2.3 摄像头驱动_vivi驱动程序分析

学习目标：熟悉vivi的调用过程，分析vivi程序源码的ioctl函数；

一、vivi虚拟视频驱动测试方法

当我们接上usb摄像头设备时，系统会自动给我们安装对应的usb设备驱动程序。如果下次直接测试vivi驱动或者使用自己编译的vivi驱动时，可能会提示缺少其它函数。因此，可以使用以下测试方法：

1. 先安装系统自带的vivi驱动和它所有依赖的所有驱动：# sudo modprobe vivi ;

2. 卸载原有的vivi驱动 ：# sudo rmmod vivi ;

3. 装载自己的驱动 ：# sudo insmod ./vivi.ko ;
之后，可以使用命令：# ls /dev/video* ,看到vivi虚拟出来的视频设备设备节点 /dev/video0 。

4. 执行命令# xawtv -c /dev/video0 测试；

二、分析vivi驱动的过程

1、xawtv执行过程

方法一：通过使用source insight从xawtv源码的main函数开始分析。但由于程序中还执行了许多无关的功能，分析过程会比较漫长；

方法二：使用strace命令跟踪调用过程： # strace -o xawtv.txt xawtv  生成了调用过程的描述摘要，保存在：xawtv.txt。

打开文档可以看到：

 execve("/usr/bin/xawtv", ["xawtv"], [/* 36 vars */]) =
 brk()                                  = 0x9ae0000
 access("/etc/ld.so.nohwcap", F_OK)      = - ENOENT (No such file or directory)
 mmap2(NULL, , PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -, ) = 0xb7736000
 access("/etc/ld.so.preload", R_OK)      = - ENOENT (No such file or directory)
 open("/etc/ld.so.cache", O_RDONLY)      =
 fstat64(, {st_mode=S_IFREG|, st_size=, ...}) =
 mmap2(NULL, , PROT_READ, MAP_PRIVATE, , ) = 0xb7724000
 close()                                =
 access("/etc/ld.so.nohwcap", F_OK)      = - ENOENT (No such file or directory)
 open("/lib/tls/i686/cmov/libc.so.6", O_RDONLY) =
 read(, "\177ELF\1\1\1\0\0\0\0\0\0\0\0\0\3\0\3\0\1\0\0\0\260l\1\0004\0\0\0"..., ) =
 fstat64(, {st_mode=S_IFREG|, st_size=, ...}) =
 mmap2(NULL, , PROT_READ|PROT_EXEC, MAP_PRIVATE|MAP_DENYWRITE, , ) = 0x1af000
 mmap2(0x2ed000, , PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_DENYWRITE, , 0x13e) = 0x2ed000
 mmap2(0x2f0000, , PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS, -, ) = 0x2f0000
 close()                                =
 mmap2(NULL, , PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -, ) = 0xb7723000
 set_thread_area({entry_number:- -> , base_addr:0xb77238d0, limit:, seg_32bit:, contents:, read_exec_only:, limit_in_pages:, seg_not_present:, useable:}) =
 mprotect(0x2ed000, , PROT_READ)     =
 mprotect(0x805e000, , PROT_READ)    =
 mprotect(0x349000, , PROT_READ)     =
 munmap(0xb7724000, )               =
 getpid()                                =
 rt_sigaction(SIGCHLD, {SIG_DFL, [CHLD], SA_RESTART}, {SIG_DFL, [], }, ) =
 geteuid32()                             =
 brk()                                  = 0x9ae0000
 brk(0x9b01000)                          = 0x9b01000
 getppid()                               = 2129
  ..........

通过搜索/dev/video0设备节点，查看关于vivi调用部分,是一些列的ioctl函数，它们对应于xawtv工具的各个属性控制选项：

接下来，一步步的分析，就能知道ioctl的调用过程

 open("/dev/video0", O_RDWR|O_LARGEFILE) =
 ioctl(, VIDIOC_QUERYCAP or VT_OPENQRY, 0xbfaccd44) =
 ioctl(, VIDIOC_G_FMT or VT_SENDSIG, 0xbfaccc78) =
 ioctl(, VIDIOC_ENUM_FMT or VT_SETMODE, 0xbfaccbec) =
 ioctl(, 0xc02c564a, 0xbfaccb58)        = - EINVAL (Invalid argument)
 ioctl(, VIDIOC_ENUM_FMT or VT_SETMODE, 0xbfaccbec) =
 ioctl(, 0xc02c564a, 0xbfaccb58)        = - EINVAL (Invalid argument)
 ioctl(, VIDIOC_ENUM_FMT or VT_SETMODE, 0xbfaccbec) =
 ioctl(, 0xc02c564a, 0xbfaccb58)        = - EINVAL (Invalid argument)
 ioctl(, VIDIOC_ENUM_FMT or VT_SETMODE, 0xbfaccbec) =
 ioctl(, VIDIOC_ENUM_FMT or VT_SETMODE, 0xbfaccbec) =
 ioctl(, VIDIOC_ENUM_FMT or VT_SETMODE, 0xbfaccbec) =
 ioctl(, VIDIOC_ENUM_FMT or VT_SETMODE, 0xbfaccbec) = - EINVAL (Invalid argument)
 ioctl(, VIDIOC_QUERYCAP or VT_OPENQRY, 0xbfaccb84) =
 ioctl(, VIDIOC_G_INPUT, 0xbfacca2c)    =
 ioctl(, VIDIOC_ENUMINPUT, 0xbfacca2c)  =
 fstat64(, {st_mode=S_IFCHR|, st_rdev=makedev(, ), ...}) =
 ioctl(, MATROXFB_TVOQUERYCTRL or VIDIOC_QUERYCTRL, 0xbfacca78) = - EINVAL (Invalid argument)
 ioctl(, VIDIOC_QUERYCAP or VT_OPENQRY, 0x9b40998) =
 fcntl64(, F_SETFD, FD_CLOEXEC)         =
 ioctl(, VIDIOC_ENUMINPUT, 0x9b40acc)   =
 ioctl(, VIDIOC_ENUMINPUT, 0x9b40b18)   =
 ioctl(, VIDIOC_ENUMINPUT, 0x9b40b64)   =
 ioctl(, VIDIOC_ENUMINPUT, 0x9b40bb0)   =
 ioctl(, VIDIOC_ENUMINPUT, 0x9b40bfc)   = - EINVAL (Invalid argument)
 ioctl(, VIDIOC_ENUMSTD, 0x9b40f8c)     =
 ioctl(, VIDIOC_ENUMSTD, 0x9b40fcc)     =
 ioctl(, VIDIOC_ENUMSTD, 0x9b4100c)     =
 ioctl(, VIDIOC_ENUMSTD, 0x9b4104c)     =
 ioctl(, VIDIOC_ENUMSTD, 0x9b4108c)     =
 ioctl(, VIDIOC_ENUMSTD, 0x9b410cc)     =
 ioctl(, VIDIOC_ENUMSTD, 0x9b4110c)     =
 ioctl(, VIDIOC_ENUMSTD, 0x9b4114c)     = - EINVAL (Invalid argument)
.......

2. 调用vivi的ioctl函数过程分析

由open函数返回值得到设备节点句柄fd=4，只需要看关于4的ioctl的部分即可。ioctl函数在不同的函数中被调用，执行不同的功能：

// 1~7都是在v4l2_open里调用
1). open 打开了两次

2). ioctl(4, VIDIOC_QUERYCAP　　// 列举性能

// 3~7 都是在get_device_capabilities里调用，源码中执行了多次
3). for()
        ioctl(4, VIDIOC_ENUMINPUT   // 列举输入源,VIDIOC_ENUMINPUT/VIDIOC_G_INPUT/VIDIOC_S_INPUT不是必需的
4). for()
        ioctl(4, VIDIOC_ENUMSTD  // 列举标准(制式), 不是必需的
5). for()       
        ioctl(4, VIDIOC_ENUM_FMT // 列举格式

6). ioctl(4, VIDIOC_G_PARM
7). for()
        ioctl(4, VIDIOC_QUERYCTRL    // 查询属性(比如说亮度值最小值、最大值、默认值)

// 8~10都是通过v4l2_read_attr来调用的

8). ioctl(4, VIDIOC_G_STD            // 获得当前使用的标准(制式), 不是必需的

9). ioctl(4, VIDIOC_G_INPUT

10). ioctl(4, VIDIOC_G_CTRL           // 获得当前属性, 比如亮度是多少

11). ioctl(4, VIDIOC_TRY_FMT          // 试试能否支持某种格式

12). ioctl(4, VIDIOC_S_FMT            // 设置摄像头使用某种格式

// 13~16在v4l2_start_streaming
13). ioctl(4, VIDIOC_REQBUFS          // 请求系统分配缓冲区
14). for()
        ioctl(4, VIDIOC_QUERYBUF         // 查询所分配的缓冲区
        mmap       
15). for ()
        ioctl(4, VIDIOC_QBUF             // 把缓冲区放入队列       
16). ioctl(4, VIDIOC_STREAMON     // 启动摄像头

// 17里都是通过v4l2_write_attr来调用的
17). for ()
    ioctl(4, VIDIOC_S_CTRL               // 设置属性
    ioctl(4, VIDIOC_S_INPUT              // 设置输入源
    ioctl(4, VIDIOC_S_STD                 // 设置标准(制式), 不是必需的

// v4l2_nextframe > v4l2_waiton   
18). v4l2_queue_all
       v4l2_waiton   
        for ()
        {
            select(5, [4], NULL, NULL, {5, 0})      = 1 (in [4], left {4, 985979})
            ioctl(4, VIDIOC_DQBUF                // de-queue, 把缓冲区从队列中取出
            // 处理, 之前的mmp函数已经获得了缓冲区的地址, 就可以直接访问数据       
            ioctl(4, VIDIOC_QBUF                 // 把缓冲区放入队列
        }

3. vivi驱动必不可少的11个ioctl

在linux 2.6.31.14 内核中，当应用程序调用v4l2框架里的ioctl时，最终会调用到vivi.c里的vivi_ioctl_ops结构体中的各个函数。

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例如：当执行ioctl(4, VIDIOC_REQBUFS          // 请求系统分配缓冲区，函数的调用过程：

--->调用v4l2_dev.c中的 .unlocked_ioctl = v4l2_ioctl,

　　struct video_device *vdev = video_devdata(filp); //次设备号找到对应的video_device

　　ret = vdev->fops->ioctl(filp, cmd, arg);//最终会调用到vivi.c中的 .unlocked_ioctl = video_ioctl2, /* V4L2 ioctl handler */

　　　　-->video_ioctl2  // video_usercopy(file, cmd, arg, __video_do_ioctl); 此时进入了v4l2_ioctl.c文件中

　　　　　　-->__video_do_ioctl

　　　　　　　  struct video_device *vfd = video_devdata(file);//次设备号找到对应的video_device

　　　　　　　  const struct v4l2_ioctl_ops *ops = vfd->ioctl_ops;

　　　　　　　  ret = ops->vidioc_reqbufs(file, fh, p); //调用vivi.c中的vivi_ioctl_ops结构体中的vidioc_reqbufs函数　　　　

__video_do_ioctl下面有对cmd的处理：

 case VIDIOC_REQBUFS:
     {
         struct v4l2_requestbuffers *p = arg;
         if (!ops->vidioc_reqbufs)
             break;         ret = check_fmt(ops, p->type);
         if (p->type < V4L2_BUF_TYPE_PRIVATE)
             CLEAR_AFTER_FIELD(p, memory);
         ret = ops->vidioc_reqbufs(file, fh, p);
         dbgarg(cmd, "count=%d, type=%s, memory=%s\n",
                 p->count,
                 prt_names(p->type, v4l2_type_names),
                 prt_names(p->memory, v4l2_memory_names));
         break;
     }

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

其中，vivi_ioctl_ops结构体为：

 static const struct v4l2_ioctl_ops vivi_ioctl_ops = {
     .vidioc_querycap      = vidioc_querycap,
     .vidioc_enum_fmt_vid_cap  = vidioc_enum_fmt_vid_cap,
     .vidioc_g_fmt_vid_cap     = vidioc_g_fmt_vid_cap,
     .vidioc_try_fmt_vid_cap   = vidioc_try_fmt_vid_cap,
     .vidioc_s_fmt_vid_cap     = vidioc_s_fmt_vid_cap,
     .vidioc_reqbufs       = vidioc_reqbufs,
     .vidioc_querybuf      = vidioc_querybuf,
     .vidioc_qbuf          = vidioc_qbuf,
     .vidioc_dqbuf         = vidioc_dqbuf,
     .vidioc_s_std         = vidioc_s_std,
     .vidioc_enum_input    = vidioc_enum_input,
     .vidioc_g_input       = vidioc_g_input,
     .vidioc_s_input       = vidioc_s_input,
     .vidioc_streamon      = vidioc_streamon,
     .vidioc_streamoff     = vidioc_streamoff,
     .vidioc_log_status    = v4l2_ctrl_log_status,
     .vidioc_subscribe_event = v4l2_ctrl_subscribe_event,
     .vidioc_unsubscribe_event = v4l2_event_unsubscribe,
 };

以上驱动程序结构体中必需的11个ioctl函数：

// 表示它是一个摄像头设备
 .vidioc_querycap      = vidioc_querycap,

/* 用于列举、获得、测试、设置摄像头的数据的格式 */
 .vidioc_enum_fmt_vid_cap  = vidioc_enum_fmt_vid_cap,
 .vidioc_g_fmt_vid_cap     = vidioc_g_fmt_vid_cap,
 .vidioc_try_fmt_vid_cap   = vidioc_try_fmt_vid_cap,
 .vidioc_s_fmt_vid_cap     = vidioc_s_fmt_vid_cap,

/* 缓冲区操作: 申请/查询/放入队列/取出队列 */
 .vidioc_reqbufs       = vidioc_reqbufs,
 .vidioc_querybuf      = vidioc_querybuf,
 .vidioc_qbuf          = vidioc_qbuf,
 .vidioc_dqbuf         = vidioc_dqbuf,

// 启动/停止
 .vidioc_streamon      = vidioc_streamon,
 .vidioc_streamoff     = vidioc_streamoff,

4.数据的获取过程

1). 请求分配缓冲区:

　　ioctl(4, VIDIOC_REQBUFS          // 请求系统分配缓冲区,

最终会调用vivi.c程序的vivi_ioctl_ops结构体的videobuf_reqbufs函数-->

　　videobuf_reqbufs(队列, v4l2_requestbuffers) // 队列在open函数用videobuf_queue_vmalloc_init初始化。根据xawtv程序中结构体的各项配置可知，这个IOCTL只是分配缓冲区的头部信息，真正的缓存还没有分配。

2） 查询映射缓冲区:
ioctl(4, VIDIOC_QUERYBUF         // 查询所分配的缓冲区
        videobuf_querybuf        // 获得缓冲区的数据格式、大小、每一行长度、高度           
mmap(参数里有"大小")   // 在这里才分配缓存
        -->v4l2_mmap
            -->vivi_mmap
                -->videobuf_mmap_mapper
                    -->videobuf-vmalloc.c里的__videobuf_mmap_mapper
                            mem->vmalloc = vmalloc_user(pages);   // 在这里才给缓冲区分配空间

3) 把缓冲区放入队列:
ioctl(4, VIDIOC_QBUF             // 把缓冲区放入队列        
    调用videobuf_qbuf
        q->ops->buf_prepare(q, buf, field);  // 调用驱动程序提供的函数做些预处理
        list_add_tail(&buf->stream, &q->stream);  // 把缓冲区放入队列的尾部
        q->ops->buf_queue(q, buf);           // 调用驱动程序提供的"入队列函数"

4) 启动摄像头
ioctl(4, VIDIOC_STREAMON
    videobuf_streamon
        q->streaming = 1;

5) 用select查询是否有数据，select(5, [4], NULL, NULL, {5, 0})；根据select原理可知，驱动程序里必定有: 产生数据、唤醒进程
     它会调用到驱动程序提供的vivi_poll函数

--->v4l2_poll
               -->vdev->fops->poll
                    -->vivi_poll  
                        videobuf_poll_stream
                            // 从队列的头部获得缓冲区
                            buf = list_entry(q->stream.next, struct videobuf_buffer, stream);
如果缓冲区里没有数据的话，就执行poll_wait(file, &buf->done, wait)在buf->done里休眠。

谁来产生数据、谁来唤醒它？
    内核线程vivi_thread每30MS执行一次，它调用
    vivi_thread_tick
        vivi_fillbuff(fh, buf);  // 构造数据
        wake_up(&buf->vb.done);  // 唤醒进程

在vivi.c里面有它的唤醒函数  wake_up(&buf->vb.done) ，在vivi虚拟驱动里采用一个内核线程vivi_thread ，使用vivi_sleep函数休眠，每隔一段时间使用vivi_thread_tick里的vivi_fillbuff来产生数据，并唤醒进程wake_up(&buf->vb.done)。

6) 产生数据后从队列里取出缓冲区
// 有那么多缓冲区，APP如何知道哪一个缓冲区有数据？调用VIDIOC_DQBUF
ioctl(4, VIDIOC_DQBUF
    vidioc_dqbuf   
        retval = stream_next_buffer(q, &buf, nonblocking);// 在队列里获得有数据的缓冲区
        list_del(&buf->stream);     // 把它从队列中删掉
        videobuf_status(q, b, buf, q->type);     // 把这个缓冲区的状态返回给APP                         
应用程序根据VIDIOC_DQBUF所得到缓冲区状态，知道是哪一个缓冲区有数据就去读对应的地址(该地址来自前面的mmap)

注意：应用程序调用某个ioctl,vivi.c驱动程序必须提供相应的ioctl，它们实质上是调用系统提供的函数（例如videobuf-core.c和videobuf-vmalloc.c等）来实现相应的ioctl。

三、怎么写摄像头驱动程序:
1. 分配video_device:video_device_alloc 
2. 设置
   .fops
   .ioctl_ops (里面需要设置11项)
   如果要用内核提供的缓冲区操作函数，还需要构造一个videobuf_queue_ops
3. 注册: video_register_device

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参考： https://blog.csdn.net/sinat_31500569/article/details/52050449