第二讲：Sensor驱动核心概念——I2C/SPI通信、寄存器模型与V4L2初探

各位同学，欢迎来到第二章。上一章我们聊了Sensor的基本工作原理，今天要进入真正的驱动开发环节了。

驱动开发说白了就三件事：怎么跟Sensor说话、Sensor内部长什么样、Linux怎么管这些设备。我当年刚接触Sensor驱动时，最头疼的就是这三件事搅在一起，理不清头绪。今天咱们一个一个拆开讲。

2.1 通信协议：I2C与SPI

Sensor是个小芯片，主控（SoC）要读写它的寄存器，就得通过某种总线。目前99%的Sensor都用I2C或SPI，少数用MIPI I3C（那是后话）。

2.1.1 I2C协议速览

I2C只有两根线：SCL（时钟）和SDA（数据）。主设备发起通信，从设备响应。每个从设备有唯一的7位或10位地址。

一个典型的I2C写操作流程是这样的：

1. 主设备发START条件
2. 主设备发从设备地址 + 写位（0）
3. 从设备回ACK
4. 主设备发寄存器地址（1字节或2字节）
5. 从设备回ACK
6. 主设备发数据（可连续发多字节）
7. 每字节后从设备回ACK
8. 主设备发STOP条件

读操作稍微复杂一点，需要先写寄存器地址，然后重新发START条件，再读数据：

// 伪代码：I2C读Sensor寄存器
uint8_t reg_addr = 0x03;
uint8_t value;

i2c_start();
i2c_send_byte(0x6C | 0);  // 写方向
i2c_wait_ack();
i2c_send_byte(reg_addr);   // 寄存器地址
i2c_wait_ack();
i2c_start();               // 重复START
i2c_send_byte(0x6C | 1);  // 读方向
i2c_wait_ack();
value = i2c_read_byte();
i2c_send_nack();           // 主机发NACK表示读完
i2c_stop();

2.1.2 SPI协议速览

SPI比I2C快，但线多：SCLK（时钟）、MOSI（主出从入）、MISO（主入从出）、CS（片选）。每个从设备独占一根CS线。

SPI有四种模式（CPOL和CPHA的组合），Sensor常用模式0（CPOL=0, CPHA=0）或模式3（CPOL=1, CPHA=1）。

特性	I2C	SPI
线数	2（SCL, SDA）	4（SCLK, MOSI, MISO, CS）
速率	100kHz~3.4MHz	可达几十MHz
从设备选择	地址（7/10位）	片选（CS）
通信方式	半双工	全双工
适用场景	寄存器配置、低速	高速数据、图像传输

SPI写寄存器时，通常先发16位命令（包含读写位和地址），再发数据。读操作类似，但MISO线上会返回数据。

// 伪代码：SPI读Sensor寄存器（16位地址模式）
uint16_t cmd = (1 << 15) | (reg_addr & 0x7FFF);  // 最高位=1表示读
uint8_t tx_buf[3] = {cmd >> 8, cmd & 0xFF, 0x00};
uint8_t rx_buf[3];

spi_cs_low();
spi_transfer(tx_buf, rx_buf, 3);  // 发命令+读数据
spi_cs_high();

// rx_buf[2] 就是读到的寄存器值

2.2 Sensor寄存器模型

每个Sensor内部都有一堆寄存器，用来控制曝光、增益、帧率、输出格式等。理解寄存器模型，是驱动开发的基础。

2.2.1 寄存器分类

我习惯把Sensor寄存器分成几类：

• 芯片ID寄存器：只读，用来验证I2C/SPI通信是否正常。比如OV5640的芯片ID是0x5640。
• 模式控制寄存器：设置分辨率、帧率、输出格式等。
• 模拟增益/数字增益寄存器：控制图像亮度。
• 曝光时间寄存器：控制快门速度。
• 输出格式寄存器：设置RAW10、RAW12、YUV等。
• 测试模式寄存器：输出彩条、棋盘格等测试图案。

2.2.2 寄存器操作套路

Sensor寄存器操作有个通用套路：

1. 先写初始化序列（一堆寄存器配置），让Sensor进入工作状态
2. 再写流控寄存器（stream on/off），控制数据输出
3. 运行时动态调整曝光/增益

举个例子，某款Sensor的初始化序列大概长这样：

static struct sensor_reg init_regs[] = {
  {0x0103, 0x01},  // 软件复位
  {0x0100, 0x00},  // 进入待机模式
  {0x0305, 0x04},  // PLL配置
  {0x0307, 0x38},
  {0x030B, 0x01},
  {0x030D, 0x5A},
  {0x3620, 0x43},  // 模拟电路配置
  {0x3621, 0xE0},
  {0x3800, 0x00},  // 窗口裁剪
  {0x3801, 0x00},
  {0x3802, 0x00},
  {0x3803, 0x08},
  {0x3804, 0x0A},
  {0x3805, 0x3F},
  // ... 省略几十行
  {0x0100, 0x01},  // 退出待机，开始输出
};

2.3 V4L2框架初探

V4L2（Video for Linux 2）是Linux内核里处理视频设备的框架。Sensor驱动最终要注册到V4L2里，让上层应用（如GStreamer、FFmpeg）能调用。

2.3.1 V4L2的核心概念

V4L2把视频设备抽象成几个关键对象：

• video_device：代表一个视频节点，比如/dev/video0
• v4l2_subdev：代表一个子设备，比如Sensor、ISP、MIPI桥接芯片
• media_entity：媒体实体，用于描述设备间的连接关系
• v4l2_ctrl：控制接口，比如曝光、增益、白平衡等

Sensor驱动通常实现为一个v4l2_subdev，挂载到CSI（摄像头串行接口）控制器下面。

2.3.2 Sensor驱动的V4L2回调函数

一个典型的Sensor subdev需要实现这些回调：

回调函数	作用
s_power	上电/下电控制
s_stream	启动/停止数据流
enum_mbus_code	枚举支持的输出格式
s_fmt / get_fmt	设置/获取当前格式
s_ctrl	处理用户空间的控制请求

我写驱动时，最常打交道的就是s_stream和s_ctrl。前者控制Sensor是否输出图像，后者处理曝光、增益的实时调整。

// 简化的s_stream回调示例
static int sensor_s_stream(struct v4l2_subdev *sd, int enable)
{
    struct sensor_dev *sensor = to_sensor_dev(sd);

    if (enable) {
        // 写寄存器启动MIPI输出
        sensor_write(sensor, 0x0100, 0x01);
        // 启动定时器或中断，开始采集
    } else {
        // 停止输出
        sensor_write(sensor, 0x0100, 0x00);
    }

    return 0;
}

2.4 本章知识结构图

下面这张图把本章的核心知识点串起来了。你可以看到，从物理层的I2C/SPI，到Sensor内部的寄存器模型，再到Linux内核的V4L2框架，是一条完整的链路。

2.5 本章小结

这一章我们覆盖了三个核心知识点：

• I2C和SPI：两种最常用的Sensor通信协议，各有优劣。I2C线少但慢，SPI快但线多。
• 寄存器模型：Sensor内部的控制中心，驱动开发就是跟寄存器打交道。初始化序列、曝光增益、流控，全在这里。
• V4L2框架：Linux下视频设备的抽象层。Sensor驱动以subdev的形式注册进去，通过回调函数与内核交互。