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文小二

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全志R128 SDK HAL 模块开发指南——CSI

CSI

介绍sunxi 平台RTOS 上CSI_JPEG 驱动hal 的一般使用方法及调试接口，为开发与调试提供参考。

模块介绍

SENSOR -> CSI 通路

CSI （CMOS sensor interface）接口时序上可支持独立 SYNC 和嵌入 SYNC(CCIR656)。支持接收 YUV422 或 YUV420 数据。

在这里插入图片描述

VSYNC 和HSYNC 的有效电平可以是正极性，也可以是负极性。在配置时，需要保证摄像头和 CSI 内部配置保持一致。

最常见的 YUV422 格式输入后，内部只能处理成 YUV420 格式，并输出到 memory 存以 NV12布局形式。

在这里插入图片描述

CSI -> JPEG 通路

编码格式

JPEG 模块只支持 YUV420 格式的编码，因此 CSI 捕获的数据输出给 JPEG 模块编码的图像格式必须是 YUV420。若 CSI 输入 JPEG 模块是 JPEG 码流，JPEG 模块也能正常将其输出。

编码模式

JPEG 模块支持 online 及 offline 模式编码。

  • online 模式即在线模式，CSI 每接收到 16 行数据就自动进行 JPEG 编码，当前帧图像接收完，编码也随即完成。该模式 CSI 不会将接收的原始图像数据保存起来，只输出 JPEG 编码后的数据。编码数据输出的方式又有：整帧模式和分块模式。
  • offline 模式即离线模式，CSI 接收到的数据会先存到内存中，待一帧完整数据全部存储完成后，由软件启动 JPEG 编码。所以此时 JPEG 不是实时处理，可以对任何已经保存好的 YUV420 图像数据进行编码。
online 模式

Online 模式的通路框图如下图所示：

在这里插入图片描述

Sensor(摄像头) 输出 YUV422 格式数据到 CSI，CSI 接收到 YUV422 后处理成 YUV420 格式，每接收到 16 行数据后，硬件会自动启动 JPEG encoder 进行一次编码操作，编码输出的码流通过总线直接写到设定好的内存中，故可认为 Online 模式下图像的接收和编码是同时进行的。在一帧数据接收完并编码结束后，JPEG encoder 会产生 ve finish(编码完成) 中断。因此，对图像分辨率的要求是行列数为 16 的整数倍，支持的最小分辨率为 32*32。

Online 分块模式与整帧模式的区别在于，分块模式可以在 JPEG 编码输出数据量达到设定值 (例如 2KB/4KB) 后产生中断，并且可以在一帧编码过程中循环使用编码输出空间，例如只分配 8KB的编码输出空间，而一帧图像编码数据有 20KB，则在第一次写满 8KB 后，JPEG 将会从这 8KB的首地址开始存储，循环使用，故需要软件配合将之前的数据读走，否则之前的数据会被覆盖。

offline 模式

Offline 模式的通路框图如下图所示：

在这里插入图片描述

Offline 模式下，CSI 会将 YUV420 的原始图像数据存储到 YUV memory 中，存放格式为NV12。一帧图像全部存完后，产生写回中断 (wb finish)，然后由软件启动 JPEG 开始编码， JPEG 编码器会读取 YUV memory 中的原始数据送给 Encoder 进行编码，编码后的数据写到JPEG memory 中。

模块配置

其menuconfig 的配置如下（以选择GC0308 摄像头为例）：

Drivers Options --->
    soc related device drivers --->
        CSI Devices --->
            [*] enable csi driver
            [*] enable csi camera driver
            [*] csi camera choice --->
                --- csi camera choice
                [*] csi camera GC0308
            [*] enable jpeg encoder
            [*] enable csi demo test command  // csi_jpeg模块测试用例

源码结构

驱动位于 rtos-hal/hal/source/drivers/hal/source/csi

csi/
├── csi_camera/         ;csi driver
│   ├── csi.c
│   ├── csi.h
│   ├── csi_reg/
│   │   ├── csi_reg.c
│   │   └── csi_reg.h
│   └── sensor/         ;cmos sensor driver
│   ├── drv_gc0308.c
│   ├── sensor_helper.c
│   └── sensor_helper.h
├── hal_csi_jpeg.c      ;csi_jpeg模块驱动实现主体
├── jpeg/               ;jpeg driver
│   ├── hal_jpeg.c
│   ├── hal_jpeg.h
│   ├── jpegenc.c
│   ├── jpegenc.h
│   ├── jpeglib.c
│   ├── jpeglib.h
│   ├── jpeg_marker.h
│   └── jpeg_reg/
│   ├── jpeg_reg.c
│   └── jpeg_reg.h
└── utility
    ├── cj_board_cfg.h
    ├── cj_platform_cfg.h
    └── sensor/
        ├── camera_sensor.h
        └── drv_gc0308.h

模块接口说明

数据结构

csi_jpeg_fmt

作用：用于描述csi_jpeg 模块的属性参数

成员：

  • line_mode：JPEG 的工作模式。
  • output_mode：CSI_JPEG 的输出图像格式。
  • cb：CSI/JPEG 的硬件中断的回调函数。可以用做实现JPEG 分块模式的数据提取功能。
struct csi_jpeg_fmt {
    unsigned int width;
    unsigned int height;
    enum line_mode_t line_mode;
    enum pix_output_fmt_mode_t output_mode;
    CapStatusCb cb;
    unsigned char fps; //reserve
}；
    
// 成员line_mode结构体
enum line_mode_t {
    OFFLINE_MODE = 0,
    ONLINE_MODE,
};

// 成员output_mode结构体
enum pix_output_fmt_mode_t {
    PIX_FMT_OUT_NV12 = 0x1,
    PIX_FMT_OUT_JPEG = 0x2,
    PIX_FMT_OUT_MAX = 0x3,
};

csi_ipeg_mem

作用：用于描述 CSI/JPEG 模块所申请 buffer 相关的属性信息

成员：

  • buf : 所申请的 buffer。
  • mpart_info : JPEG 分块模式的块属性信息。
struct csi_ipeg_mem {
    unsigned char index;
	struct csi_ipeg_buf buf;
    jpeg_mpartbuffinfo mpart_info;
    struct list_head list;
};

// 成员buf结构体
struct csi_ipeg_buf {
    unsigned int size;
    void *addr;
};

// 成员mpart_info结构体
typedef struct {
    uint8_t buff_index;   /* Indicate which buffer the currently encoded part jpeg is stored in */
    uint32_t buff_offset; /* Indicate the offset of the current part of jpeg in the buffer */
    uint8_t tail;         /* Indicates whether it is the last part of a jpeg image */
    uint32_t size;        /* Indicate the size of the current part of jpeg encoding */
} jpeg_mpartbuffinfo;

模块加载初始化

csi_jpeg 模块的加载函数，主要是CSI/JPEG 模块的初始化、申请中断和clk 初始化等

函数原型：

HAL_Status hal_csi_jpeg_probe(void)

参数：

  • 无

返回值：

  • 0：成功
  • 负数：失败

模块去初始化

csi_jpeg 模块的移除函数，主要是CSI/JPEG 模块的反初始化、注销中断和clk 反初始化等。

HAL_Status hal_csi_jpeg_remove(void)

参数：

  • 无

返回值：

  • 0：成功
  • 负数：失败

配置参数

设置csi_jpeg 模块的属性参数。

函数原型：

void hal_csi_jpeg_set_fmt(struct csi_jpeg_fmt *intput_fmt)

参数：

  • intput_fmt：指向csi_jpeg_fmt 结构体类型的配置参数。

返回值：

  • 无

申请图像buffer

CSI/JPEG 模块获取存放图像数据的buffer。多个缓存可以用于建立FIFO，来提高视频采集的效率。

函数原型：

int hal_csi_jpeg_reqbuf(unsigned int count)

参数：

  • count: buffer 数目

返回值：

  • 0：成功
  • 负数：失败

释放图像buffer

CSI/JPEG 模块释放存放图像数据的buffer。

函数原型：

int hal_csi_jpeg_freebuf(void)

参数：

  • 无

返回值：

  • 0：成功
  • 负数：失败

配置流开关

csi_jpeg 模块的开流/关流函数，主要是CSI/JPEG 模块的配置和控制CSI 采集功能等。

函数原型：

void hal_csi_jpeg_s_stream(unsigned int on)

参数：

  • on：“非0” 值代表开启，“0” 值代表关闭

返回值：

  • 无

CSI buffer 出列

将CSI driver 已经填充好数据的 buffer 出列，供应用使用。

函数原型：

unsigned int hal_csi_dqbuf(struct csi_ipeg_mem *csi_mem, unsigned int timeout_msec)

参数：

  • csi_mem：CSI buffer，指向csi_ipeg_mem 结构体类型的配置参数。
  • timeout_msec：单位ms。

返回值：

  • 正数代表成功，返回csi_mem
  • 负数代表失败

CSI buffer 入队

将 User 空间已经处理过的buffer，重新入队，移交给CSI driver，等待填充数据。

函数原型：

void hal_csi_qbuf(void)

参数：

  • 无

返回值：

  • 无

JPEG buffer 出列

将 JPEG driver 已经填充好数据的 buffer 出列，供应用使用。

函数原型：

unsigned int hal_jpeg_dqbuf(struct csi_ipeg_mem *jpeg_mem, unsigned int timeout_msec)

参数：

  • jpeg_mem：JPEG buffer，指向csi_ipeg_mem 结构体类型的配置参数。
  • timeout_msec：单位ms。

返回值：

  • 正数代表成功，返回csi_mem
  • 负数代表失败

JPEG buffer 入队

将User 空间已经处理过的buffer，重新入队，移交给JPEG driver，等待填充数据。

函数原型：

void hal_jpeg_qbuf(void)

参数：

  • 无

返回值：

  • 无

模块使用范例

online 模式

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include "FreeRTOS/_os_semaphore.h"
#include "FreeRTOS/_os_time.h"
#include "sunxi_hal_twi.h"
#include <fcntl.h>
#include <hal_cmd.h>
#include <hal_log.h>
#include <hal_thread.h>
#include "hal_csi_jpeg.h"
#include "jpegenc.h"
#include "cj_platform_cfg.h"

/* Macro JPEG_MPART_ENABLE defined in jpegenc.h */
#if JPEG_MPART_ENABLE
#define JPEG_MPART_SIZE			(50*1024)
#endif

static int read_whole_jpg(struct csi_ipeg_mem *jpeg_mem, int order)
{
	FILE* fd;
	long long res;
	void *addr;
	int size;
	char name[128];

	hal_log_info("%s line: %d addr = 0x%08x size = %d\n", __func__, __LINE__,
				jpeg_mem->buf.addr, jpeg_mem->buf.size);

	sprintf(name, "/data/test_%d.jpg", order);
	fd = fopen(name, "ab");
	if (fd < 0) {
		hal_log_info("open /data/test.jpg error %d\n", fd);
		return -1;
	}
	addr = jpeg_mem->buf.addr - JPEG_HEADER_LEN;
	size = jpeg_mem->buf.size + JPEG_HEADER_LEN;

	res = fwrite(addr, size, 1, fd);
	if (res < 0) {
		hal_log_info("write fail(%d), line%d..\n", res, __LINE__);
		fclose(fd);
		return -1;
	}
	hal_log_info("write JPEG image ok\n");

	fclose(fd);

	return 0;
}

static int read_part_jpg(void *addr, int size, int order)
{
	FILE* fd;
	long long res;
	char name[128];

	hal_log_info("%s line: %d addr = 0x%08x size = %d\n", __func__, __LINE__, addr, size);

	sprintf(name, "/data/test_%d.jpg", order);
	fd = fopen(name, "ab");
	if (fd < 0) {
		hal_log_info("open /data/test.jpg error %d\n", fd);
		return -1;
	}

	res = fwrite(addr, size, 1, fd);
	if (res < 0) {
		hal_log_info("write fail(%d), line%d..\n", res, __LINE__);
		fclose(fd);
		return -1;
	}
	hal_log_info("write JPEG image ok\n");

	fclose(fd);

	return 0;
}

#if JPEG_MPART_ENABLE
static uint8_t* gmpartaddr[3];
static uint32_t gmpartsize[3];
static void jpeg_mpart_cb(struct csi_ipeg_mem *jpeg_mem)
{
	static uint32_t offset = 0;
	static int index = 0;
	hal_dcache_clean_invalidate((unsigned long)jpeg_mem->buf.addr +
			jpeg_mem->mpart_info.buff_offset, jpeg_mem->mpart_info.size); /* necessary operation */
	memcpy(gmpartaddr[index] + offset, jpeg_mem->buf.addr + jpeg_mem->mpart_info.buff_offset,
			jpeg_mem->mpart_info.size);
	offset += jpeg_mem->mpart_info.size;
	if (jpeg_mem->mpart_info.tail) { /*  encode one jpeg finish */
		gmpartsize[index] = offset;
		offset = 0;
		index++;
		if (index > 3)
			index = 0;
	}
}
#endif

static void main_test()
{
	struct csi_jpeg_fmt fmt;
	unsigned int count, i;
	struct csi_ipeg_mem *csi_mem;
	struct csi_ipeg_mem *jpeg_mem[3];
	unsigned int test_count;
	unsigned int timeout_msec;
	unsigned int j = 0;

	fmt.width = 640;
	fmt.height = 480;
	fmt.line_mode = ONLINE_MODE;
	fmt.output_mode = PIX_FMT_OUT_MAX;
#if JPEG_MPART_ENABLE
	fmt.cb = &jpeg_mpart_cb;
#endif
	hal_csi_jpeg_set_fmt(&fmt);

	count = 3;

	if (hal_csi_jpeg_reqbuf(count) != 0) {
		return;
	}

	test_count = 3;

	hal_csi_jpeg_s_stream(1);

	hal_log_info("csi stream on!");

	timeout_msec = 2000;

#if JPEG_MPART_ENABLE
	for (i = 0; i < count; i++) {
		gmpartaddr[i] = malloc(JPEG_MPART_SIZE);
		hal_log_info("jpeg pic addr = %x\n", gmpartaddr[i]);
		memset(gmpartaddr[i], 0 , JPEG_MPART_SIZE);
	}
#endif

	while (test_count-- > 0) {
		jpeg_mem[j] = hal_jpeg_dqbuf(jpeg_mem[j], timeout_msec);
		hal_jpeg_qbuf();
		j++;
		if (j > count)
			j = 0;
	}
	hal_disable_irq(CSI_JPEG_IRQn);

#if JPEG_MPART_ENABLE
	for (i = 0; i < count; i++) {
		read_part_jpg(jpeg_mem[i]->buf.addr - JPEG_HEADER_LEN, JPEG_HEADER_LEN, i);
		read_part_jpg(gmpartaddr[i], gmpartsize[i], i);
		free(gmpartaddr[i]);
	}
#else
	for (i = 0; i < count; i++)
		read_whole_jpg(jpeg_mem[i], i);
#endif

	hal_csi_jpeg_s_stream(0);
	hal_csi_jpeg_freebuf();
	hal_log_info("csi stream off!!\n");

}

int cmd_csi_jpeg_online_test(int argc, const char **argv)
{
	hal_log_info("csi jpeg demo started\n");
	hal_csi_jpeg_probe();

	main_test();

	hal_csi_jpeg_remove();
	hal_log_info("csi jpeg demo over\n");

	return 0;
}

FINSH_FUNCTION_EXPORT_CMD(cmd_csi_jpeg_online_test, hal_csi_jpeg_online, csi jpeg online encode test)

offline 模式

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include "FreeRTOS/_os_semaphore.h"
#include "FreeRTOS/_os_time.h"
#include "sunxi_hal_twi.h"
#include <fcntl.h>
#include <hal_cmd.h>
#include <hal_log.h>
#include <hal_thread.h>
#include "hal_csi_jpeg.h"
#include "jpegenc.h"

static int out_fmt = 0;
#define CSI_JPEG_IRQn	109  // rv
//#define CSI_JPEG_IRQn	93  // arm

static int read_frame(struct csi_ipeg_mem *csi_mem)
{
	FILE* fd;
	long long res;

	hal_disable_irq(CSI_JPEG_IRQn);  // when write bin, close irq, r/w too slow
	hal_log_info("%s line: %d addr = 0x%08x size = %d\n", __func__, __LINE__,
				csi_mem->buf.addr, csi_mem->buf.size);

	fd = fopen("/data/nv12.bin", "ab");
	if (fd < 0) {
		hal_log_info("open /data/nv12.bin error %d\n", fd);
		return -1;
	}

	res = fwrite(csi_mem->buf.addr, csi_mem->buf.size, 1, fd);
	if (res < 0) {
		hal_log_info("write fail(%d), line%d..\n", res, __LINE__);
		fclose(fd);
		return -1;
	}
	hal_log_info("write YUV image ok\n");

	fclose(fd);

	hal_enable_irq(CSI_JPEG_IRQn);	// after write bin, open irq, r/w too slow
	return 0;
}

static int read_jpg(struct csi_ipeg_mem *jpeg_mem)
{
	FILE* fd;
	long long res;
	void *addr;
	unsigned int size;
	char name[128];

	hal_disable_irq(CSI_JPEG_IRQn);  // cfm when write bin, close irq
	hal_log_info("%s line: %d addr = 0x%08x size = %d\n", __func__, __LINE__,
				jpeg_mem->buf.addr, jpeg_mem->buf.size);

	fd = fopen("/data/test.jpg", "ab");
	if (fd < 0) {
		hal_log_info("open /data/test_online.jpg error %d\n", fd);
		return -1;
	}

	addr = jpeg_mem->buf.addr - JPEG_HEADER_LEN;
	size = jpeg_mem->buf.size + JPEG_HEADER_LEN;

	res = fwrite(addr, size, 1, fd);
	if (res < 0) {
		hal_log_info("write fail(%d), line%d..\n", res, __LINE__);
		fclose(fd);
		return -1;
	}
	hal_log_info("write JPEG image ok\n");

	fclose(fd);
	hal_enable_irq(CSI_JPEG_IRQn);	// cfm after write bin, open irq

	return 0;
}

static void main_test()
{
	struct csi_jpeg_fmt fmt;
	unsigned int count;
	struct csi_ipeg_mem *csi_mem;
	struct csi_ipeg_mem *jpeg_mem;
	unsigned int test_count;
	unsigned int timeout_msec;

	fmt.width = 640;
	fmt.height = 480;
	fmt.line_mode = OFFLINE_MODE;
	fmt.output_mode = PIX_FMT_OUT_MAX;
	hal_csi_jpeg_set_fmt(&fmt);

	count = 3;

	if (hal_csi_jpeg_reqbuf(count) != 0) {
		return ;
	}

	hal_csi_jpeg_s_stream(1);
	hal_log_info("csi stream on!");

	test_count = 200;
	timeout_msec = 2000;  // recommend 2s, 10s for pm test

	if (!out_fmt) {
		while (test_count-- > 0) {
			hal_log_info("test count = %d\n", test_count);
			csi_mem = hal_csi_dqbuf(csi_mem, timeout_msec);
			if (test_count == 1)
				read_frame(csi_mem);
			hal_csi_qbuf();
		}
	} else {
		while (test_count-- > 0) {
			hal_log_info("test count = %d\n", test_count);
			jpeg_mem = hal_jpeg_dqbuf(jpeg_mem, timeout_msec);
			if (test_count == 1)
				read_jpg(jpeg_mem);
			hal_jpeg_qbuf();
		}
	}

	hal_csi_jpeg_s_stream(0);
	hal_csi_jpeg_freebuf();
	hal_log_info("csi stream off!!\n");

}

struct rt_thread *thread;

static void csi_thread(void *data)
{
	hal_log_info("csi jpeg demo started\n");
	hal_csi_jpeg_probe();

	main_test();

	hal_csi_jpeg_remove();
	hal_log_info("csi jpeg demo over\n");

	kthread_stop(thread);

	return 0;
}

int cmd_csi_jpeg_offline_test(int argc, const char **argv)
{
	int ret;
	if (argc < 2)
	{
		hal_log_info("Usage: hal_csi_jpeg_offline num. num: 0 is nv12, 1 is jpeg\n");
	} else {
		out_fmt = strtol(argv[1], NULL, 0);
	}

	thread = kthread_create((void *)csi_thread, NULL, "csi_thread", 409600, HAL_THREAD_PRIORITY_SYS);
	kthread_start(thread);

	return 0;
}

FINSH_FUNCTION_EXPORT_CMD(cmd_csi_jpeg_offline_test, hal_csi_jpeg_offline, csi jpeg offline encode test)

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