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V4L2框架分析学习二

2014年10月07日 驱动开发 ⁄ 共 12742字 ⁄ 字号 暂无评论 ⁄ 阅读 2,880 次

V4L2框架分析学习一  http://www.techbulo.com/1193.html

V4L2框架分析学习二   http://www.techbulo.com/1198.html

 

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,-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:

IOCTL

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。

step

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:

state

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, 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(&amp;fds);

                        FD_SET(fd,&amp;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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