v4l2框架分析
参考:https://www.cnblogs.com/fengong/p/4424823.html
http://www.cnblogs.com/fengong/p/4424895.html
一,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:
1.1 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。
1.2 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。
二、V4L2框架
2.1 结构体框架图
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。
2.2 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)
2.2 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
const struct v4l2_subdev_ops *ops;//提供一些控制v4l2设备的接口
const struct v4l2_subdev_internal_ops *internal_ops;//向V4L2框架提供的接口函数 //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 { const struct v4l2_subdev_core_ops *core; //视频设备通用的操作:初始化、加载FW、上电和RESET等 const struct v4l2_subdev_tuner_ops *tuner; //tuner特有的操作 const struct v4l2_subdev_audio_ops *audio; //audio特有的操作 const struct v4l2_subdev_video_ops *video; //视频设备的特有操作:设置帧率、裁剪图像、开关视频流等
…… };
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)
2.3 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]。
2.4 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)
2.5 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。
三、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。
四、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。
4.1 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。
4.2 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。
4.3 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。
4.4 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。
五、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);
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