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第一章 V4L2簡介
1.1、什麼是v4l2
V4L2（Video4Linux的縮寫）是Linux下關於視頻採集相關設備的驅動框架，爲驅動和應用程序提供了一套統一的接口規範。
V4L2支持的設備十分廣泛，但是其中只有很少一部分在本質上是真正的視頻設備：
- Video capture device ： 從攝像頭等設備上獲取視頻數據。對很多人來講，video capture是V4L2的基本應用。設備名稱爲/dev/video,主設備號81，子設備號0~63
- Video output device ： 將視頻數據編碼爲模擬信號輸出。與video capture設備名相同。
- Video overlay device ： 將同步鎖相視頻數據（如TV）轉換爲VGA信號，或者將抓取的視頻數據直接存放到視頻卡的顯存中。
- Video output overlay device ：也被稱爲OSD(On-Screen Display)
- VBI device ： 提供對VBI（Vertical Blanking Interval）數據的控制，發送VBI數據或抓取VBI數據。設備名/dev/vbi0~vbi31,主設備號81,子設備號224~255
- Radio device ： FM/AM發送和接收設備。設備名/dev/radio0~radio63,主設備號81，子設備號64~127
V4L2在Linux系統中的結構圖如下：
V4L2簡單框圖
1.2、從應用層看V4L2
從V4L2簡單框圖可以看出,V4L2是一個字符設備，而V4L2的大部分功能都是通過設備文件的ioctl導出的。
**可以將這些ioctl分類如下**：
- Query Capability:查詢設備支持的功能，只有VIDIOC_QUERY_CAP一個。
- 優先級相關：包括VIDIOC_G_PRIORITY,VIDIOC_S_PRIORITY,設置優先級。
- capture相關：視頻捕獲相關Ioctl。
capture ioctl list ID 描述 VIDIOC_ENUM_FMT 枚舉設備所支持的所有數據格式 VIDIOC_S_FMT 設置數據格式 VIDIOC_G_FMT 獲取數據格式 VIDIOC_TRY_FMT 與VIDIOC_S_FMT一樣，但不會改變設備的狀態 VIDIOC_REQBUFS 向設備請求視頻緩衝區，即初始化視頻緩衝區 VIDIOC_QUERYBUF 查詢緩衝區的狀態 VIDIOC_QBUF 從設備獲取一幀視頻數據 VIDIOC_DQBUF 將視頻緩衝區歸回給設備， VIDIOC_OVERLAY 開始或者停止overlay VIDIOC_G_FBUF 獲取video overlay設備或OSD設備的framebuffer參數 VIDIOC_S_FBUF 設置framebuffer參數 VIDIOC_STREAMON 開始流I/O操作，capture or output device VIDIOC_STREAMOFF 關閉流I/O操作
- TV視頻標準：
TV Standard ID 描述 VIDIOC_ENUMSTD 枚舉設備支持的所有標準 VIDIOC_G_STD 獲取當前正在使用的標準 VIDIOC_S_STD 設置視頻標準 VIDIOC_QUERYSTD 有的設備支持自動偵測輸入源的視頻標準，此時使用此ioctl查詢偵測到的視頻標準
- input/output：
Input / Output ID 描述 VIDIOC_ENUMINPUT 枚舉所有input端口 VIDIOC_G_INPUT 獲取當前正在使用的input端口 VIDIOC_S_INPUT 設置將要使用的input端口 VIDIOC_ENUMOUTPUT 枚舉所有output端口 VIDIOC_G_OUTPUT 獲取當前正在使用的output端口 VIDIOC_S_OUTPUT 設置將要使用的output端口 VIDIOC_ENUMAUDIO 枚舉所有audio input端口 VIDIOC_G_AUDIO 獲取當前正在使用的audio input端口 VIDIOC_S_AUDIO 設置將要使用的audio input端口 VIDIOC_ENUMAUDOUT 枚舉所有audio output端口 VIDIOC_G_AUDOUT 獲取當前正在使用的audio output端口 VIDIOC_S_AUDOUT 設置將要使用的audio output端口
- controls：設備特定的控制，例如設置對比度，亮度
controls ID 描述 VIDIOC_QUERYCTRL 查詢指定control的詳細信息 VIDIOC_G_CTRL 獲取指定control的值 VIDIOC_S_CTRL 設置指定control的值 VIDIOC_G_EXT_CTRLS 獲取多個control的值 VIDIOC_S_EXT_CTRLS 設置多個control的值 VIDIOC_TRY_EXT_CTRLS 與VIDIOC_S_EXT_CTRLS相同，但是不改變設備狀態 VIDIOC_QUERYMENU 查詢menu
- 其他雜項：
controls ID 描述 VIDIOC_G_MODULATOR VIDIOC_S_MODULATOR VIDIOC_G_CROP VIDIOC_S_CROP VIDIOC_G_SELECTION VIDIOC_S_SELECTION VIDIOC_CROPCAP VIDIOC_G_ENC_INDEX VIDIOC_ENCODER_CMD VIDIOC_TRY_ENCODER_CMD VIDIOC_DECODER_CMD VIDIOC_TRY_DECODER_CMD VIDIOC_G_PARM VIDIOC_S_PARM VIDIOC_G_TUNER VIDIOC_S_TUNER VIDIOC_G_FREQUENCY VIDIOC_S_FREQUENCY VIDIOC_G_SLICED_VBI_CAP VIDIOC_LOG_STATUS VIDIOC_DBG_G_CHIP_IDENT VIDIOC_S_HW_FREQ_SEEK VIDIOC_ENUM_FRAMESIZES VIDIOC_ENUM_FRAMEINTERVALS VIDIOC_ENUM_DV_PRESETS VIDIOC_S_DV_PRESET VIDIOC_G_DV_PRESET VIDIOC_QUERY_DV_PRESET VIDIOC_S_DV_TIMINGS VIDIOC_G_DV_TIMINGS VIDIOC_DQEVENT VIDIOC_SUBSCRIBE_EVENT VIDIOC_UNSUBSCRIBE_EVENT VIDIOC_CREATE_BUFS VIDIOC_PREPARE_BUF
v4l2設備的基本操作流程如下：
- **打開設備**，例如 fd = open("/dev/video0",0)
- 查詢設備能力. 例如:
struct capability cap; ioctl(fd,VIDIOC_QUERYCAP,&cap)
- 設置優先級(可選).
- **配置設備**。包括：
- 視頻輸入源的視頻標準，VIDIOC_*_STD
- 視頻數據的格式 , VIDIOC_*_FMT
- 視頻輸入端口, VIDIOC_*_INPUT
- 視頻輸出端口，VIDIOC_*_OUTPUT
**啓動設備開始I/O操作**。V4L2支持一下三種I/O方式：
- **Read/Write**：通過調用設備節點文件的Read/Write函數，與設備交互數據。打開設備後，默認使用的是此方法。
- **Stream I/O**：流操作，只傳遞數據緩衝區指針，不拷貝數據。使用此方法，需要調用VIDIOC_REQBUFS ioctl來通知設備。流操作I/O有兩種方式memory map和user buffer。（具體區別後面章節介紹）
- overlay ： 也可以理解爲memory to memory 傳輸。將數據從內存拷貝到顯存中。overlay設備獨有的。
對於Capture device可以以如下方式啓動設備：
- 調用VIDIOC_REQBUFS ioctl來分配緩衝區隊列；
- 調用VIDIOC_STREAMON ioctl通知設備開始stream IO
- 調用VIDIOC_QBUF ioctl從設備獲取一幀視頻數據；
- 使用完數據後，調用VIDIOC_DQBUF將緩衝區還給設備，以便設備填充下一幀數據。
釋放資源並關閉設備。
1.3、從驅動層看V4L2
在驅動層，V4L2爲驅動編寫者做了很多工作。只需要實現硬件相關的代碼，並且註冊相關設備即可。
硬件相關代碼的編寫，除了編寫具體硬件的控制代碼外，最主要的就是將代碼與V4L2框架綁定。綁定主要分爲以下兩個部分：
- 關係綁定：也就是要將我們自己的結構體，與V4L2框架中相關連的結構體綁定在一起。
- iocontrol等函數綁定：將V4L2所定義的空的函數指針，與自己的函數綁定在一起。
3.1 關係綁定
提到關係綁定，就必須介紹下V4L2幾個重要結構體。
- struct video_device：主要的任務就是負責向內核註冊字符設備
- struct v4l2_device：一個硬件設備可能包含多個子設備，比如一個電視卡除了有capture設備，可能還有VBI設備或者FM tunner。而v4l2_device就是所有這些設備的根節點，負責管理所有的子設備。
- struct v4l2_subdev：子設備，負責實現具體的功能。
v4l2_device,v4l2_subdev可以看作所有設備和子設備的基類。我們在編寫自己的驅動時，往往需要繼承這些設備基類，添加一些自己的數據成員。例如第三章要講到的soc_camera_host結構體，就是繼承v4l2_device，並添加了互斥鎖、子設備列表等成員變量。
v4l2 framework 簡略版
綁定的基本流程
根據需要”重載”v4l2_device或v4l2_subdev結構體，添加需要的結構體成員。例如 ：
linux/include/media/soc_camera.h文件中soc_camera_host重載了v4l2_device：
struct soc_camera_host { struct v4l2_device v4l2_dev; struct list_head list; struct mutex host_lock; /* Protect during probing */ unsigned char nr; /* Host number */ void *priv; const char *drv_name; struct soc_camera_host_ops *ops; };
linux/drivers/media/video/Ml86v7667.c中ml86v7667_priv結構體”重載”了v4l2_subdev：
struct ml86v7667_priv { struct v4l2_subdev sd; struct v4l2_ctrl_handler hdl; v4l2_std_id std; };
v4l2_device與V4L2框架的綁定：通過調用v4l2_device_register函數實現。例如，上面提到的soc_camera_host的綁定：
int soc_camera_host_register(struct soc_camera_host *ici) { struct soc_camera_host *ix; int ret; if (!ici || !ici->ops || !ici->ops->try_fmt || !ici->ops->set_fmt || !ici->ops->set_bus_param || !ici->ops->querycap || ((!ici->ops->init_videobuf || !ici->ops->reqbufs) && !ici->ops->init_videobuf2) || !ici->ops->add || !ici->ops->remove || !ici->ops->poll || !ici->v4l2_dev.dev) return -EINVAL; if (!ici->ops->set_crop) ici->ops->set_crop = default_s_crop; if (!ici->ops->get_crop) ici->ops->get_crop = default_g_crop; if (!ici->ops->cropcap) ici->ops->cropcap = default_cropcap; if (!ici->ops->set_parm) ici->ops->set_parm = default_s_parm; if (!ici->ops->get_parm) ici->ops->get_parm = default_g_parm; if (!ici->ops->enum_fsizes) ici->ops->enum_fsizes = default_enum_fsizes; mutex_lock(&list_lock); list_for_each_entry(ix, &hosts, list) { if (ix->nr == ici->nr) { ret = -EBUSY; goto edevreg; } } ret = v4l2_device_register(ici->v4l2_dev.dev, &ici->v4l2_dev); if (ret < 0) goto edevreg; list_add_tail(&ici->list, &hosts); mutex_unlock(&list_lock); mutex_init(&ici->host_lock); scan_add_host(ici); return 0; edevreg: mutex_unlock(&list_lock); return ret; }
v4l2_subdev與v4l2_device的綁定：通過v4l2_device_register_subdev函數，將subdev註冊到根節點上。例如：
static int soc_camera_platform_probe(struct platform_device *pdev) { struct soc_camera_host *ici; struct soc_camera_platform_priv *priv; struct soc_camera_platform_info *p = pdev->dev.platform_data; struct soc_camera_device *icd; int ret; if (!p) return -EINVAL; if (!p->icd) { dev_err(&pdev->dev, "Platform has not set soc_camera_device pointer!\n"); return -EINVAL; } priv = kzalloc(sizeof(*priv), GFP_KERNEL); if (!priv) return -ENOMEM; icd = p->icd; /* soc-camera convention: control's drvdata points to the subdev */ platform_set_drvdata(pdev, &priv->subdev); /* Set the control device reference */ icd->control = &pdev->dev; ici = to_soc_camera_host(icd->parent); v4l2_subdev_init(&priv->subdev, &platform_subdev_ops); v4l2_set_subdevdata(&priv->subdev, p); strncpy(priv->subdev.name, dev_name(&pdev->dev), V4L2_SUBDEV_NAME_SIZE); ret = v4l2_device_register_subdev(&ici->v4l2_dev, &priv->subdev); if (ret) goto evdrs; return ret; evdrs: platform_set_drvdata(pdev, NULL); kfree(priv); return ret; }
video_device與v4l2_device的綁定：將v4l2_device的地址賦值給video_device的v4l2_dev即可。
此步不一定必要。只要有辦法通過文件節點file(struct file)找到v4l2_device即可。
3.2 函數綁定
在v4l2 framework 簡略版圖中，綠色的方框都是需要我們綁定並實現的。
其中v4l2_file_operations和v4l2_ioctl_ops是必須實現的。而v4l2_subdev_ops下的八類ops中，v4l2_subdev_core_ops是必須實現的，其餘需要根據設備類型選擇實現的。比如video capture類設備需要實現v4l2_subdev_core_ops, v4l2_subdev_video_ops。
- v4l2_file_operations：實現文件類操作，比如open,close,read,write,mmap等。但是ioctl是不需要實現的，一般都是用video_ioctl2代替。例如linux/drivers/media/video/soc_camera.c文件中soc_camera_fops的實現：
static struct v4l2_file_operations soc_camera_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = soc_camera_open,
.release = soc_camera_close,
.unlocked_ioctl = video_ioctl2,
.read = soc_camera_read,
.mmap = soc_camera_mmap,
.poll = soc_camera_poll,
};
- v4l2_ioctl_ops：V4L2導出給應用層使用的所有ioctl都是在這個地方實現的。但不必全部實現，只實現自己相關的ioctl即可。例如linux/drivers/media/video/soc_camera.c中soc_camera_ioctl_ops的實現：
static const struct v4l2_ioctl_ops soc_camera_ioctl_ops = {
.vidioc_querycap = soc_camera_querycap,
.vidioc_try_fmt_vid_cap = soc_camera_try_fmt_vid_cap,
.vidioc_g_fmt_vid_cap = soc_camera_g_fmt_vid_cap,
.vidioc_s_fmt_vid_cap = soc_camera_s_fmt_vid_cap,
.vidioc_enum_fmt_vid_cap = soc_camera_enum_fmt_vid_cap,
.vidioc_enum_input = soc_camera_enum_input,
.vidioc_g_input = soc_camera_g_input,
.vidioc_s_input = soc_camera_s_input,
.vidioc_s_std = soc_camera_s_std,
.vidioc_g_std = soc_camera_g_std,
.vidioc_enum_framesizes = soc_camera_enum_fsizes,
.vidioc_reqbufs = soc_camera_reqbufs,
.vidioc_querybuf = soc_camera_querybuf,
.vidioc_qbuf = soc_camera_qbuf,
.vidioc_dqbuf = soc_camera_dqbuf,
.vidioc_create_bufs = soc_camera_create_bufs,
.vidioc_prepare_buf = soc_camera_prepare_buf,
.vidioc_streamon = soc_camera_streamon,
.vidioc_streamoff = soc_camera_streamoff,
.vidioc_cropcap = soc_camera_cropcap,
.vidioc_g_crop = soc_camera_g_crop,
.vidioc_s_crop = soc_camera_s_crop,
.vidioc_g_parm = soc_camera_g_parm,
.vidioc_s_parm = soc_camera_s_parm,
.vidioc_g_chip_ident = soc_camera_g_chip_ident,
#ifdef CONFIG_VIDEO_ADV_DEBUG
.vidioc_g_register = soc_camera_g_register,
.vidioc_s_register = soc_camera_s_register,
#endif
};
- v4l2_subdev_ops：v4l2_subdev有可能需要實現的ops的總合。分爲8類，core,audio,video,vbi,tuner......等。例如，
linuxdriversmediavideosoc_camera_platform.c中platform_subdev_ops的實現
static struct v4l2_subdev_video_ops platform_subdev_video_ops = {
.s_stream = soc_camera_platform_s_stream,
.enum_mbus_fmt = soc_camera_platform_enum_fmt,
.cropcap = soc_camera_platform_cropcap,
.g_crop = soc_camera_platform_g_crop,
.try_mbus_fmt = soc_camera_platform_fill_fmt,
.g_mbus_fmt = soc_camera_platform_fill_fmt,
.s_mbus_fmt = soc_camera_platform_fill_fmt,
.g_mbus_config = soc_camera_platform_g_mbus_config,
};
static struct v4l2_subdev_ops platform_subdev_ops = {
.core = &platform_subdev_core_ops,
.video = &platform_subdev_video_ops,
};
函數綁定只是將驅動所實現的函數賦值給相關的變量即可。