V4L2学习（二）结构介绍

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 {
 
         struct v4l2_device *v4l2_dev;  //指向父设备
 
         //提供一些控制v4l2设备的接口
 
         const struct v4l2_subdev_ops *ops;
 
         //向V4L2框架提供的接口函数
 
         const struct v4l2_subdev_internal_ops *internal_ops;
 
         //subdev控制接口
 
         struct v4l2_ctrl_handler *ctrl_handler;
 
         /* name must be unique */
 
         charname[V4L2_SUBDEV_NAME_SIZE];
 
         /*subdev device node */
 
         struct video_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
 
         const struct v4l2_subdev_core_ops        *core;    //tuner特有的操作
 
         const struct v4l2_subdev_tuner_ops      *tuner;    //audio特有的操作
 
         const struct 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
 
         const struct v4l2_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：

struct v4l2_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
 
{
 
         const struct v4l2_file_operations *fops;  //V4L2设备操作集合
 
         /*sysfs */
 
         struct device dev;             /* v4l device */
 
         struct cdev *cdev;            //字符设备
 
         /* Seteither parent or v4l2_dev if your driver uses v4l2_device */
 
         struct device *parent;              /* deviceparent */
 
         struct v4l2_device *v4l2_dev;          /*v4l2_device parent */
 
         /*Control handler associated with this device node. May be NULL. */
 
         struct v4l2_ctrl_handler *ctrl_handler;
 
         /* 指向video buffer队列*/
 
         struct vb2_queue *queue;
 
         int vfl_type;      /* device type */
 
         int minor;  //次设备号
 
         /* V4L2file handles */
 
         spin lock_t                  fh_lock; /* Lock for allv4l2_fhs */
 
         struct list_head        fh_list; /* List ofstruct v4l2_fh */
 
         /*ioctl回调函数集，提供file_operations中的ioctl调用 */
 
         const struct 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,-, , , );

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, ),

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 {
 
         enum v4l2_buf_type                  type;  //buffer类型
 
         unsigned int                        io_modes;  //访问IO的方式:mmap、userptr etc
 
         const struct vb2_ops                 *ops;   //buffer队列操作函数集合
 
         const struct vb2_mem_ops     *mem_ops;  //buffer memory操作集合
 
         struct vb2_buffer              *bufs[VIDEO_MAX_FRAME];  //代表每个buffer
 
         unsigned int                        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,
 
unsigned long 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);
 
unsigned int     (*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;
 
         struct timeval           timestamp;  //时间戳，代表帧捕获的时间
 
         struct v4l2_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
 
                   unsigned long   userptr;   //缓冲区的用户空间地址
 
                   struct v4l2_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, );
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       = ;
 
fmt.fmt.pix.height      = ;
 
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= ;  //缓冲个数
 
req.type= V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
 
req.memory= V4L2_MEMORY_MMAP;
 
if(- == xioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &req))
{
...
}

5>    获取每个缓冲区的信息，映射到用户空间

struct buffer {
 
        void  *start;
 
        size_t length;
 
} *buffers;
 
buffers = calloc(req.count, sizeof(*buffers));
 
for (n_buffers= ; 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 (- ==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 =; i < n_buffers; ++i) {
 
    struct v4l2_buffer buf;
 
    buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
 
    buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
 
    buf.index = i;
 
    if (- == xioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf))
 
          errno_exit("VIDIOC_QBUF");
 
 }
 
 type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
 
 if (- == 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 = ;
    tv.tv_usec = ;
    //监测文件描述是否变化
    r = select(fd + ,& fds, NULL, NULL, & tv);
    if (- == r)
    {
        if (EINTR ==errno)
        continue;
        errno_exit("select");
    }
 
    if ( == 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 (- ==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 (- ==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);