Camera|7.瑞芯微rk3568平台摄像头控制器MIPI-CSI驱动架构梳理

Camera | 1.Camera基础知识

Camera | 2.MIPI、CSI基础

Camera | 3.瑞芯微平台MIPI摄像头常用调试命令

Camera | 4.瑞芯微平台MIPI摄像头应用程序编写

Camera | 5.Linux v4l2架构(基于rk3568)

Camera | 6.v4l2拓扑架构（基于rk3568）

因为有拍照、录制视频、直播等刚需，现在手机的摄像头基本都是高清，支持高清摄像头的SoC都支持MIPI-CSI。

不同SoC的MIPI-CSI在实现上有一定差别，即使同一厂家设计生产的芯片也都不尽相同。

本文基于瑞芯微rk3568平台evb1公板为例来详细讲解MIPI-CSI/DPHY驱动。

阅读本文之前，建议大家先仔细学习前面几篇文章。

1一、rk3568硬件模块部分

驱动的研究往往要先从硬件着手，下面我首先看下rk3568公板电路。

1）电路图

由电路图可得摄像头与SoC的MIPI-CSI接口，可以是x4lane，也可以是x2lane,data和clk都是差分信号。

如果不了解，建议问下硬件工程师。

控制摄像头接口是I2C接口，并且位于I2C通道4下。

2）rk3568内部MIPI相关模块图

电路图只能查看SoC的MIPI控制器与摄像头的接口关系，下面我们来看下rk3568内部与mipi相关的模块。

吐槽一下瑞芯微的文档，一言难尽，我严重怀疑厂家压根就不想让其他人真正搞懂他们的SDK，这样好收每年的技术支持费用，高通这损招是让丫彻底学明白了。

由于官方给的手册要么有错误，要么就是有些图片错误，就不截图了。

下图是根据官方手册说明，整理的内部模块图。

1. Sensor输出数据流通过MIPI的lanes传输给rk3568的DPHY控制器
2. CSI控制器从硬件中提取出图像数据
3. VICAP从MIPI接口读取数据
4. 然后将数据传递给给ISP ，ISP 再输出经过一系列图像处理算法后得到图像。
5. MP用于预览图像
6. SP用于缩放

• VICAP Video Capture通过DVP/MIPI接口从摄像头读取数据，并通过AXI总线将数据传输到主存中。

VICAP特性:

支持 BT601 YCbCr 422 8bit  、 RAW 8/10/12bit 输入
支持 BT656 YCbCr 422 8bit  输入
支持 BT1120 YCbCr 422 8bit 输入 , 单/双边 取样
支持 2/4 mixed BT656/BT1120 YCbCr 422 8bit input
支持 YUYV 序列的配置
支持 the polarity of pixel_clk, hsync and vsync configurable
支持接收 CSI2 协议的数据(最多4个IDs)
支持接收 DSI 协议的数据(Video mode/Command mode)
支持窗口裁剪
支持virtual stride when write to DDR
支持输出NV16/NV12格式的YUV数据
支持compact/non-compact output for RAW data
支持MMU

• ISP(图像信号处理)

ISP是一个完整的视频和静止图像输入设备。这个模块支持集成YCbCr处理图像传感器和简单CMOS传感器 ，提交没有任何综合图像处理Bayer RGB模式图像。

rk3568采用的是ISP21版本。

ISP21 包含了一系列的图像处理算法模块，主要包括：暗电流矫正、坏点矫正、3A、HDR、镜头阴影矫 正、镜头畸变矫正、3DLUT、去噪（包括RAW域去噪，多帧降噪，颜色去噪等）、锐化等。

ISP21包括硬件算法实现及软件逻辑控制部分，RkAiq即为软件逻辑控制部分的实现。

RkAiq不断从ISP HW获取统计数据，并经过3A等算法生成新的参数反馈给各硬件模块。

RkAiq软件模块主要实现的功能为：从ISP驱动获取图像统计，结合IQ Tuning参数，使用一系列算法计 算出新的ISP、Sensor等硬件参数，不断迭代该过程，最终达到最优的图像效果。

3）CSI_RX、VICAP、ISP寄存器基地址

《Rockchip RK3568 TRM Part1 V1.1-20210301.pdf》

2二、 瑞芯微MIPI-CSI设备树分析

在rk3568中主要包含4个设备：

• isp-subdev：图像处理控制器，如3a处理，并将处理后的所得的参数反馈给sensor。
• csi-subdev：mipi数据解析控制器。
• cis2-dphy: mipi数据硬件接收控制器。
• sensor: 外接的sensor，支持mipi输出。

下面我看下瑞芯微MIPI-CSI是如何用设备树描述的。

1. 内核中相关MIPI设备树说明文档

瑞芯微MIPI-CSI设备树节点属性说明参考内核说明文档：

[kernel\Documentation\devicetree\bindings\media]
video-interfaces.txt             关于sensor节点属性的说明，接口类型，
rockchip-isp1.txt                isp模块属性说明
rockchip-mipi-dphy.txt           dphy模块的说明
kernel\Documentation\devicetree\bindings\media\i2c\ovxxxxxx.txt  ov系列的摄像设备树说明

2. 设备树节点说明

rk3568的MIPI-CSI用到的所有的设备树节点：

a) rockchip,rkisp-vir

rkisp_vir0: rkisp-vir0 {
    compatible = "rockchip,rkisp-vir";
    rockchip,hw = <&rkisp>;
    status = "disabled";
};    

该设备树信息对应的初始化函数

[kernel\drivers\media\platform\rockchip\isp\dev.c]
struct platform_driver rkisp_plat_drv = {
 .driver = {
     .name = DRIVER_NAME,
     .of_match_table = of_match_ptr(rkisp_plat_of_match),
     .pm = &rkisp_plat_pm_ops,
 },
 .probe = rkisp_plat_probe,
 .remove = rkisp_plat_remove,
};

该节点用于初始化isp相关的组件，

驱动程序会创建拓扑图中的 rkisp-isp-subdev、rkisp-csi-subdev、rkisp_mainpath、rkisp_selfpath、rkisp_rawwr0、rkisp_rawwr2、rkisp_rawwr3、rkisp_rawrd0_m、rkisp_rawrd2_s、rkisp-statistics、、rkisp-input-params 组件

isp硬件相关的信息在父节点**rockchip,hw = <&rkisp>;**中描述。

b) rkisp

rkisp: rkisp@fdff0000 {
    compatible = "rockchip,rk3568-rkisp";
    reg = <0x0 0xfdff0000 0x0 0x10000>;
    interrupts = ,
             ,
             ; //中断使用的gpio，触发方式高电平触发
    interrupt-names = "mipi_irq", "mi_irq", "isp_irq"; //中断名称
    clocks = <&cru ACLK_ISP>, <&cru HCLK_ISP>, <&cru CLK_ISP>; //时钟
    clock-names = "aclk_isp", "hclk_isp", "clk_isp";   //时钟名称
    resets = <&cru SRST_ISP>, <&cru SRST_H_ISP>;
    reset-names = "isp", "isp-h";
    rockchip,grf = <&grf>;   
    power-domains = <&power RK3568_PD_VI>;     //isp vicap电源和时钟
    iommus = <&rkisp_mmu>;                //mmu属性
    rockchip,iq-feature = /bits/ 64 <0x3FBFFFE67FF>;
    status = "disabled";
};    
 rkisp_mmu: iommu@fdff1a00 {
  compatible = "rockchip,iommu-v2";
  reg = <0x0 0xfdff1a00 0x0 0x100>;
  interrupts = ;
  interrupt-names = "isp_mmu";
  clocks = <&cru ACLK_ISP>, <&cru HCLK_ISP>;
  clock-names = "aclk", "iface";
  power-domains = <&power RK3568_PD_VI>;
  #iommu-cells = <0>;
  rockchip,disable-mmu-reset;
  status = "disabled";
 };
 pmu: power-management@fdd90000 {
   pd_vi@RK3568_PD_VI {
    reg = ;
    clocks = <&cru HCLK_VI>,
      <&cru PCLK_VI>;
    pm_qos = <&qos_isp>,
      <&qos_vicap0>,
      <&qos_vicap1>;
   };
}；

该设备树节点用于描述ISP硬件信息:基地址0xfdff0000 、中断源、时钟、reset引脚、iommus等。

驱动提取对应的硬件信息，填充到struct rkisp_hw_dev结构体变量中。

对应驱动入口：

[kernel\drivers\media\platform\rockchip\isp\hw.c]
static struct platform_driver rkisp_hw_drv = {
 .driver = {
  .name = "rkisp_hw",
  .of_match_table = of_match_ptr(rkisp_hw_of_match),
  .pm = &rkisp_hw_pm_ops,
 },
 .probe = rkisp_hw_probe,
 .remove = rkisp_hw_remove,
 .shutdown = rkisp_hw_shutdown,
};

c)  CSI2协议相关设备树

• csi2_dphy0 拓扑结构相关信息
• csi2_dphy_hw csi2驱动相关硬件信息

以下是描述csi2_dphy0拓扑信息，实际摄像头信息需要用户自己填写:

[rk3568-evb1-ddr4-v10.dtsi]
&csi2_dphy0 {
    status = "okay";

    ports {
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <0>;
        port@0 {
            reg = <0>;
            #address-cells = <1>;
            #size-cells = <0>;

            mipi_in_ucam0: endpoint@1 {
                reg = <1>;
                remote-endpoint = <&0v13850_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>;
            };
        };
    };
};

该节点描述内容：

- 父节点csi2_dphy0 
- port@n          : 表示pad号为n
- mipi_in_ucam0   : Sink Pad(in表示进入该entity，上游连接的设备由remote-endpoint给出，即摄像头0v13850_out)
- data-lanes      : mipi通道数量：4
- csidphy_out     : Source Pad,下游连接的设备由remote-endpoint给出，即isp0_in

以下是csi2_dphy控制器相关硬件信息，位于瑞芯微3568平台设备树文件rk3568.dtsi中

[rk3568.dtsi]
aliases {
 csi2dphy0 = &csi2_dphy0;
    ……
}
csi2_dphy0: csi2-dphy0 {
    compatible = "rockchip,rk3568-csi2-dphy";
    rockchip,hw = <&csi2_dphy_hw>;
    status = "disabled";
};

csi2_dphy_hw: csi2-dphy-hw@fe870000 {
    compatible = "rockchip,rk3568-csi2-dphy-hw";
    reg = <0x0 0xfe870000 0x0 0x1000>;
    clocks = <&cru PCLK_MIPICSIPHY>;
    clock-names = "pclk";
    rockchip,grf = <&grf>;
    status = "disabled";
};

csi2dphy0 对应的驱动入口为：

[kernel\drivers\phy\rockchip\phy-rockchip-csi2-dphy-hw.c]
static struct platform_driver rockchip_csi2_dphy_hw_driver = {
 .probe = rockchip_csi2_dphy_hw_probe,
 .remove = rockchip_csi2_dphy_hw_remove,
 .driver = {
  .name = "rockchip-csi2-dphy-hw",
  .of_match_table = rockchip_csi2_dphy_hw_match_id,
 },
};

在函数rockchip_csi2_dphy_hw_probe()中还会注册结构体变量 rockchip_csi2_dphy_driver

630    platform_driver_register(&rockchip_csi2_dphy_driver);

rockchip_csi2_dphy_driver定义如下：

[kernel\drivers\phy\rockchip\phy-rockchip-csi2-dphy-hw.c]
struct platform_driver rockchip_csi2_dphy_driver = {
 .probe = rockchip_csi2_dphy_probe,
 .remove = rockchip_csi2_dphy_remove,
 .driver = {
  .name = "rockchip-csi2-dphy",
  .pm = &rockchip_csi2_dphy_pm_ops,
  .of_match_table = rockchip_csi2_dphy_match_id,
 },
};

分析驱动就要从这些入口函数probe开始分析。

3三、驱动初始化 

1.  驱动文件目录

kernel
   ├── arch/arm64/boot/dts/rockchip DTS 配置文件
   ├── drivers/phy/rockchip/
       ├── phy-rockchip-csi2-dphy.c
    └── phy-rockchip-csi2-dphy-hw.c mipi dphy 驱动     
   ├── drivers/media|
    ├── platform/rockchip/isp rkisp isp 驱动
       │                   ├── capture_v21.c 包含 mp/sp 的配置及 vb2，帧中断处理  
       │                   ├── dev.c 包含 probe、异步注册、 clock、 pipeline、iommu 及 
                                      media/v4l2 framework
       │                   ├── isp_params_v21.c 3A 相关参数设置
       │                   ├── isp_stats_v21.c 3A 相关统计
       │                   ├── regs.c 寄存器相关的读写操作
       │                   └──  rkisp.c 对应 isp_sd entity 节点，
       │                       包含从 mipi 接收数据，并有 crop 功能
       ├── v4l2-core  v4l2核心代码
       └── i2c/
            └── ov13850.c CIS(cmos image sensor)驱动

注：3568的isp版本是v21，只需要看v21结尾的文件

1. 字符设备号申请:videodev_init()

该函数主要用于申请设备号：

主设备号 ：81 设备名     ：video4linux 申请class：video4linux

#define VIDEO_MAJOR 81
#define VIDEO_NUM_DEVICES 256
#define VIDEO_NAME              "video4linux"

static struct class video_class = {
 .name = VIDEO_NAME,
 .dev_groups = video_device_groups,
};
static int __init videodev_init(void)
{
 dev_t dev = MKDEV(VIDEO_MAJOR, 0);
 ret = register_chrdev_region(dev, VIDEO_NUM_DEVICES, VIDEO_NAME);
 ret = class_register(&video_class);
}
static void __exit videodev_exit(void)
{
 dev_t dev = MKDEV(VIDEO_MAJOR, 0);

 class_unregister(&video_class);
 unregister_chrdev_region(dev, VIDEO_NUM_DEVICES);
}

注意 为简化起见，所有代码只把最重要的部分列举出来，后同。

2. isp架构初始化:rkisp_plat_probe()

该函数是最重要的一个初始化函数，除了rkisp_csi2_dphy(entity67)外，其他的功能部件都在该函数中初始化。

注册rkisp-vir0父设备、isp-dubdev子设备、csi2-dev子设备等，由于rk3568支持多路sensor输入，即isp支持多路处理，因此会虚拟多通道isp-virx。

该函数主要工作：

1. 给isp_dev申请内存并初始化，该结构体用于camera控制器所有的信息
2. 注册v4l2_device结构体
3. 初始化media相关资源
4. 函数rkisp_register_platform_subdevs()，用于注册拓扑结构中的各个模块，对应的entity详见图
5. entity1、7注册为sub_device 初始化struct v4l2_subdev_ops、初始化media子模块需要相关信息 entity1还会设置默认的图像格式
6. entity13、19、25、31、37、43、49、55、61注册为video_device 填充struct v4l2_file_operations（struct video_device->fops）、struct v4l2_ioctl_ops（struct video_device->ioctl_ops），struct vb2_ops（struct video_device->vb2_queue->ops）

![ ](https://img-blog.csdnimg.cn/796972bedb2046e89d3e3772fec31a9b.png

其中对于研发人员最重要的就是这些回调函数，应用层下发的各个命令最终都会通过架构调用到这些函数。

下面把重要的几个模块所注册的回调函数做了个总结：

这些回调函数在架构中关系参考下图：其中entity67相关资源是在函数rockchip_csi2_dphy_probe()中注册。

3. isp驱动初始化：rkisp_hw_probe()

该函数主要初始化isp驱动

static const struct of_device_id rkisp_hw_of_match[] = {
 ……
 {
  .compatible = "rockchip,rk3568-rkisp",
  .data = &rk3568_isp_match_data,
 },
 {},
};

640 static int rkisp_hw_probe(struct platform_device *pdev)
641 {    
646  struct rkisp_hw_dev *hw_dev;                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          
  ……
  /*匹配设备树compatible属性*/
651     match = of_match_node(rkisp_hw_of_match, node);
654  /*为hw_dev 分配内存*/
655     hw_dev = devm_kzalloc(dev, sizeof(*hw_dev), GFP_KERNEL);
659     dev_set_drvdata(dev, hw_dev);//dev->driver_data
660     hw_dev->dev = dev;
661     hw_dev->is_thunderboot = IS_ENABLED(CONFIG_VIDEO_ROCKCHIP_THUNDER_BOOT_ISP);
662     dev_info(dev, "is_thunderboot: %d\n", hw_dev->is_thunderboot);
663     hw_dev->max_in.w = 0;
664     hw_dev->max_in.h = 0;
665     hw_dev->max_in.fps = 0;
  //获得grf句柄*/
669     hw_dev->grf = syscon_regmap_lookup_by_phandle(node, "rockchip,grf");
672     /*获取控制器物理地址
673     res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0);
  /*将物理地址映射为基地址*/
679     hw_dev->base_addr = devm_ioremap_resource(dev, res);

694     match_data = match->data;
695     hw_dev->mipi_irq = -1;
696 
697     hw_dev->pdev = pdev;
698     hw_dev->match_data = match_data;
699     if (!hw_dev->is_thunderboot)
700         rkisp_register_irq(hw_dev);  //注册中断
701  /*从设备树中提取时钟*/
702     for (i = 0; i < match_data->num_clks; i++) {
703         struct clk *clk = devm_clk_get(dev, match_data->clks[i]);
704 
707         hw_dev->clks[i] = clk;
708     }
709     hw_dev->num_clks = match_data->num_clks;
710     hw_dev->clk_rate_tbl = match_data->clk_rate_tbl;
711     hw_dev->num_clk_rate_tbl = match_data->num_clk_rate_tbl;
712  /*提取reset属性*/
713     hw_dev->reset = devm_reset_control_array_get(dev, false, false);
718 
719     ret = of_property_read_u64(node, "rockchip,iq-feature", &hw_dev->iq_feature);
720     if (!ret)
721         hw_dev->is_feature_on = true;
722     else
723         hw_dev->is_feature_on = false;
724  /*初始化其他的一些变量*/
725     hw_dev->dev_num = 0;
  …………
743     hw_dev->is_shutdown = false;
744     hw_dev->is_mmu = is_iommu_enable(dev);
745     ret = of_reserved_mem_device_init(dev);
 …………
770 }

4.  mipi接口dphy驱动初始化：rockchip_csi2_dphy_probe()、rockchip_csi2_dphy_hw_probe()