3. Sensor驱动框架：V4L2 Subdev注册、s_power/s_stream回调、控制集实现

本章是Camera驱动实战的核心环节。Sensor驱动作为V4L2框架中的子设备（Subdev），负责与硬件寄存器直接交互，完成初始化、上下电、流开关以及曝光/增益等控制。理解Subdev的注册流程、回调机制和控制集实现，是采集高质量raw图的前提。

3.1 V4L2 Subdev驱动模型

在Linux内核中，Camera Sensor被抽象为一个V4L2子设备（Subdev），挂载在I2C总线上。Subdev通过v4l2_subdev结构体描述，并注册到V4L2框架中，供主设备（如CSI控制器）调用。

3.2 Subdev注册流程

Sensor驱动的入口通常是I2C驱动的probe函数。在probe中完成Subdev的初始化、注册以及控制句柄的创建。标准注册步骤如下：

1. 分配并初始化v4l2_subdev：使用v4l2_i2c_subdev_init()或手动填充。
2. 设置Subdev ops：绑定core->s_power、video->s_stream等回调。
3. 创建控制句柄：调用v4l2_ctrl_handler_init()，添加曝光、增益等控制项。
4. 注册Subdev：调用v4l2_async_register_subdev()，等待主设备绑定。

以下是一个典型的probe函数代码片段：

static int sensor_probe(struct i2c_client *client, const struct i2c_device_id *id)
{
    struct v4l2_subdev *sd;
    struct sensor_priv *priv;
    int ret;

    priv = devm_kzalloc(&client->dev, sizeof(*priv), GFP_KERNEL);
    if (!priv)
        return -ENOMEM;

    sd = &priv->sd;
    v4l2_i2c_subdev_init(sd, client, &sensor_subdev_ops);

    /* 初始化控制句柄 */
    v4l2_ctrl_handler_init(&priv->ctrl_handler, 2);
    priv->exposure = v4l2_ctrl_new_std(&priv->ctrl_handler,
                                        &sensor_ctrl_ops,
                                        V4L2_CID_EXPOSURE_ABSOLUTE,
                                        0, 0xffff, 1, 0x100);
    priv->gain = v4l2_ctrl_new_std(&priv->ctrl_handler,
                                    &sensor_ctrl_ops,
                                    V4L2_CID_GAIN,
                                    0, 0xff, 1, 0x40);
    sd->ctrl_handler = &priv->ctrl_handler;
    if (priv->ctrl_handler.error) {
        ret = priv->ctrl_handler.error;
        goto err_free_handler;
    }

    /* 注册异步子设备 */
    ret = v4l2_async_register_subdev(sd);
    if (ret)
        goto err_free_handler;

    return 0;

err_free_handler:
    v4l2_ctrl_handler_free(&priv->ctrl_handler);
    return ret;
}

3.3 s_power / s_stream 回调实现

s_power和s_stream是Sensor驱动中最关键的两个回调，分别控制Sensor的上下电和数据流启停。

3.4 控制集实现：Exposure / Gain

曝光（Exposure）和增益（Gain）是Camera最核心的两个控制项。在V4L2框架中，它们通过v4l2_ctrl实现，用户空间通过VIDIOC_S_CTRL或VIDIOC_S_EXT_CTRLS调节。

3.4.1 控制项定义

在probe中，使用v4l2_ctrl_new_std()创建标准控制项。曝光通常对应V4L2_CID_EXPOSURE_ABSOLUTE，增益对应V4L2_CID_GAIN。需要定义控制操作集v4l2_ctrl_ops中的s_ctrl回调：

static int sensor_s_ctrl(struct v4l2_ctrl *ctrl)
{
    struct sensor_priv *priv = container_of(ctrl->handler,
                                            struct sensor_priv, ctrl_handler);
    switch (ctrl->id) {
    case V4L2_CID_EXPOSURE_ABSOLUTE:
        /* 写入曝光寄存器 */
        sensor_write(priv, REG_EXPOSURE, ctrl->val);
        break;
    case V4L2_CID_GAIN:
        /* 写入增益寄存器 */
        sensor_write(priv, REG_GAIN, ctrl->val);
        break;
    default:
        return -EINVAL;
    }
    return 0;
}

static const struct v4l2_ctrl_ops sensor_ctrl_ops = {
    .s_ctrl = sensor_s_ctrl,
};

3.4.2 控制集与硬件寄存器映射

不同Sensor的曝光和增益寄存器布局差异很大。以下是一个典型的映射关系表：

3.5 调试与验证

完成Subdev注册和回调实现后，通过以下步骤验证驱动正确性：

• 检查dmesg：确认probe成功，Subdev注册信息无错误。
• 使用media-ctl：查看拓扑结构，确认Sensor Subdev与CSI主设备连接正确。
• 使用v4l2-ctl：列出控制项，调节曝光/增益，观察返回值。
• 抓取raw图：使用v4l2-ctl --stream-mmap --stream-to=raw.raw采集一帧raw数据，检查图像亮度是否随控制值变化。

3.6 本章小结