基于DWC2的USB驱动开发-UVC的处理单元详解

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一.前言

本篇来详细分析下UVC的处理单元相关的内容，同样的我们理论结合实践来进行。

二.处理单元简介

处理单元（PU）控制通过它传输的视频的图像属性。有一个单一的输入和输出引脚，注意是单一的，也就是一个处理单元只能处理一个输入只有一个输出。

支持以下功能：

用户控制:

• Brightness亮度·
• Hue色调·
• Saturation饱和度·
• Sharpness清晰度·
• Gamma伽马·
• Digital Multiplier (Zoom) 数字乘法器（缩放）

自动控制

• White Balance Temperature 白平衡温度控制
• White Balance Component 白平衡成分控制
• Backlight Compensation 背光补偿
• Contrast 对比度

其他

• Gain 增益
• Power Line Frequency 电力线频率
• Analog Video Standard 模拟视频标准
• Analog Video Lock Status 模拟视频锁定状态

对上述功能的支持都是可选的，但是，如果设备支持白平衡功能，则应实现白平衡温度控制或白平衡成分控制，但不能同时实现。

用户控制表示由用户偏好设置的属性，不受设备的自动控制的影响。

自动控制支持是否使能的设置（具有打开/关闭状态）。如果使能则设备自动调整，对相关属性的读请求则反映自动设置的值。

如果打开自动模式，尝试以手动方式设置将导致STALL，错误代码为bRequestErrorCode=“错误状态”。当退出自动模式时，相关控制属性应保持在转换前有效的值。

后面可以看到基本所有的属性都对应有一个自动控制，使能自动控制就不能再手动配置了。

处理单元的符号如下图所示。

注意这里的但输入单输出

三.拓扑结构

以下从描述符来看处理单元的拓扑结构，如下图是一个实际的UVC产品的描述符，只截取了和UVC相关的IAD下的描述符。

可以看到处理单元的ID是bUnitID=2，其源头是bSourceID=1即前面的bTerminaIID=1的视频控制输入终端；而其后面是bUnitID=3的视频控制扩展单元，该单元的baSourceID[1]=2表示其源头是本处理单元。

其拓扑如下

四.处理单元描述符

处理单元的描述符应该位于UVC的控制接口描述符VideoControl Interface Descriptors的Class-specific VC Interface Header Descriptor的后面

如下所示红色线所指示

本实例处理单元描述符对应的具体内容如下

处理单元的描述详细内容见规格书P69

3.7.2.5 Processing Unit Descriptor

偏移	区域	大小	值	说明
0	bLength	1	数字值,13	本描述符的字节数
1	bDescriptorType	1	常数CS_INTERFACE=0x24	描述符类型
2	bDescriptorSubtype	1	常数VC_PROCESSING_UNIT =0x05	描述符子类
3	bUnitID	1	数字	单元ID
4	bSourceID	1	常数	该单元前面所连接的单元或终端的ID。
5	wMaxMultiplier	2	数字	数字放大
7	bControlSize	1	数字，3	后面 bmControls域 的字节数
8	bmControls	3	Bitmap	支持的处理类型
11	iProcessing	1	Index	描述本处理单元的字符串描述索引,填0则没有字符串描述符。
12	bmVideoStandards	1	Bitmap	支持的标准

l其中bDescriptorType的定义参考规格书的P171 A.5. Video Class-Specific VC Interface Descriptor Subtypes

l其中bDescriptorSubtype的定义参考规格书的P172 A.4. Video Class-Specific Descriptor Types

l其中bUnitID

处理单元由处理单元描述符（PUD）的bUnitID字段的值唯一标识。 非零常数 ，用于唯一标识本功能接口中的单元。类相关请求时Index的高位即该值。

这里为什么要是非零常数呢？为什么从0开始编号呢，因为在请求中wIndex的高8位为0用于区分是接口请求，其他非0值为对应了终端和单元ID，所以不能从0开始编号了。

在本功能对应的接口内单该值和其他单元和终端的ID不能重复。

lbSourceID

该单元前面所连接的单元或终端的ID。

处理单元肯定是要处理一个东西的，即需要输入的，处理什么呢，肯定是处理摄像头的输入，所以前面一般就是Input Terminal，该值就是前面的Input Terminal的ID。

如下所示，这里bSourceID=1即前面连接的是bTerminalID=1的输入终端

l其中wMaxMultiplier

如果支持数字放大Digital Multiplier控制，则该值除以100表示放大倍数，比如设置值450则表示1-4.5X，即4.5倍数字放大，如果不支持则设置为0.

l其中bmControls，表示支持的处理类型

某一位置位则对应的处理支持,小端模式

D0: Brightness

D1: Contrast

D2: Hue

D3: Saturation

D4: Sharpness

D5: Gamma

D6: White Balance Temperature

D7: White Balance Component

D8: Backlight Compensation

D9: Gain

D10: Power Line Frequency

D11: Hue, Auto

D12: White Balance Temperature, Auto

D13: White Balance Component, Auto

D14: Digital Multiplier

D15: Digital Multiplier Limit

D16: Analog Video Standard

D17: Analog Video Lock Status

D18: Contrast, Auto

D19 – D23: Reserved. Set to zero

l其中bmVideoStandards表示支持的标准

0表示忽略该字段.

某位置1则表示支持该标准

D0: None

D1: NTSC – 525/60

D2: PAL – 625/50

D3: SECAM – 625/50

D4: NTSC – 625/50

D5: PAL – 525/60

D6-D7: Reserved. Set to zero.

以下是对应一个实例，注意其bmControls域只有两个字节，且没有bmVideoStandards，所以只有11个字节。

-------- Video Control Processing Unit Descriptor -----

bLength : 0x0B (11 bytes)

bDescriptorType : 0x24 (Video Control Interface)

bDescriptorSubtype : 0x05 (Processing Unit)

bUnitID : 0x02 (2)

bSourceID : 0x01 (1)

wMaxMultiplier : 0x0000

bControlSize : 0x02 (2 bytes)

bmControls : 0x7B, 0x07

D0 : 1 yes - Brightness

D1 : 1 yes - Contrast

D2 : 0 no - Hue

D3 : 1 yes - Saturation

D4 : 1 yes - Sharpness

D5 : 1 yes - Gamma

D6 : 1 yes - White Balance Temperature

D7 : 0 no - White Balance Component

D8 : 1 yes - Backlight Compensation

D9 : 1 yes - Gain

D10 : 1 yes - Power Line Frequency

D11 : 0 no - Hue, Auto

D12 : 0 no - White Balance Temperature, Auto

D13 : 0 no - White Balance Component, Auto

D14 : 0 no - Digital Multiplier

D15 : 0 no - Digital Multiplier Limit

iProcessing : 0x00 (No String Descriptor)

Data (HexDump) : 0B 24 05 02 01 00 00 02 7B 07 00 .$......{..

五. 处理单元相关的请求

参考规格书P109 4.2.2.3 Processing Unit Control Requests

处理单元控制请求用于读或者设置处理单元的属性，所以包括SET_xx 和GET_xx。

一共支持如下19种属性的请求

对应的CS编码见P175 A.9.5. Processing Unit Control Selectors

以下做了一个总结，所以值都是无符号值。

类型	CS	大小B	支持的操作[]表示可选	最少支持操作	说明
背光补偿控制	PU_BACKLIGHT_COMPENSATION_CONTROL	2	SET_CURGET_CURGET_MINGET_MAXGET_RESGET_INFOGET_DEF	GET_DEF	设置0说明不支持背光补偿，可以支持范围值或者仅仅是开关。小端模式，无符号16位值。
亮度控制	PU_BRIGHTNESS_CONTROL	2	SET_CUR,GET_CUR GET_MIN GET_MAXGET_RESGET_INFOGET_DEF	GET_DEF	该值是相对值配置的是增量,RES值必须是1小端模式，有符号16位值。
对比度控制	PU_CONTRAST_CONTROL	2	SET_CUR GET_CUR GET_MIN GET_MAXGET_RESGET_INFOGET_DEF	GET_DEF	该值是相对值配置的是增量,RES值必须是1小端模式，有符号16位值。
对比度自动控制	PU_CONTRAST_AUTO_CONTROL	1	SET_CURGET_CUR GET_INFOGET_DEF	GET_DEF	值为1表示使能自动控制,此时尝试设置相关对比度控制将导致STALL和bRequestErrorCode=“错误状态”的错误代码。
增益控制	PU_GAIN_CONTROL	2	SET_CURGET_CURGET_MIN GET_MAXGET_RESGET_INFOGET_DEF	GET_DEF	该值是相对值配置的是增量,RES值必须是1小端模式，有符号16位值。
电力线频率控制	PU_POWER_LINE_FREQUENCY_CONTROL	1	SET_CURGET_CURGET_INFOGET_DEF	GET_DEF	值对应如下0: Disabled1: 50 Hz2: 60 Hz3: Auto
色度控制	PU_HUE_CONTROL	2	GET_CUR GET_MIN GET_MAXGET_RESGET_INFOGET_DEF[SET_CUR]	GET_DEF	默认值必须是0,设置值是实际值乘以100，实际值范围是(-180 到+180degrees). 则设置值发呢欸是-18000 ~18000 有符号16位，小端
色度自动控制	PU_HUE_AUTO_CONTROL	1	SET_CUR,GET_CUR,GET_INFO GET_DEF	GET_DEF	值为1表示使能自动控制,此时尝试设置相关色度控制将导致STALL和bRequestErrorCode=“错误状态”的错误代码
饱和度控制	PU_SATURATION_CONTROL	2	SET_CURGET_CURGET_MINGET_MAXGET_RESGET_INFOGET_DEF	GET_DEF	0表示灰度值为相对值，RES必须为1
清晰度设置	PU_SHARPNESS_CONTROL	2	SET_CURGET_CURGET_MINGET_MAXGET_RESGET_INFOGET_DEF	GET_DEF	相对值，MIN意味着“无清晰度处理”RES必须为1
伽马设置	PU_GAMMA_CONTROL	2	SET_CURGET_CURGET_MINGET_MAXGET_RES,GET_INFOGET_DEF	GET_DEF	设置值是实际值乘以100，设置值范围1500 ，实际值范围1.05.0默认一般是100 (gamma = 1)或220 (gamma = 2.2).
白平衡温度控制	PU_WHITE_BALANCE_TEMPERATURE_CONTROL	2	GET_CURGET_MINGET_MAXGET_RESGET_INFOGET_DEF	GET_DEF	这用于将白平衡设置指定为以开尔文度为单位的色温。这是作为白平衡组件控制的替代方案提供的。网络摄像头和双模摄像头的最小范围应为2800（白炽）至6500（日光）。
白平衡温度自动控制	PU_WHITE_BALANCE_TEMPERATURE_AUTO_CONTROL	1	SET_CURGET_CURGET_INFOGET_DEF	GET_DEF	值为1表示使能自动控制,此时尝试设置相关白平衡温度控制将导致STALL和bRequestErrorCode=“错误状态”的错误代码
白平衡成分控制	PU_WHITE_BALANCE_COMPONENT_CONTROL	4	GET_CURGET_MIN GET_MAXGET_RESGET_INFOGET_DEF[SET_CUR]	GET_DEF	前面2字节是蓝色成分设置后面2字节是红色成分设置
白平衡成分自动控制	PU_WHITE_BALANCE_COMPONENT_AUTO_CONTROL	1	SET_CURGET_CURGET_INFOGET_DEF	GET_DEF	值为1表示使能自动控制,此时尝试设置相关白平衡成分控制将导致STALL和bRequestErrorCode=“错误状态”的错误代码
数字乘法器控制	PU_DIGITAL_MULTIPLIER_CONTROL	2	SET_CURGET_CURGET_MINGET_MAX GET_RESGET_INFOGET_DEF		已弃用，下一版将删除值为 Z’cur这用于指定应用于光学图像的数字缩放量。这是乘法器m的可能值范围内的位置，允许通过设备实现来描述乘法器分辨率。RES 必须为1如果支持数字乘法器限制控制，则最小值和最大值应与数字乘法器控制的最小值和最高值相匹配。数字乘法器限制控制允许设备或主机为Z¢cur 值建立临时上限，从而动态减小数字乘法器控制的范围。如果使用数字乘法器限制将限制降低到当前Z¢cur ，Z¢cur 值将进行调整以匹配新的限制，数字乘法器控制应发送控制更改事件以通知主机调整。
数字乘法器限制控制	PU_DIGITAL_MULTIPLIER_LIMIT_CONTROL	2	SET_CURGET_CURGET_MINGET_MAX GET_RESGET_INFOGET_DEF		RES 为1上述Z’cur的上限
模拟视频标准控制	PU_ANALOG_VIDEO_STANDARD_CONTROL	1	GET_CURGET_INFO		0: None1: NTSC – 525/602: PAL – 625/503: SECAM – 625/504: NTSC – 625/505: PAL – 525/606-255: Reserved. Do not use.
模拟视频锁定状态控制	PU_ANALOG_LOCK_STATUS_CONTROL	1	GET_CURGET_INFO		这用于报告视频解码器是否已经实现模拟输入信号的水平锁定。如果解码器被锁定，则假定正在生成有效的视频流。此控制仅支持模拟视频解码器功能。

六. 处理单元请求驱动代码

处理单元类相关请求的解析，需要注意两个关键参数，一个是处理单元所在的接口号，上面实例接口是0，处理单元本身的ID，上面实例是2。

1.通过接口号和单元ID即可定位到是哪一个ID，接口号和单元号都是从wIndex字段解析，低位是接口号高位是单元ID号

2.然后再通过wValue确定对应的是什么操作，比如是亮度控制还是增益控制等。

即A.9.5. Processing Unit Control Selectors的CS

3.然后再通过bRequest确定是做什么类型的操作比如是获取当前值GET_CUR还是设置当前值SET_CUR

见规格书P173A.8. Video Class-Specific Request Codes

参考规格书4.2.2 Unit and Terminal Control Requests，终端和单元的请求的layout

请求分为SET和GET两大类

bmRequestType	bRequest	wValue	wIndex	wLength	Data
00100001	SET_CUR	CS(高字节)	单元或终端ID(高位)+接口(低位)	数据长度
10100001	GET_CURGET_MINGET_MAXGET_RESGET_INFOGET_DEF
00100001	SET_CUR_ALL	0	单元或终端ID
10100001	GET_CUR_ALLGET_MIN_ALLGET_MAX_ALLGET_RES_ALLGET_DEF_ALL

下面对解析过程进行详细分析

bmRequest指定是什么操作，其中MIN，MAX和RES不能SET因为其是设备实现决定的，不能修改。

wValue字段在高位字节中对应CS,即表示对什么属性进行操作，低字节为0.设备收到不支持的CS则需要STALL

wIndex高8位为0则表示是接口请求，不是0则表示单元和终端的ID，第8位表示对应的接口。所以这里终端和单元的ID不能为0，因为要和接口区分。

注意*(MAX-MIN)/RES* 和*(CURMIN)/RES *都需要是整数。如果SET_CUR操作中提供了无效的CUR值，设备应STALL，并用0x04“超出范围”更新请求错误代码。

收到setup后检查如果是类相关请求，即bmRequestType的bit6:6为1则进入类相关处理接口

usb_function_request

然后再看如果bmRequestType的bit4:0为1，则对应接口相关处理

然后调用注册的类回调，usb_uvc_class_set

再根据wIndex的高8位如果是0则对应的接口请求uvc_class_itf_req，

否则是终端单元相关请求uvc_class_ut_req

进入uvc_class_ut_req后

再根据wIndex的低8位确认接口，高8位定位终端和单元，然后根据wValue低8位确认CS即对应操作什么属性，然后根据bRequest确定是什么操作，比如GET_CUR

比如如下的一个实例的解析

a1表示类相关接口请求

86表示GET_INFO

0002 高8位02表示PU_BRIGHTNESS_CONTROL 处理单元的CS

0002 高8位表示单元ID2，低8位表示接口0，如下图接口0的ID2的单元就是处理单元

0100表示数据长度，GET_INFO即数据只有1个字节

后面的0x82 0x83 0x84 0x87也是类似

分别是GET_IN GET_MAX GET_RES GET_DEF

一般主机请求显示GET_INFO看你支持啥，然后再进行后续操作。

驱动的优化

上述层层switch解析的方式，比较好理解，但是代码冗余太大，且这部分代码应该是属于类实现层，不应该暴漏给用户，而且实际所有的端点和处理单元都是类似的，我们可以根据bRequest等参数进行查表跳转到对应的处理函数，用户只需要注册表格和回调即可，借用反射的设计范式。

GET_MIN GET_MAX GET_RES GET_CUR等只需要提供对应的存储区域的地址，可以建议一个二维表格，分别是哪个端点对应的哪个CS有哪些值操作。这个后面再单独一篇介绍。

七. 总结

以上详细介绍了处理单元，包括描述符和其拓扑结构，请求等。可以先了解其拓扑结构，在描述符中如何描述这有利于从整体把握，然后了解其请求的过程。

审核编辑：汤梓红