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【Linux开发】V4L2驱动框架分析学习
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Author：CJOK
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SinaWeibo：@廖野cjok
1、概述
Video4Linux2是Linux内核中关于视频设备的内核驱动框架，为上层的访问底层的视频设备提供了统一的接口。凡是内核中的子系统都有抽象底层硬件的差异，为上层提供统一的接口和提取出公共代码避免代码冗余等好处。就像公司的老板一般都不会直接找底层的员工谈话，而是找部门经理了解情况，一个是因为底层屌丝人数多，意见各有不同，措辞也不准，部门经理会把情况汇总后再向上汇报；二个是老板时间宝贵。
V4L2支持三类设备：视频输入输出设备、VBI设备和radio设备(其实还支持更多类型的设备，暂不讨论)，分别会在/dev目录下产生videoX、radioX和vbiX设备节点。我们常见的视频输入设备主要是摄像头，也是本文主要分析对象。下图V4L2在Linux系统中的结构图：
Linux系统中视频输入设备主要包括以下四个部分：
字符设备驱动程序核心：V4L2本身就是一个字符设备，具有字符设备所有的特性，暴露接口给用户空间；
V4L2驱动核心：主要是构建一个内核中标准视频设备驱动的框架，为视频操作提供统一的接口函数；
平台V4L2设备驱动：在V4L2框架下，根据平台自身的特性实现与平台相关的V4L2驱动部分，包括注册video_device和v4l2_dev。
具体的sensor驱动：主要上电、提供工作时钟、视频图像裁剪、流IO开启等，实现各种设备控制方法供上层调用并注册v4l2_subdev。
V4L2的核心源码位于drivers/media/v4l2-core，源码以实现的功能可以划分为四类：
核心模块实现：由v4l2-dev.c实现，主要作用申请字符主设备号、注册class和提供video device注册注销等相关函数；
V4L2框架：由v4l2-device.c、v4l2-subdev.c、v4l2-fh.c、v4l2-ctrls.c等文件实现，构建V4L2框架；
Videobuf管理：由videobuf2-core.c、videobuf2-dma-contig.c、videobuf2-dma-sg.c、videobuf2-memops.c、videobuf2-vmalloc.c、v4l2-mem2mem.c等文件实现，完成videobuffer的分配、管理和注销。
Ioctl框架：由v4l2-ioctl.c文件实现，构建V4L2ioctl的框架。
2、V4L2框架
结构体v4l2_device、video_device、v4l2_subdev和v4l2_fh是搭建框架的主要元素。下图是V4L2框架的结构图：
从上图V4L2框架是一个标准的树形结构，v4l2_device充当了父设备，通过链表把所有注册到其下的子设备管理起来，这些设备可以是GRABBER、VBI或RADIO。V4l2_subdev是子设备，v4l2_subdev结构体包含了对设备操作的ops和ctrls，这部分代码和硬件相关，需要驱动工程师根据硬件实现，像摄像头设备需要实现控制上下电、读取ID、饱和度、对比度和视频数据流打开关闭的接口函数。Video_device用于创建子设备节点，把操作设备的接口暴露给用户空间。V4l2_fh是每个子设备的文件句柄，在打开设备节点文件时设置，方便上层索引到v4l2_ctrl_handler，v4l2_ctrl_handler管理设备的ctrls，这些ctrls(摄像头设备)包括调节饱和度、对比度和白平衡等。
v4l2_device
v4l2_device在v4l2框架中充当所有v4l2_subdev的父设备，管理着注册在其下的子设备。以下是v4l2_device结构体原型(去掉了无关的成员)：
struct v4l2_device {
structlist_head subdevs; //用链表管理注册的subdev
charname[V4L2_DEVICE_NAME_SIZE]; //device 名字
structkref ref; //引用计数
……
};
可以看出v4l2_device的主要作用是管理注册在其下的子设备，方便系统查找引用到。
V4l2_device的注册和注销：
int v4l2_device_register(struct device*dev,
struct v4l2_device *v4l2_dev)
static void v4l2_device_release(struct kref *ref)
V4l2_subdev
V4l2_subdev代表子设备，包含了子设备的相关属性和操作。先来看下结构体原型：
struct v4l2_subdev {
structv4l2_device *v4l2_dev; //指向父设备
//提供一些控制v4l2设备的接口
conststruct v4l2_subdev_ops *ops;
//向V4L2框架提供的接口函数
conststruct v4l2_subdev_internal_ops *internal_ops;
//subdev控制接口
structv4l2_ctrl_handler *ctrl_handler;
/* namemust be unique */
charname[V4L2_SUBDEV_NAME_SIZE];
/*subdev device node */
structvideo_device *devnode;
};
每个子设备驱动都需要实现一个v4l2_subdev结构体，v4l2_subdev可以内嵌到其它结构体中，也可以独立使用。结构体中包含了对子设备操作的成员v4l2_subdev_ops和v4l2_subdev_internal_ops。
v4l2_subdev_ops结构体原型如下：
struct v4l2_subdev_ops {
//视频设备通用的操作：初始化、加载FW、上电和RESET等
conststruct v4l2_subdev_core_ops *core;
//tuner特有的操作
conststruct v4l2_subdev_tuner_ops *tuner;
//audio特有的操作
conststruct v4l2_subdev_audio_ops *audio;
//视频设备的特有操作：设置帧率、裁剪图像、开关视频流等
conststructv4l2_subdev_video_ops
*video;
……
};
视频设备通常需要实现core和video成员，这两个OPS中的操作都是可选的，但是对于视频流设备video->s_stream(开启或关闭流IO)必须要实现。
v4l2_subdev_internal_ops结构体原型如下：
structv4l2_subdev_internal_ops {
//当subdev注册时被调用，读取IC的ID来进行识别
int(*registered)(struct v4l2_subdev *sd);
void(*unregistered)(struct v4l2_subdev *sd);
//当设备节点被打开时调用，通常会给设备上电和设置视频捕捉FMT
int(*open)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_subdev_fh *fh);
int(*close)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_subdev_fh *fh);
};
v4l2_subdev_internal_ops是向V4L2框架提供的接口，只能被V4L2框架层调用。在注册或打开子设备时，进行一些辅助性操作。
Subdev的注册和注销
当我们把v4l2_subdev需要实现的成员都已经实现，就可以调用以下函数把子设备注册到V4L2核心层：
int v4l2_device_register_subdev(struct v4l2_device*v4l2_dev, struct v4l2_subdev *sd)
当卸载子设备时，可以调用以下函数进行注销：
void v4l2_device_unregister_subdev(struct v4l2_subdev*sd)
video_device
video_device结构体用于在/dev目录下生成设备节点文件，把操作设备的接口暴露给用户空间。
struct video_device
{
conststruct v4l2_file_operations *fops; //V4L2设备操作集合
/*sysfs */
structdevice dev; /* v4l device */
structcdev *cdev; //字符设备
/* Seteither parent or v4l2_dev if your driver uses v4l2_device */
structdevice *parent; /* deviceparent */
structv4l2_device *v4l2_dev; /*v4l2_device parent */
/*Control handler associated with this device node. May be NULL. */
structv4l2_ctrl_handler *ctrl_handler;
/* 指向video buffer队列*/
structvb2_queue *queue;
intvfl_type; /* device type */
intminor; //次设备号
/* V4L2file handles */
spinlock_t fh_lock; /* Lock for allv4l2_fhs */
structlist_head fh_list; /* List ofstruct v4l2_fh */
/*ioctl回调函数集，提供file_operations中的ioctl调用 */
conststruct v4l2_ioctl_ops *ioctl_ops;
……
};
Video_device分配和释放，用于分配和释放video_device结构体：
struct video_device *video_device_alloc(void)
void video_device_release(struct video_device *vdev)
video_device注册和注销，实现video_device结构体的相关成员后，就可以调用下面的接口进行注册：
static inline int __must_checkvideo_register_device(struct video_device *vdev,
inttype, int nr)
void video_unregister_device(struct video_device*vdev);
vdev：需要注册和注销的video_device；
type：设备类型，包括VFL_TYPE_GRABBER、VFL_TYPE_VBI、VFL_TYPE_RADIO和VFL_TYPE_SUBDEV。
nr：设备节点名编号，如/dev/video[nr]。
v4l2_fh
v4l2_fh是用来保存子设备的特有操作方法，也就是下面要分析到的v4l2_ctrl_handler，内核提供一组v4l2_fh的操作方法，通常在打开设备节点时进行v4l2_fh注册。
初始化v4l2_fh，添加v4l2_ctrl_handler到v4l2_fh：
void v4l2_fh_init(struct v4l2_fh *fh, structvideo_device *vdev)
添加v4l2_fh到video_device，方便核心层调用到：
void v4l2_fh_add(struct v4l2_fh *fh)
v4l2_ctrl_handler
v4l2_ctrl_handler是用于保存子设备控制方法集的结构体，对于视频设备这些ctrls包括设置亮度、饱和度、对比度和清晰度等，用链表的方式来保存ctrls，可以通过v4l2_ctrl_new_std函数向链表添加ctrls。
struct v4l2_ctrl *v4l2_ctrl_new_std(structv4l2_ctrl_handler *hdl,
conststruct v4l2_ctrl_ops *ops,
u32id, s32 min, s32 max, u32 step, s32 def)
hdl是初始化好的v4l2_ctrl_handler结构体；
ops是v4l2_ctrl_ops结构体，包含ctrls的具体实现；
id是通过IOCTL的arg参数传过来的指令，定义在v4l2-controls.h文件；
min、max用来定义某操作对象的范围。如：
v4l2_ctrl_new_std(hdl, ops, V4L2_CID_BRIGHTNESS,-208, 127, 1, 0);
用户空间可以通过ioctl的VIDIOC_S_CTRL指令调用到v4l2_ctrl_handler，id透过arg参数传递。
3、ioctl框架
你可能观察到用户空间对V4L2设备的操作基本都是ioctl来实现的，V4L2设备都有大量可操作的功能(配置寄存器)，所以V4L2的ioctl也是十分庞大的。它是一个怎样的框架，是怎么实现的呢？
Ioctl框架是由v4l2_ioctl.c文件实现，文件中定义结构体数组v4l2_ioctls，可以看做是ioctl指令和回调函数的关系表。用户空间调用系统调用ioctl，传递下来ioctl指令，然后通过查找此关系表找到对应回调函数。
以下是截取数组的两项：
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_QUERYBUF, v4l_querybuf,v4l_print_buffer, INFO_FL_QUEUE | INFO_FL_CLEAR(v4l2_buffer,
length)),
IOCTL_INFO_STD(VIDIOC_G_FBUF,
vidioc_g_fbuf,v4l_print_framebuffer, 0),
内核提供两个宏(IOCTL_INFO_FNC和IOCTL_INFO_STD)来初始化结构体，参数依次是ioctl指令、回调函数或者v4l2_ioctl_ops结构体成员、debug函数、flag。如果回调函数是v4l2_ioctl_ops结构体成员，则使用IOCTL_INFO_STD；如果回调函数是v4l2_ioctl.c自己实现的，则使用IOCTL_INFO_FNC。
IOCTL调用的流程图如下：
用户空间通过打开/dev/目录下的设备节点，获取到文件的file结构体，通过系统调用ioctl把cmd和arg传入到内核。通过一系列的调用后最终会调用到__video_do_ioctl函数，然后通过cmd检索v4l2_ioctls[]，判断是INFO_FL_STD还是INFO_FL_FUNC。如果是INFO_FL_STD会直接调用到视频设备驱动中video_device->v4l2_ioctl_ops函数集。如果是INFO_FL_FUNC会先调用到v4l2自己实现的标准回调函数，然后根据arg再调用到video_device->v4l2_ioctl_ops或v4l2_fh->v4l2_ctrl_handler函数集。
4、IO访问
V4L2支持三种不同IO访问方式(内核中还支持了其它的访问方式，暂不讨论)：
read和write，是基本帧IO访问方式，通过read读取每一帧数据，数据需要在内核和用户之间拷贝，这种方式访问速度可能会非常慢；
内存映射缓冲区(V4L2_MEMORY_MMAP)，是在内核空间开辟缓冲区，应用通过mmap()系统调用映射到用户地址空间。这些缓冲区可以是大而连续DMA缓冲区、通过vmalloc()创建的虚拟缓冲区，或者直接在设备的IO内存中开辟的缓冲区(如果硬件支持)；
用户空间缓冲区(V4L2_MEMORY_USERPTR)，是用户空间的应用中开辟缓冲区，用户与内核空间之间交换缓冲区指针。很明显，在这种情况下是不需要mmap()调用的，但驱动为有效的支持用户空间缓冲区，其工作将也会更困难。
Read和write方式属于帧IO访问方式，每一帧都要通过IO操作，需要用户和内核之间数据拷贝，而后两种是流IO访问方式，不需要内存拷贝，访问速度比较快。内存映射缓冲区访问方式是比较常用的方式。
内存映射缓存区方式
硬件层的数据流传输
Camerasensor捕捉到图像数据通过并口或MIPI传输到CAMIF(camera interface)，CAMIF可以对图像数据进行调整(翻转、裁剪和格式转换等)。然后DMA控制器设置DMA通道请求AHB将图像数据传到分配好的DMA缓冲区。
待图像数据传输到DMA缓冲区之后，mmap操作把缓冲区映射到用户空间，应用就可以直接访问缓冲区的数据。
vb2_queue
为了使设备支持流IO这种方式，驱动需要实现struct vb2_queue，来看下这个结构体：
struct vb2_queue {
enumv4l2_buf_type type; //buffer类型
unsignedint io_modes; //访问IO的方式:mmap、userptr
etc
conststruct vb2_ops *ops; //buffer队列操作函数集合
conststruct vb2_mem_ops *mem_ops; //buffer memory操作集合
structvb2_buffer *bufs[VIDEO_MAX_FRAME]; //代表每个buffer
unsignedint num_buffers; //分配的buffer个数
……
};
Vb2_queue代表一个videobuffer队列，vb2_buffer是这个队列中的成员，vb2_mem_ops是缓冲内存的操作函数集，vb2_ops用来管理队列。
vb2_mem_ops
vb2_mem_ops包含了内存映射缓冲区、用户空间缓冲区的内存操作方法：
struct vb2_mem_ops {
void *(*alloc)(void *alloc_ctx, unsignedlong size); //分配视频缓存
void (*put)(void *buf_priv); //释放视频缓存
//获取用户空间视频缓冲区指针
void *(*get_userptr)(void *alloc_ctx,unsigned long vaddr,
unsignedlong size, int write);
void (*put_userptr)(void *buf_priv); //释放用户空间视频缓冲区指针
//用于缓存同步
void (*prepare)(void *buf_priv);
void (*finish)(void *buf_priv);
void *(*vaddr)(void *buf_priv);
void *(*cookie)(void *buf_priv);
unsignedint (*num_users)(void *buf_priv); //返回当期在用户空间的buffer数
int (*mmap)(void *buf_priv, structvm_area_struct *vma); //把缓冲区映射到用户空间
};
这是一个相当庞大的结构体，这么多的结构体需要实现还不得累死，幸运的是内核都已经帮我们实现了。提供了三种类型的视频缓存区操作方法：连续的DMA缓冲区、集散的DMA缓冲区以及vmalloc创建的缓冲区，分别由videobuf2-dma-contig.c、videobuf2-dma-sg.c和videobuf-vmalloc.c文件实现，可以根据实际情况来使用。
vb2_ops
vb2_ops是用来管理buffer队列的函数集合，包括队列和缓冲区初始化
struct vb2_ops {
//队列初始化
int(*queue_setup)(struct vb2_queue *q, const struct v4l2_format *fmt,
unsigned int *num_buffers, unsigned int*num_planes,
unsigned int sizes[], void *alloc_ctxs[]);
//释放和获取设备操作锁
void(*wait_prepare)(struct vb2_queue *q);
void(*wait_finish)(struct vb2_queue *q);
//对buffer的操作
int(*buf_init)(struct vb2_buffer *vb);
int(*buf_prepare)(struct vb2_buffer *vb);
int(*buf_finish)(struct vb2_buffer *vb);
void(*buf_cleanup)(struct vb2_buffer *vb);
//开始视频流
int(*start_streaming)(struct vb2_queue *q, unsigned int count);
//停止视频流
int(*stop_streaming)(struct vb2_queue *q);
//把VB传递给驱动
void(*buf_queue)(struct vb2_buffer *vb);
};
vb2_buffer是缓存队列的基本单位，内嵌在其中v4l2_buffer是核心成员。当开始流IO时，帧以v4l2_buffer的格式在应用和驱动之间传输。一个缓冲区可以有三种状态：
在驱动的传入队列中，驱动程序将会对此队列中的缓冲区进行处理，用户空间通过IOCTL:VIDIOC_QBUF把缓冲区放入到队列。对于一个视频捕获设备，传入队列中的缓冲区是空的，驱动会往其中填充数据；
在驱动的传出队列中，这些缓冲区已由驱动处理过，对于一个视频捕获设备，缓存区已经填充了视频数据，正等用户空间来认领；
用户空间状态的队列，已经通过IOCTL:VIDIOC_DQBUF传出到用户空间的缓冲区，此时缓冲区由用户空间拥有，驱动无法访问。
这三种状态的切换如下图所示：
v4l2_buffer结构如下：
struct v4l2_buffer {
__u32 index; //buffer 序号
__u32 type; //buffer类型
__u32 bytesused; 缓冲区已使用byte数
__u32 flags;
__u32 field;
structtimeval timestamp; //时间戳，代表帧捕获的时间
structv4l2_timecode timecode;
__u32 sequence;
/*memory location */
__u32 memory; //表示缓冲区是内存映射缓冲区还是用户空间缓冲区
union {
__u32 offset; //内核缓冲区的位置
unsignedlong userptr; //缓冲区的用户空间地址
structv4l2_plane *planes;
__s32 fd;
} m;
__u32 length; //缓冲区大小，单位byte
};
当用户空间拿到v4l2_buffer，可以获取到缓冲区的相关信息。Byteused是图像数据所占的字节数，如果是V4L2_MEMORY_MMAP方式，m.offset是内核空间图像数据存放的开始地址，会传递给mmap函数作为一个偏移，通过mmap映射返回一个缓冲区指针p，p+byteused是图像数据在进程的虚拟地址空间所占区域；如果是用户指针缓冲区的方式，可以获取的图像数据开始地址的指针m.userptr，userptr是一个用户空间的指针，userptr+byteused便是所占的虚拟地址空间，应用可以直接访问。
5、用户空间访问设备
下面通过内核映射缓冲区方式访问视频设备(capturedevice)的流程。
1> 打开设备文件
fd = open(dev_name, O_RDWR /* required */ | O_NONBLOCK, 0);
dev_name[/dev/videoX]
2> 查询设备支持的能力
Struct v4l2_capability cap;
ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &cap)
3> 设置视频捕获格式
fmt.type= V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
fmt.fmt.pix.width = 640;
fmt.fmt.pix.height = 480;
fmt.fmt.pix.pixelformat= V4L2_PIX_FMT_YUYV; //像素格式
fmt.fmt.pix.field = V4L2_FIELD_INTERLACED;
ioctl(fd,VIDIOC_S_FMT, & fmt)
4> 向驱动申请缓冲区
Struct v4l2_requestbuffers req;
req.count= 4; //缓冲个数
req.type= V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
req.memory= V4L2_MEMORY_MMAP;
if(-1 == xioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &req))
5> 获取每个缓冲区的信息，映射到用户空间
structbuffer {
void *start;
size_t length;
} *buffers;
buffers = calloc(req.count, sizeof(*buffers));
for (n_buffers= 0; n_buffers < req.count; ++n_buffers) {
struct v4l2_buffer buf;
buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
buf.index = n_buffers;
if (-1 ==xioctl(fd, VIDIOC_QUERYBUF, & buf))
errno_exit("VIDIOC_QUERYBUF");
buffers[n_buffers].length= buf.length;
buffers[n_buffers].start=
mmap(NULL /* start anywhere */,
buf.length,
PROT_READ | PROT_WRITE /* required */,
MAP_SHARED /* recommended */,
fd, buf.m.offset);
}
6> 把缓冲区放入到传入队列上，打开流IO，开始视频采集
for (i =0; i < n_buffers; ++i) {
struct v4l2_buffer buf;
buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
buf.index = i;
if (-1 == xioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf))
errno_exit("VIDIOC_QBUF");
}
type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
if (-1 == xioctl(fd, VIDIOC_STREAMON, & type))
7> 调用select监测文件描述符，缓冲区的数据是否填充好，然后对视频数据
for (;;) {
fd_set fds;
struct timeval tv;
int r;
FD_ZERO(&fds);
FD_SET(fd,&fds);
/* Timeout. */
tv.tv_sec = 2;
tv.tv_usec = 0;
//监测文件描述是否变化
r = select(fd + 1,& fds, NULL, NULL, & tv);
if (-1 == r) {
if (EINTR ==errno)
continue;
errno_exit("select");
}
if (0 == r) {
fprintf(stderr,"select timeout\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//对视频数据进行处理
if (read_frame())
break;
/* EAGAIN - continueselect loop. */
}
8> 取出已经填充好的缓冲，获取到视频数据的大小，然后对数据进行处理。这里取出的缓冲只包含缓冲区的信息，并没有进行视频数据拷贝。
buf.type= V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
buf.memory= V4L2_MEMORY_MMAP;
if (-1 ==ioctl(fd, VIDIOC_DQBUF, & buf)) //取出缓冲
errno_exit("VIDIOC_QBUF");
process_image(buffers[buf.index].start,buf.bytesused); //视频数据处理
if (-1 ==xioctl(fd, VIDIOC_QBUF, & buf)) //然后又放入到传入队列
errno_exit("VIDIOC_QBUF");
9> 停止视频采集
type =V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
ioctl(fd,VIDIOC_STREAMOff, & type);
10> 关闭设备
Close(fd);
暂时分析到这里，后续在更新！
Reference:
http://lxr.linux.no/linux+v3.8.8/Documentation/video4linux/v4l2-framework.txt
http://lxr.linux.no/linux+v3.9/Documentation/DocBook/media/v4l/capture.c.xml
http://linuxtv.org/downloads/v4l-dvb-apis/vidioc-reqbufs.html
http://lwn.net/Articles/203924/
http://lxr.linux.no/linux+v3.9.1/drivers/media/platform/vivi.c
