i pro driver sn´ımaˇce je nutné provést nˇekolik drobných zmˇen ve zdrojových kódech linuxového jádra. V souboru board-eye02.c definujeme pole static struct i2c_board_info __initdata eye_i2c_devices[] = { ... { I2C_BOARD_INFO("mt9v011", 0x5d), }, }; V nˇem kaˇzdý prvek reprezentuje jedno zaˇr´ızen´ı na sbˇernici I2C a uvád´ı jeho název a sedmibitovou adresu. Senzor se na sbˇernici hlás´ı adresou 0x5d a ponese název mt9v011, stejnˇe jako jeho ovladaˇc (to je podm´ınka). V inicializaˇcn´ım souboru desky potom nezapomeneme volat funkci at91_add_device_i2c(eye_i2c_devices, ARRAY_SIZE(eye_i2c_devices)); Tento kód mus´ı být uveden pro kaˇzdou pouˇzitou aplikaci v jej´ım souboru board-xxx.c.

4.6.2

Protokol I2C

Komunikace mikroprocesoru se sn´ımaˇcem prob´ıhá kromˇe rozhran´ı ISI také po sériové lince, kde je pouˇzitý protokol I2C. Tento protokol definuje komunikaci na sbˇernici, kde je kromˇe jednoho masteru (mikroprocesor) pˇr´ıtomno také nˇekolik zaˇr´ızen´ı slave (ty jsme definovali v souboru board-eye02.c). Kaˇzdé zaˇr´ızen´ı má svou unikátn´ı sedmibitovou adresu. V kameˇre EYE-02 je kromˇe videosn´ımaˇce na sbˇernici I2C pˇripojena také pamˇet’ EEPROM.

4


20

Protokol I2C definuje dvˇe základn´ı operace s daty: ˇcten´ı a zápis. Pˇri kaˇzdé z tˇechto operac´ı mus´ı být zadána sedmibitová adresa zaˇr´ızen´ı. Pro pˇr´ıpad zaˇr´ızen´ı jako je náˇs sn´ımaˇc nebo EEPROM je jeˇstˇe potˇreba zadat adresu uvnitˇr tˇechto zaˇr´ızen´ı, kterou specifikujeme, s jakými daty budeme pracovat. U videosn´ımaˇce se jedná o adresu registru, který budeme ˇc´ıst nebo zapisovat. Pro usnadnˇen´ı komunikace je mikroprocesor vybaven modulem TWI (Two-Wire Interface). Bohuˇzel s n´ım programátoˇri nemaj´ı dobré zkuˇsenosti, proto se doporuˇcuje nepouˇz´ıvat ho a provozovat I2C komunikaci pˇr´ımo pos´ılán´ım bit˚ u na sériovou linku. V Linuxu je pro tento u ´ˇcel k dispozici ovladaˇc i2c-gpio. Ten provozuje komunikaci protokolem SMBus, který je jakousi podtˇr´ıdou I2C a definuje komunikaci právˇe pro zaˇr´ızen´ı jako EEPROM nebo náˇs videosenzor, která funguj´ı jako u ´schovna dat a pˇri ˇcten´ı nebo zápisu je u nich nutné definovat vnitˇrn´ı adresu, na které se nacházej´ı data, s nimiˇz hodláme pracovat.

4.6.3

Struktura k´ odu

V init a exit funkci modulu se provádˇej´ı pouze dvˇe vˇeci – registrace a odstranˇen´ı driveru pro zaˇr´ızen´ı I2C: i2c_add_driver(&mt9v011_i2c_driver); i2c_del_driver(&mt9v011_i2c_driver); Struktura mt9v011 i2c driver reprezentuje ovladaˇc zaˇr´ızen´ı I2C a je definována následovnˇe: static struct i2c_driver mt9v011_i2c_driver = { .driver = { .name = "mt9v011", }, .probe = mt9v011_probe, .remove = mt9v011_remove, .id_table = mt9v011_id, }; Název driveru mus´ı být shodný s názvem zaˇr´ızen´ı, které jsme definovali v souboru board-eye02.c. Potom pˇri jeho registraci jádro zavolá funkci mt9v011 probe(), která provád´ı inicializaci. Pˇri inicializaci jsou nastaveny potˇrebné parametry pro provozován´ı I2C komunikace a dále se zavád´ı struktura image sensor, která slouˇz´ı jako rozhran´ı mezi ovladaˇcem sn´ımaˇce a ovladaˇcem ISI. Funkˇcn´ım ukazatel˚ um v této struktuˇre jsou pˇriˇrazeny funkce, které ovladaˇc sn´ımaˇce definuje a které bude ovladaˇc ISI pˇri svoj´ı práci volat. Na závˇer je provedena registrace struktury image sensor: struct image_sensor *ims; ... ims->set_crop = mt9v011_set_crop; ... atmel_isi_register_camera(ims);

4


21

Pˇritom se volá registraˇcn´ı funkce, kterou exportuje ovladaˇc ISI. Ovladaˇc sn´ımaˇce dále obsahuje funkce, které se daj´ı rozdˇelit do dvou kategori´ı: • z´ apis a ˇ cten´ı registr˚ u sn´ımaˇ ce – obaluj´ı funkce ovladaˇce i2c core, který se v jádˇre stará o I2C komunikaci. • zpˇ etn´ a vol´ an´ı struktury image sensor – tyto funkce volá ovladaˇc ISI, kdyˇz chce nastavit nˇejaký obecný parametr senzoru a nezaj´ımá ho, jak se toto nastaven´ı provede na konkrétn´ım typu senzoru. To uˇz je starost tohoto ovladaˇce senzoru. Pˇr´ıkladem je volán´ı set crop – nastaven´ı oˇrezu obrázku. Ovladaˇc ISI chce nastavit jistý oˇrez obrázku, tak zavolá tuto funkci. Ovladaˇc sn´ımaˇce v´ı, jak se toto nastaven´ı provede na aktuáln´ım sn´ımaˇci, a tuto akci provede.

4.7

Pouˇ zit´ı ovladaˇ c˚ u

Pouˇzit´ı obou ovladaˇc˚ u jsem otestoval u ´ loze sejmut´ı obrázku. Po pˇrekladu jsem mˇel k dispozici dva jaderné moduly: atmel-isi.ko mt9v011.ko Tyto moduly jsem zavedl do jádra: insmod atmel-isi.ko insmod mt9v011.ko Dokud jsou moduly mimo jádro, je nutné dodrˇzet toto poˇrad´ı, protoˇze modul mt9v011 vyuˇz´ıvá symboly exportované modulem atmel-isi (funkci pro registraci sn´ımaˇce) a pokud by v momentˇe jeho zavádˇen´ı nebyl atmel-isi v jádˇre pˇr´ıtomen, program insmod by ohlásil chybu, ˇze modul obsahuje nedefinované symboly. Pokud by moduly byly souˇcást´ı jádra, mohla by se na jejich zaveden´ı pouˇz´ıt funkce modprobe, která by poznala, ˇze modulu mt9v011 chyb´ı symboly definované v modulu atmel-isi a jako prvn´ı by sama zavedla právˇe atmel-isi. V jádˇre mus´ı být dále pˇr´ıtomno API Video4Linux2, které vyˇzaduje modul atmel-isi a podpora pro I2C, kterou vyˇzaduje modul mt9v011. V tabulce zaˇr´ızen´ı /proc/devices bychom mˇeli vidˇet poloˇzku video4linux s major ˇc´ıslem 81. Abychom mohli k ovladaˇci ISI pˇristupovat, mus´ıme si vytvoˇrit soubor /dev/video0 pˇr´ıkazem mknod /dev/video0 c 81 0 Ted’ uˇz m˚ uˇzeme vesele sn´ımat obraz. Vyuˇzijeme k tomu operaci read na souboru zaˇr´ızen´ı. Tuto operaci provádˇej´ı napˇr. utility dd nebo cat, ale m˚ uˇzeme si vytvoˇrit i vlastn´ı program. cat /dev/video0 > rawdata

4


22

Po této operaci budeme m´ıt v souboru rawdata po ˇrádc´ıch sekvenˇcnˇe uloˇzené jasové hodnoty vˇsech pixel˚ u ze sn´ımaˇce, ovˇsem v barevném rozloˇzen´ı podle Bayerovy masky. Pˇri zpracován´ı je nutné provést debayerizaci (z Bayerovy masky vytvoˇrit 24-bitový RGB formát). Ukázka obrázku poˇr´ızeného kamerou je na obr. 4.5.

Obrázek 4.5: Ukázka obrázku sejmutého kamerou EYE-02

Kapitola 5 ˇ Cidlo PIR Kamera EYE-02 je vybavena pohybovým senzorem PIR (passive infrared). Tento senzor generuje analogový signál a je pˇripojen na prvn´ı kanál analogovˇe-ˇc´ıslicového pˇrevodn´ıku v mikroprocesoru. Ovladaˇc pro tento senzor vyˇc´ıtá data z analogovˇe-digitáln´ıho pˇrevodn´ıku a nechává na uˇzivatelské aplikaci, aby signál zpracovala a detekovala z nˇeho pohyb.

5.1

Inicializaˇ cn´ı funkce

Ovladaˇc jsem pojal velice klasicky a jeho funkce je jednoduchá. V inicializaˇcn´ı funkci modulu se registruje jádru znakové zaˇr´ızen´ı a vyˇzádá si pˇridˇelen´ı major ˇc´ısla. err = alloc_chrdev_region(&pir_dev, PIR_MINOR, PIR_NR_DEV, PIR_DEVNAME); cdev_init(&pir_cdev, &pir_fops); err = cdev_add(&pir_cdev, pir_dev, PIR_NR_DEV); Driver si registruje dvˇe znaková zaˇr´ızen´ı. Zaˇr´ızen´ı s minor ˇc´ıslem 0 na ˇzádost read vrát´ı aktuáln´ı hodnotu analogového signálu pˇr´ımo v binárn´ı podobˇe, zat´ımco zaˇr´ızen´ı ˇc. 1 vrac´ı tuto hodnotu pˇrevedenou na text. Dále inicializaˇcn´ı funkce aktivuje zdroj hodinového signálu pro periferii ADC: struct clk *adc_clk = clk_get(NULL, "adc_clk"); clk_enable(adc_clk); Blok ADC se stejnˇe jako kaˇzdá jiná periferie ovládá prostˇrednictv´ım ˇr´ıdic´ıch registr˚ u, proto k nim mus´ıme m´ıt pˇr´ıstup. Inicializaˇcn´ı funkce si vyˇzádá pˇr´ıstup do pamˇet’ové oblasti, do které jsou registry mapované, a následnˇe provede pˇremapován´ı do virtuáln´ıho pamˇet’ového prostoru. struct resource *adc_res; void __iomem *adc_regs; adc_res = request_mem_region(AT91SAM9260_BASE_ADC, ADC_REGS_LEN, PIR_DEVNAME); adc_regs = ioremap_nocache(AT91SAM9260_BASE_ADC, ADC_REGS_LEN); 23

5

ˇ Cidlo PIR

24

Protoˇze pˇrevod analogové hodnoty na digitáln´ı nˇejakou chv´ıli trvá, informuje nás blok ADC o jeho dokonˇcen´ı pˇreruˇsen´ım. Mus´ıme si tedy registrovat obsluhu pˇreruˇsen´ı: err = request_irq(AT91SAM9260_ID_ADC, pir_irqhandler, 0, PIR_DEVNAME, NULL); Nakonec provedeme inicializaci A/D pˇrevodn´ıku. Povol´ıme pˇr´ısluˇsný analogový kanál a pˇreruˇsen´ı pro pˇr´ıpad dokonˇcen´ı pˇrevodu. mode = AT91_ADC_LOWRES | AT91_ADC_PRESCAL_(9) | AT91_ADC_SHTIM_(9) | AT91_ADC_STARTUP_(9) | AT91_ADC_SLEEP; adc_writeb(CR, SWRST); adc_writeb(CHER, CH(pir_adc_channel)); adc_writel(MR, mode); adc_writeb(IER, EOC(pir_adc_channel));

5.2

Souborov´ a operace read()

Nápln´ı obsluhy operace read() je pˇrevod aktuáln´ı hodnoty na PIR senzoru a jeho pˇrenos do uˇzivatelského prostoru. Pˇrevod prob´ıhá velmi jednoduˇse – zap´ıˇseme do ˇr´ıdic´ıho registru pˇrevodn´ıku, aby zaˇcal s pˇrevodem, a následnˇe ˇcekáme, dokud nás obsluha pˇreruˇsen´ı neinformuje o dokonˇcen´ı pˇrevodu. static struct completion data_ready; ... init_completion(&data_ready); adc_writeb(CR, START); wait_for_completion_timeout(&data_ready, msecs_to_jiffies(1000)); Po dokonˇcen´ı pˇrevodu pˇreneseme výslednou hodnotu do uˇzivatelského prostoru. Ve funkci open() jsme si zjistili, který znakové zaˇr´ızen´ı bylo otevˇreno (tedy jeho minor ˇc´ıslo) a podle toho pˇreneseme do uˇzivatelského prostoru bud’ binárn´ı hodnotu nebo ˇretˇezec. Nezapomeneme na oˇsetˇren´ı konce pˇrenosu (to je d˚ uleˇzité pˇredevˇs´ım u ˇretˇezce) – po vyˇcten´ı hodnoty si nastav´ıme pˇr´ıznak a pˇri pˇr´ıˇst´ım volán´ı read vrát´ıme nulu signál konce souboru dat.

5.3

Obsluha pˇ reruˇsen´ı

´ Ulohou obsluhy pˇreruˇsen´ı je informovat ˇcekaj´ıc´ı funkci read() o dokonˇcen´ı pˇrevodu, aby mohla pˇrevedená data odevzdat do uˇzivatelského prostoru. static irqreturn_t pir_irqhandler(int irq, void *dev_id) { if (adc_readb(SR, EOC(pir_adc_channel))) { adc_data = adc_readl(CHR(pir_adc_channel)); complete(&data_ready);

ˇ Cidlo PIR

5

25

} return IRQ_HANDLED; } V obsluze pˇreruˇsen´ı také vyˇcteme pˇrevedenou hodnotu z datového registru, ˇc´ımˇz se zruˇs´ı pˇr´ıznak pˇreruˇsen´ı a procesor bude pˇripraven na dalˇs´ı. Pˇrenesená data uloˇz´ıme do globáln´ı promˇenné, kde si je vyzvedne funkce read().

5.4

Dalˇs´ı moˇ znosti v´ yvoje

Tento driver jsem nestihl dovést do pokroˇcilejˇs´ı podoby. Urˇcitˇe by bylo uˇziteˇcnˇejˇs´ı, kdyby nejen vyˇc´ıtal data z A/D pˇrevodn´ıku, ale také je zpracovával a detekoval v nich situace, kdy se pˇred senzorem nˇekdo pohybuje. V takovém pˇr´ıpadˇe by mˇel driver obsahovat kruhový buffer, do kterého by se zaznamenávala urˇcitá délka pr˚ ubˇehu analogového signálu a tento u ´ sek dat by se zpracovával. Operace read() by potom nam´ısto digitáln´ı hodnoty signálu z ˇcidla vracela logickou hodnotu podle toho, jestli byl pˇred kamerou detekován pohyb nebo ne.

Kapitola 6 USB velkokapacitn´ı zaˇ r´ızen´ı Jak uˇz bylo zm´ınˇeno v u ´ vodn´ıch kapitolách, plánovanou funkc´ı kamery je stˇreˇzen´ı vymezeného prostoru a v pˇr´ıpadˇe detekce pohybu sejmut´ı obrázk˚ u, jejich uloˇzen´ı do pamˇeti a následné upozornˇen´ı uˇzivatele formou SMS nebo MMS. Aby si uˇzivatel po pˇr´ıchodu ke kameˇre mohl sejmuté obrázky prohlédnout, bude kamera podporovat pˇripojen´ı k PC protokolem USB. Poˇc´ıtaˇci by se kamera mˇela pˇredstavit jako velkokapacitn´ı pamˇet’ové zaˇr´ızen´ı (USB file storage device), podobnˇe jako napˇr. USB kl´ıˇcenka. Drivery pro zaˇr´ızen´ı s USB protokolem se dˇel´ı na dvˇe skupiny podle toho, na které stranˇe kabelu budou aktivn´ı: (a) Drivery na hostuj´ıc´ım syst´ emu – t´ım je obvykle PC, k nˇemuˇz pˇripojujeme nˇejaké USB zaˇr´ızen´ı. ˇ ıká (b) Drivery na zaˇ r´ızen´ı – funguj´ı v embedded zaˇr´ızen´ı, které pˇripojujeme k PC. R´ se jim také USB gadget drivers. Z tohoto rozdˇelen´ı je zˇrejmé, ˇze pro kameru bude potˇreba driver z druhé skupiny, tedy driver na zaˇr´ızen´ı. V této ˇcásti práce za mˇe veˇskerou práci uˇz odvedli druz´ı – gadget driver pro velkokapacitn´ı zaˇr´ızen´ı je v jádˇre jiˇz pˇr´ıtomen. Lze ho nalézt v adresáˇri drivers/usb/gadget spolu s nˇekolika dalˇs´ımi drivery, které podporuj´ı napˇr. emulaci sériového portu nebo ethernetového rozhran´ı na USB portu. Driver pro velkokapacitn´ı zaˇr´ızen´ı nese název file storage. Tento driver je pro kameru pˇrekládán jako modul, pˇriˇcemˇz pˇri zavádˇen´ı se mu jako parametr pˇredá souborový systém, který má driver zpˇr´ıstupnit. V kameˇre je to tˇret´ı odd´ıl Micro SD karty, který je formátován jako VFAT a má velikost cca 480 MB. Modul zavedeme do jádra pˇr´ıkazem modprobe g_file_storage stall=n file=/dev/mmcblk0p3

26

Kapitola 7 Z´ avˇ er ´ Ukolem mé diplomové práce bylo prozkoumat moˇznosti pouˇzit´ı operaˇcn´ıho systému Linux v kameˇre JABLOCOM EYE-02. ´ Uloha instalace operaˇcn´ıho systému do kamery byla jiˇz vyˇreˇsena v rámci týmového projektu, já jsem se vˇenoval tvorbˇe ovladaˇc˚ u pro hardwarové souˇcásti kamery. Psal jsem ovladaˇce pro rozhran´ı ISI mikroprocesoru Atmel AT91SAM9260, pˇripojený CMOS videosenzor Micron MT9V011 a detektor pohybu PIR. Poˇzadavkem firmy JABLOCOM bylo také vytvoˇrit ovladaˇc pro USB device port, který by kameru prezentoval jako velkokapacitn´ı pamˇet’ové zaˇr´ızen´ı, avˇsak takový ovladaˇc je jiˇz souˇcást´ı jádra, proto jsem tuto u ´ lohu ’ neˇreˇsil, nebot by to byla zbyteˇcná práce. Vytvoˇril jsem ovladaˇc pro rozhran´ı ISI, které slouˇz´ı pro pˇripojen´ı CMOS videosenzor˚ u. M˚ uj ovladaˇc nepokrývá vˇsechny moˇznosti tohoto rozhran´ı. Nˇekteré funkce jsou omezeny na formát obrazových dat, který bohuˇzel pouˇzitý videosenzor neposkytuje. Nepsal jsem tedy kód, který bych nemˇel moˇznost odladit. Dále jsem se pˇri práci zamˇeˇril sp´ıˇse na poˇzadavek sejmut´ı jednoho sn´ımku na povel a neˇreˇsil jsem moˇznosti streamován´ı. Spolu s ovladaˇcem pro ISI jsem vytvoˇril také ovladaˇc pro pouˇzitý videosn´ımaˇc. Sn´ımaˇc se totiˇz neovládá pouze prostˇrednictv´ım rozhran´ı ISI, to slouˇz´ı jen pro pˇrenos dat. Je také potˇreba provádˇet konfiguraci sn´ımaˇce a to lze napˇr. prostˇrednictv´ım sbˇernice I2C, jako u pouˇzitého senzoru firmy Micron. Tento zp˚ usob ale nen´ı unifikovaný, m˚ uˇze se u r˚ uzných typ˚ u senzor˚ u liˇsit. Proto by tento u ´ kol mˇel provádˇet zvláˇstn´ı driver. Jednak je to ˇcistˇs´ı, protoˇze driver pro ISI by mˇel obsluhovat skuteˇcnˇe jenom ISI a jinou práci nechat jiným driver˚ um, a dále je potˇreba odliˇsit r˚ uzné typy senzor˚ u a jejich specifika. M˚ uj driver pro ISI tedy definuje API a m˚ uˇze d´ıky tomu pouˇz´ıvat kaˇzdý senzor, jehoˇz driver s t´ımto API spolupracuje. Dále jsem vytvoˇril ovladaˇc pro detektor pohybu PIR. Tento ovladaˇc jsem nestihl dokonˇcit, takˇze jenom pˇrenáˇs´ı signál, který tento detektor generuje. Bylo by vhodné rozˇs´ıˇrit ho o zpracován´ı signálu tak, aby uˇzivateli poskytl jasnou informaci o pˇr´ıtomnosti pohybuj´ıc´ıho se objektu pˇred kamerou. Pˇr´ınos této práce vid´ım v z´ıskán´ı dovednost´ı pˇri tvorbˇe linuxových ovladaˇc˚ u, v bliˇzˇs´ım seznámen´ı se s t´ımto operaˇcn´ım systémem a jeho vyuˇzit´ım na procesorech ARM.

27

Literatura [1] J. Corbet, A. Rubini, G. Kroah-Hartman: Linux Device Drivers, Third Edition, O’Reilly Media (2005) [2] P. J. Salzman, M. Burian, O. Pomerantz: The Linux Kernel Module Programming Guide, (2001) [3] AT91SAM9260 Preliminary, Revision 6221G, Atmel Corporation (2008) [4] Katalogový list CMOS sn´ımaˇce MT9V011, Rev B, Micron Technology, Inc. (2004) [5] N. Matthew, R. Stones: Beginning Linux Programming, 4th Edition, Wiley Publishing (2008) [6] Kurzy na serveru http://free-electrons.com, Free Electrons 2004–2008 [7] R. Krátký: Seriál Jaderné noviny – Video4Linux2 API na serveru AbcLinuxu.cz (http://www.abclinuxu.cz), publikován v letech 2006–2007 [8] M. H. Schimek, B. Dirks, H. Verkuil, M. Rubli: Video for Linux Two API Specification, Revision 0.24, (1999–2008) [9] Dokumentace zdrojového kódu linuxového jádra (adresáˇr Documentation)

28

Dodatek A Obsah pˇ riloˇ zen´ eho CD K tiˇstˇené verzi práce je pˇriloˇzeno CD s následuj´ıc´ım obsahem: • elektronická verze práce ve formátu PDF • zdrojový kód driveru atmel-isi • zdrojový kód driveru mt9v011 • zdrojový kód driveru pir • patche pro doplnˇen´ı podpory pro ovladaˇce do zdrojových kód˚ u linuxového jádra verze 2.6.29.3 • katalogový list mikroprocesoru Atmel AT91SAM9260 • katalogový list CMOS videosn´ımaˇce Micron MT9V011

29

Fakulta elektrotechnická EYE-02

Recommend Documents