一文带你了解V4L2

本文转自https://linus.blog.csdn.net/article/details/103501939

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1.1、什么是v4l2

1.2、从应用层看V4L2

1.3、从驱动层看V4L2

3.1 关系绑定

3.2 函数绑定

1.1、什么是v4l2

V4L2（video for linux two的缩写）是Linux下关于视频采集相关设备的驱动框架，为驱动和应用程序提供了一套统一的接口规范。V4L2支持的设备十分广泛，但是其中只有很少一部分在本质上是真正的视频设备：

Video capture device ： 从摄像头等设备上获取视频数据。对很多人来讲，video capture是V4L2的基本应用。设备名称为/dev/video,主设备号81，子设备号0~63。

Video output device ： 将视频数据编码为模拟信号输出。与video capture设备名相同。

Video overlay device ： 将同步锁相视频数据（如TV）转换为VGA信号，或者将抓取的视频数据直接存放到视频卡的显存中。

Video output overlay device ：也被称为OSD(On-Screen Display)

VBI device ： 提供对VBI（Vertical Blanking Interval）数据的控制，发送VBI数据或抓取VBI数据。设备名/dev/vbi0~vbi31,主设备号81,子设备号224~255

Radio device ： FM/AM发送和接收设备。设备名/dev/radio0~radio63,主设备号81，子设备号64~127

V4L2在Linux系统中的结构图如下：

 

1.2、从应用层看V4L2

从V4L2简单框图可以看出,V4L2是一个字符设备，而V4L2的大部分功能都是通过设备文件的ioctl导出的。

可以将这些ioctl分类如下：

1. Query Capability:查询设备支持的功能，只有VIDIOC_QUERY_CAP一个。
2. 优先级相关：包括VIDIOC_G_PRIORITY,VIDIOC_S_PRIORITY,设置优先级。
3. capture相关：视频捕获相关Ioctl。

capture ioctl list ID 描述

VIDIOC_ENUM_FMT    枚举设备所支持的所有数据格式
VIDIOC_S_FMT    设置数据格式
VIDIOC_G_FMT    获取数据格式
VIDIOC_TRY_FMT    与VIDIOC_S_FMT一样，但不会改变设备的状态
VIDIOC_REQBUFS    向设备请求视频缓冲区，即初始化视频缓冲区
VIDIOC_QUERYBUF    查询缓冲区的状态
VIDIOC_QBUF    从设备获取一帧视频数据
VIDIOC_DQBUF    将视频缓冲区归回给设备，
VIDIOC_OVERLAY    开始或者停止overlay
VIDIOC_G_FBUF    获取video overlay设备或OSD设备的framebuffer参数
VIDIOC_S_FBUF    设置framebuffer参数
VIDIOC_STREAMON    开始流I/O操作，capture or output device
VIDIOC_STREAMOFF    关闭流I/O操作

4. 视频标准：

ID	描述
VIDIOC_ENUMSTD	枚举设备支持的所有标准
VIDIOC_G_STD	获取当前正在使用的标准
VIDIOC_S_STD	设置视频标准
VIDIOC_QUERYSTD	有的设备支持自动侦测输入源的视频标准，此时使用此ioctl查询侦测到的视频标准

 

 

 

 

 

 

5. input/output：

input / Output

ID	描述
VIDIOC_ENUMINPUT	枚举所有input端口
VIDIOC_G_INPUT	获取当前正在使用的input端口
VIDIOC_S_INPUT	设置将要使用的input端口
VIDIOC_ENUMOUTPUT	枚举所有output端口
VIDIOC_G_OUTPUT	获取当前正在使用的output端口
VIDIOC_S_OUTPUT	设置将要使用的output端口
VIDIOC_ENUMAUDIO	枚举所有audio input端口
VIDIOC_G_AUDIO	获取当前正在使用的audio input端口
VIDIOC_S_AUDIO	设置将要使用的audio input端口
VIDIOC_ENUMAUDOUT	枚举所有audio output端口
VIDIOC_G_AUDOUT	获取当前正在使用的audio output端口
VIDIOC_S_AUDOUT	设置将要使用的audio output端口

 

 6. controls：设备特定的控制，例如设置对比度，亮度

controls

ID	描述
VIDIOC_QUERYCTRL	查询指定control的详细信息
VIDIOC_G_CTRL	获取指定control的值
VIDIOC_S_CTRL	设置指定control的值
VIDIOC_G_EXT_CTRLS	获取多个control的值
VIDIOC_S_EXT_CTRLS	设置多个control的值
VIDIOC_TRY_EXT_CTRLS	与VIDIOC_S_EXT_CTRLS相同，但是不改变设备状态
VIDIOC_QUERYMENU	查询menu

 7. 其他杂项：

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设备的基本操作流程如下：

1. 打开设备，例如 fd = open("/dev/video0", 0)
2. 查询设备能力. 例如:

   struct capability cap;
   ioctl(fd,VIDIOC_QUERYCAP,&cap)

    

3. 设置优先级(可选).

4. 配置设备。包括：

• 视频输入源的视频标准，VIDIOC_*_STD
• 视频数据的格式 , VIDIOC_*_FMT
• 视频输入端口, VIDIOC_*_INPUT
• 视频输出端口，VIDIOC_*_OUTPUT

5. 启动设备开始I/O操作。V4L2支持一下三种I/O方式：

• Read/Write：通过调用设备节点文件的Read/Write函数，与设备交互数据。打开设备后，默认使用的是此方法。
• Stream I/O：流操作，只传递数据缓冲区指针，不拷贝数据。使用此方法，需要调用VIDIOC_REQBUFS ioctl来通知设备。流操作I/O有两种方式memory map和user buffer。（具体区别后面章节介绍）
• overlay ： 也可以理解为memory to memory 传输。将数据从内存拷贝到显存中。overlay设备独有的。

对于Capture device可以以如下方式启动设备：

• 调用VIDIOC_REQBUFS ioctl来分配缓冲区队列；
• 调用VIDIOC_STREAMON ioctl通知设备开始stream IO
• 调用VIDIOC_QBUF ioctl从设备获取一帧视频数据；
• 使用完数据后，调用VIDIOC_DQBUF将缓冲区还给设备，以便设备填充下一帧数据。

6. 释放资源并关闭设备。

 

1.3、从驱动层看V4L2

在驱动层，V4L2为驱动编写者做了很多工作。只需要实现硬件相关的代码，并且注册相关设备即可。硬件相关代码的编写，除了编写具体硬件的控制代码外，最主要的就是将代码与V4L2框架绑定。绑定主要分为以下两个部分：

• 关系绑定：也就是要将我们自己的结构体，与V4L2框架中相关连的结构体绑定在一起。
• iocontrol等函数绑定：将V4L2所定义的空的函数指针，与自己的函数绑定在一起。

3.1 关系绑定

提到关系绑定，就必须介绍下V4L2几个重要结构体。

• struct video_device：主要的任务就是负责向内核注册字符设备
• struct v4l2_device：一个硬件设备可能包含多个子设备，比如一个电视卡除了有capture设备，可能还有VBI设备或者FM tunner。而v4l2_device就是所有这些设备的根节点，负责管理所有的子设备。
• struct v4l2_subdev：子设备，负责实现具体的功能。

v4l2_device,v4l2_subdev可以看作所有设备和子设备的基类。我们在编写自己的驱动时，往往需要继承这些设备基类，添加一些自己的数据成员。例如第三章要讲到的soc_camera_host结构体，就是继承v4l2_device，并添加了互斥锁、子设备列表等成员变量。

转存失败重新上传取消转存失败重新上传取消正在上传…重新上传取消转存失败重新上传取消转存失败重新上传取消v4l2 framework 简略版

绑定的基本流程

根据需要”重载”v4l2_device或v4l2_subdev结构体，添加需要的结构体成员。例如 ：

linux/include/media/soc_camera.h文件中soc_camera_host重载了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结构体”重载”了v4l2_subdev：

  struct ml86v7667_priv {
      struct v4l2_subdev                sd;
      struct v4l2_ctrl_handler  hdl;
      v4l2_std_id                       std;
  };

v4l2_device与V4L2框架的绑定：通过调用v4l2_device_register函数实现。例如，上面提到的soc_camera_host的绑定：

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与v4l2_device的绑定：通过v4l2_device_register_subdev函数，将subdev注册到根节点上。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与v4l2_device的绑定：将v4l2_device的地址赋值给video_device的v4l2_dev即可。

此步不一定必要。只要有办法通过文件节点file(struct file)找到v4l2_device即可。

3.2 函数绑定

在v4l2 framework 简略版图中，绿色的方框都是需要我们绑定并实现的。

其中v4l2_file_operations和v4l2_ioctl_ops是必须实现的。而v4l2_subdev_ops下的八类ops中，v4l2_subdev_core_ops是必须实现的，其余需要根据设备类型选择实现的。比如video capture类设备需要实现v4l2_subdev_core_ops, v4l2_subdev_video_ops。

• v4l2_file_operations：实现文件类操作，比如open,close,read,write,mmap等。但是ioctl是不需要实现的，一般都是用video_ioctl2代替。例如linux/drivers/media/video/soc_camera.c文件中soc_camera_fops的实现：

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导出给应用层使用的所有ioctl都是在这个地方实现的。但不必全部实现，只实现自己相关的ioctl即可。例如linux/drivers/media/video/soc_camera.c中soc_camera_ioctl_ops的实现：

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有可能需要实现的ops的总合。分为8类，core,audio,video,vbi,tuner......等。例如linuxdriversmediavideosoc_camera_platform.c中platform_subdev_ops的实现

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,
};

函数绑定只是将驱动所实现的函数赋值给相关的变量即可。

 

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