V4L2摄像头驱动开发与MIPI采集JPEG编码 - 第3节

3.1 MIPI CSI-2 协议分层与虚拟通道概念

MIPI CSI-2（Camera Serial Interface 2）是移动与嵌入式摄像头领域最广泛使用的串行接口协议。在 V4L2 驱动中，理解 CSI-2 的虚拟通道（Virtual Channel, VC）与数据类型（Data Type, DT）是正确解析摄像头数据流的基础。

CSI-2 协议采用分层架构，从物理层到应用层依次为：

• 物理层（PHY）：D-PHY 或 C-PHY，负责差分信号传输。
• 协议层（Protocol Layer）：包含数据包格式、虚拟通道、数据类型标识。
• 应用层（Application Layer）：定义像素格式（RAW、YUV、JPEG）与帧结构。

虚拟通道（VC）是协议层的关键机制，允许在单条 MIPI 数据通道（Lane）上复用最多 4 个独立的逻辑数据流。每个 VC 使用 2 位标识符（VC ID），范围 0~3。

3.1.1 虚拟通道与数据类型在包结构中的位置

CSI-2 数据包分为长包（Long Packet）和短包（Short Packet）。长包用于传输像素数据，其包头（Packet Header）包含关键字段：

VC 和 DT 共同决定了接收端如何解析后续数据负载。VC 决定数据流归属，DT 决定数据格式与处理方式。

3.2 数据类型 ID 详解

数据类型（Data Type, DT）是一个 6 位字段，取值范围 0x00~0x3F。CSI-2 规范将 DT 分为多个类别，涵盖帧同步、行同步、图像数据、嵌入式数据等。对于摄像头驱动开发，最常关注的是图像数据 DT。

3.2.1 图像数据类型分类

3.3 RAW / YUV / JPEG 数据标识与链路处理

在 MIPI CSI-2 链路上，RAW、YUV、JPEG 三种数据类型的标识方式不同，直接影响接收端的数据处理流程。

3.3.1 RAW 数据标识

RAW 数据是传感器直接输出的未处理 Bayer 格式。CSI-2 协议中，RAW 数据使用 DT 0x28~0x2F 标识。RAW 数据以行为单位传输，每行像素数由传感器分辨率决定。接收端需要根据 DT 值确定每个像素的位宽，并正确打包到内存中。

• RAW8 (0x2A)：每个像素 1 字节，内存对齐简单。
• RAW10 (0x2B)：每个像素 10 bits，4 个像素打包为 5 字节（40 bits）。
• RAW12 (0x2C)：每个像素 12 bits，2 个像素打包为 3 字节（24 bits）。

3.3.2 YUV 数据标识

YUV 数据是经过颜色处理后的格式，常见于视频流。CSI-2 使用 DT 0x1E~0x21 标识 YUV 数据。YUV 数据同样以行为单位，但每个像素包含亮度（Y）和色度（U/V）分量。

• YUV420：每 4 个 Y 像素共享一组 UV，节省带宽。
• YUV422：每 2 个 Y 像素共享一组 UV，质量更高。

3.3.3 JPEG 数据标识

JPEG 数据是经过压缩的图像数据，与 RAW/YUV 有本质区别：

• DT 值：0x30 专门用于 JPEG。
• 数据特性：变长数据，一帧 JPEG 图像可能包含多个数据包，每个包大小不固定。
• 帧结构：JPEG 数据使用帧起始（Frame Start）和帧结束（Frame End）短包界定，但行结构不固定。
• 接收端处理：CSI 控制器通常将 JPEG 数据视为连续字节流，直接 DMA 到内存缓冲区，由软件解码。

3.4 虚拟通道与数据类型在 V4L2 驱动中的映射

在 Linux V4L2 子系统中，CSI-2 的 VC 和 DT 信息通过 v4l2_subdev 和 media_pad 框架传递。驱动开发者需要关注以下映射关系：

3.4.1 VC 到 V4L2 视频节点的映射

每个虚拟通道通常对应一个独立的 V4L2 视频设备节点（/dev/videoX）。例如：

• VC0 → /dev/video0（主摄像头 RAW 流）
• VC1 → /dev/video1（主摄像头 YUV 流）
• VC2 → /dev/video2（副摄像头 RAW 流）

驱动在 probe 阶段根据设备树或传感器能力，为每个 VC 注册一个 video_device。

3.4.2 DT 到 V4L2 像素格式的映射

CSI 接收驱动需要将 DT 值转换为 V4L2 定义的 v4l2_pix_format 的 pixelformat 字段。常见映射如下：

3.4.3 驱动代码示例：解析 DT 并配置 DMA

/* CSI 接收中断处理函数中解析 DT */
static irqreturn_t csi_rx_irq_handler(int irq, void *dev_id)
{
    struct csi_rx_device *csi = dev_id;
    u32 phdr = readl(csi->base + CSI_RX_PHDR);  /* 读取包头寄存器 */
    u8 vc = (phdr >> 30) & 0x3;                 /* 提取 VC */
    u8 dt = (phdr >> 24) & 0x3F;                /* 提取 DT */
    u16 wc = phdr & 0xFFFF;                      /* 提取 WC */

    /* 根据 DT 选择 DMA 配置 */
    switch (dt) {
    case 0x2A: /* RAW8 */
        csi->fmt = V4L2_PIX_FMT_SRGGB8;
        csi->bpp = 1;  /* bytes per pixel */
        break;
    case 0x2B: /* RAW10 */
        csi->fmt = V4L2_PIX_FMT_SRGGB10;
        csi->bpp = 2;  /* 实际 10 bits，但内存对齐为 2 字节 */
        break;
    case 0x30: /* JPEG */
        csi->fmt = V4L2_PIX_FMT_JPEG;
        csi->bpp = 0;  /* 变长，不按像素对齐 */
        break;
    default:
        dev_err(csi->dev, "Unsupported DT: 0x%02x\n", dt);
        return IRQ_HANDLED;
    }

    /* 配置 DMA 引擎 */
    csi_configure_dma(csi, vc, csi->fmt, wc);
    return IRQ_HANDLED;
}

3.5 多虚拟通道场景实战

现代摄像头模组（如双摄、三摄模组）常通过单条 MIPI CSI-2 链路传输多路数据。以下是一个典型的多 VC 场景：

• VC0：主摄像头 RAW10（DT=0x2B），用于拍照。
• VC1：主摄像头 YUV420（DT=0x1E），用于预览。
• VC2：副摄像头 RAW8（DT=0x2A），用于景深计算。

接收端 CSI 控制器根据 VC ID 将数据路由到不同的 DMA 通道，每个通道对应一个 V4L2 视频节点。驱动需要为每个 VC 维护独立的缓冲区队列和格式配置。

3.6 本章小结

• 虚拟通道（VC）：2 位标识，支持 4 个独立数据流复用同一条 MIPI 链路。
• 数据类型（DT）：6 位标识，定义数据格式（RAW、YUV、JPEG 等）。
• RAW 数据：DT 0x28~0x2F，按位宽打包，以行为单位。
• YUV 数据：DT 0x1E~0x21，包含亮度与色度分量，支持 420/422 子采样。
• JPEG 数据：DT 0x30，变长压缩数据，接收端需按帧处理，不能假设固定行宽。
• V4L2 映射：VC 对应 video 节点，DT 对应 pixelformat，驱动需在中断中解析并配置 DMA。