v4l2驱动框架分析-1
需要思考的问题：
(1) cimutils应用程序维护了哪些结构体，v4l2驱动框架维护了哪些结构体
(2)/dev/video0 这个节点怎么创建的
(3)应用层open 设备节点/dev/video0 的时候，内核中的调用关系和具体干的工作
(4)应用层ioctl 操作后，内核中的调用关系流程
(5) VIDIOC_QBUF / VIDIOC_STREAMON / VIDIOC_DQBUF 视频缓存队列是如何管理的？驱动中在哪里申请分配内存？怎么入列出列？
(6)I/O操作方式：V4L2_MEMORY_MMAP 和V4L2_MEMORY_USERPTR的区别
整个v4l2的框架分为三层：
在应用层，我们可以在 /dev 目录发现 video0 类似的设备节点，上层的摄像头程序打开设备节点进行数据捕获，显示视频画面。设备节点的名字很统一，video0 video1 video2...这些设备节点在是核心层注册。struct video_device video_register_device /dev/vedio0
核心层 v4l2-dev.c，承上启下，对于每一个硬件相关层注册进来的设备，设置一个统一的接口 v4l2_fops ，既然是统一的接口必然不是具体的视频设备的操作函数，应用层调用 v4l2_fops 中的函数最终将调用到硬件相关层的 video_device 的 fops 。
硬件相关层，与具体的视频硬件打交道，分配、设置、注册 video_device 结构体。struct video_device video_register_device /dev/vedio0
v4l2_fops为video4linux2设备提供了统一的应用层接口
drivers/media/v4l2-core/v4l2-dev.c
static const struct file_operations v4l2_fops
.owner = THIS_MODULE,
.read = v4l2_read,
.write = v4l2_write,
.open = v4l2_open,
.get_unmapped_area = v4l2_get_unmapped_area,
.mmap = v4l2_mmap,
.unlocked_ioctl = v4l2_ioctl,
#ifdef CONFIG_COMPAT
.compat_ioctl = v4l2_compat_ioctl32,
#endif
.release = v4l2_release,
.poll = v4l2_poll,
.llseek = no_llseek,
};
drivers/media/platform/soc_camera/soc_camera.c
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,
};
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。
camera设备驱动开发：
涉及到的基础知识点：
(1)字符设备驱动 (2)设备模型 (3)平台设备驱动 (4)v4l2框架 (5)i2c驱动框架
涉及到的术语：
camera ： 指的是整个camera，包括它本身的硬件连接方式及支持i2c控制的i2c设备
sensor : 指的是支持i2c控制的i2c设备，它属于camera的一部分，在内核实现里也能体现出来
camera host: 指的是与camera相连接的，一般内嵌在soc里面的控制器
涉及到的文件夹：
drivers/media/platform/soc_camera/ 主要存放camera host驱动，通用的camera驱动也存放在此
drivers/media/i2c/soc_camera/ 主要存放sensor驱动
（1）
Linux系统中视频输入设备主要包括以下四个部分：
(1)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；
(2)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；
(3)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。
(4)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。
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：
(1)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；
(2)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；
(3)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。
(4)Ioctl框架：由v4l2-ioctl.c文件实现，构建V4L2ioctl的框架。
图1
（2）
I/O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)：
(1)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；
(2)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)；
(3)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。
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。
图2
v4l2驱动代码在drivers\media\v4l2-core文件夹下:
videobuf-core和videobuf2-core；
v4l2-dev.c ---->video_device video_register_device /dev/vedio0
v4l2-device.c ---->v4l2_device soc_camera_host_register---> v4l2_device_register / v4l2_device_register_subdev
v4l2-subdev ----> v4l2_subdev v4l2_i2c_new_subdev
v4l2-ioctl是实现ioctl
video驱动代码在driver/media/目录下，下面分好多子目录，platform目录存放的是不同SoC的驱动代码，对应video_device，其他大多子目录如i2c、mmc、usb、tuners、radio等对应subdev的实现
drivers/media/platform/soc_camera/jz_camera_v13.c
drivers/media/i2c/soc_camera/gc2155.c
设备实例(v4l2_device)
|______子设备实例(v4l2_subdev)
|______视频设备节点(video_device)
|______文件访问控制(v4l2_fh)
|______视频缓冲的处理(videobuf/videobuf2)
struct vb2_buffer
{
struct v4l2_buffer
}
(3)
soc_camera_device 和 soc_camera_host
struct soc_camera_device {
struct list_head list; /* list of all registered devices */
struct soc_camera_desc *sdesc;
struct device *pdev; /* Platform device */
struct device *parent; /* Camera host device */
struct device *control; /* E.g., the i2c client */
s32 user_width;
s32 user_height;
u32 bytesperline; /* for padding, zero if unused */
u32 sizeimage;
enum v4l2_colorspace colorspace;
unsigned char iface; /* Host number */
unsigned char devnum; /* Device number per host */
struct soc_camera_sense *sense; /* See comment in struct definition */
struct video_device *vdev;
struct v4l2_ctrl_handler ctrl_handler;
const struct soc_camera_format_xlate *current_fmt;
struct soc_camera_format_xlate *user_formats;
int num_user_formats;
enum v4l2_field field; /* Preserve field over close() */
void *host_priv; /* Per-device host private data */
/* soc_camera.c private count. Only accessed with .host_lock held */
int use_count;
struct file *streamer; /* stream owner */
union {
struct videobuf_queue vb_vidq;
struct vb2_queue vb2_vidq;
};
};
struct soc_camera_host {
struct v4l2_device v4l2_dev;
struct list_head list;
struct mutex host_lock; /* Protect pipeline modifications */
unsigned char nr; /* Host number */
u32 capabilities;
void *priv;
const char *drv_name;
struct soc_camera_host_ops *ops;
};
应用层xioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf)
-------------------------------------------------------------------------------
drivers/media/v4l2-core/v4l2-ioctl.c
static int v4l_qbuf(const struct v4l2_ioctl_ops *ops,
struct file *file, void *fh, void *arg)
{
struct v4l2_buffer *p = arg;
int ret = check_fmt(file, p->type);
return ret ? ret : ops->vidioc_qbuf(file, fh, p);
}
drivers/media/platform/soc_camera/soc_camera.c
static const struct v4l2_ioctl_ops soc_camera_ioctl_ops = {
.vidioc_qbuf = soc_camera_qbuf,
}
static int soc_camera_qbuf(struct file *file, void *priv,
struct v4l2_buffer *p)
{
struct soc_camera_device *icd = file->private_data;
struct soc_camera_host *ici = to_soc_camera_host(icd->parent);
WARN_ON(priv != file->private_data);
if (icd->streamer != file)
return -EBUSY;
if (ici->ops->init_videobuf)
return videobuf_qbuf(&icd->vb_vidq, p); //vb1_buffer
else
return vb2_qbuf(&icd->vb2_vidq, p); //vb2_buffer
}
应用层open 节点/dev/vedio0时，调用内核接口
v4l2_fops为video4linux2设备提供了统一的应用层接口
drivers/media/v4l2-core/v4l2-dev.c
static const struct file_operations v4l2_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.read = v4l2_read,
.write = v4l2_write,
.open = v4l2_open,
.get_unmapped_area = v4l2_get_unmapped_area,
.mmap = v4l2_mmap,
.unlocked_ioctl = v4l2_ioctl,
#ifdef CONFIG_COMPAT
.compat_ioctl = v4l2_compat_ioctl32,
#endif
.release = v4l2_release,
.poll = v4l2_poll,
.llseek = no_llseek,
};
drivers/media/platform/soc_camera/soc_camera.c
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,
};
static int soc_camera_open(struct file *file)
{
ret = ici->ops->init_videobuf2(&icd->vb2_vidq, icd);
}
drivers/media/platform/soc_camera/jz_camera_v13.c
static int jz_camera_init_videobuf2(struct vb2_queue *q, struct soc_camera_device *icd)--->
vb2_queue_init(q)
{
INIT_LIST_HEAD(&q->queued_list);
}
int vb2_qbuf(struct vb2_queue *q, struct v4l2_buffer *b)
{
list_add_tail(&vb->queued_entry, &q->queued_list);
if (q->streaming)
__enqueue_in_driver(vb);
/* Fill buffer information for the userspace */
__fill_v4l2_buffer(vb, b);
}
list_add_tail(&vb->queued_entry, &q->queued_list);
struct vb2_queue *q
struct vb2_buffer *vb;
struct vb2_buffer {
struct list_head queued_entry;
}
struct vb2_queue {
struct list_head queued_list;
}
static void __enqueue_in_driver(struct vb2_buffer *vb)
{
struct vb2_queue *q = vb->vb2_queue;
unsigned int plane;
vb->state = VB2_BUF_STATE_ACTIVE;
atomic_inc(&q->queued_count);
/* sync buffers */
for (plane = 0; plane < vb->num_planes; ++plane)
call_memop(q, prepare, vb->planes[plane].mem_priv);
q->ops->buf_queue(vb);
}
drivers/media/platform/soc_camera/jz_camera_v13.c
static struct vb2_ops jz_videobuf2_ops = {
.buf_init = jz_buffer_init,
.queue_setup = jz_queue_setup,
.buf_prepare = jz_buffer_prepare,
.buf_queue = jz_buffer_queue,
.start_streaming = jz_start_streaming,
.stop_streaming = jz_stop_streaming,
.wait_prepare = soc_camera_unlock,
.wait_finish = soc_camera_lock,
};
应用层调用ioctl
ioctl(camera_v4l2->fd, VIDIOC_STREAMON, &type)
-----------------------------------------------------------------------------
(1)
drivers/media/v4l2-core/v4l2-ioctl.c
static int v4l_streamon(const struct v4l2_ioctl_ops *ops,
struct file *file, void *fh, void *arg)
{
return ops->vidioc_streamon(file, fh, *(unsigned int *)arg);
}
(2)
drivers/media/platform/soc_camera/soc_camera.c
static int soc_camera_streamon(struct file *file, void *priv,
enum v4l2_buf_type i)
{
if (ici->ops->init_videobuf)
ret = videobuf_streamon(&icd->vb_vidq);
else
ret = vb2_streamon(&icd->vb2_vidq, i);
if (!ret)
v4l2_subdev_call(sd, video, s_stream, 1); //
return ret;
}
struct v4l2_subdev {
const struct v4l2_subdev_ops *ops;
}
struct v4l2_subdev_ops {
const struct v4l2_subdev_video_ops *video;
};
(3)
drivers/media/i2c/soc_camera/gc2155.c
static struct v4l2_subdev_video_ops gc2155_subdev_video_ops = {
.s_stream = gc2155_s_stream, //开始视频采集
.g_mbus_fmt = gc2155_g_fmt,
.s_mbus_fmt = gc2155_s_fmt,
.try_mbus_fmt = gc2155_try_fmt,
.cropcap = gc2155_cropcap,
.g_crop = gc2155_g_crop,
.enum_mbus_fmt = gc2155_enum_fmt,
.g_mbus_config = gc2155_g_mbus_config,
#if 0
.enum_framesizes = gc2155_enum_framesizes,
.enum_frameintervals = gc2155_enum_frameintervals,
#endif
};
将帧缓冲区在视频输入队列排队，并启动视频采集
在驱动程序处理视频的过程中，定义了两个队列：视频采集输入队列(incoming queues)和视频采集输出队列(outgoing queues)，前者是等待驱动存放视频数据的队列，后者是驱动程序已经放入了视频数据的队列。
应用程序需要将上述帧缓冲区在视频采集输入队列排队(VIDIOC_QBUF)，然后可启动视频采集
循环往复，采集连续的视频数据
启动视频采集后，驱动程序开始采集一帧数据，把采集的数据放入视频采集输入队列的第一个帧缓冲区，一帧数据采集完成，也就是第一个帧缓冲区存满一帧数据后，驱动程序将该帧缓冲区移至视频采集输出队列，等待应用程序从输出队列取出。驱动程序接下来采集下一帧数据，放入第二个帧缓冲区，同样帧缓冲区存满下一帧数据后，被放入视频采集输出队列。
应用程序从视频采集输出队列中取出含有视频数据的帧缓冲区，处理帧缓冲区中的视频数据，如存储或压缩。
最后，应用程序将处理完数据的帧缓冲区重新放入视频采集输入队列,这样可以循环采集
soc_camera_host，soc_camera_device，v4l2_device，v4l2_subdev关系如下：
(1) 理论上soc系统内可以有多个soc_camera_host(控制器),物理上soc_camera_host就是系统的camera处理模块驱动
(2) 一个soc_camera_host(控制器)可以对应多个soc_camera_device(设备)，物理上soc_camera_device是一个camera接口，每个soc_camera_host对应一个v4l2_device
(3) 每个soc_camera_device，系统会为他们创建设备节点/dev/videoX。
(4) 每个soc_camera_device有多个v4l2_subdev，物理上v4l2_subdev可以是sensor，video AD芯片
v4l2_subdev可以通过i2c挂接到v4l2_device，也可以通过soc_camera_link提供的add_device来增加，这依赖于sensor和video AD芯片挂接到MCU camera接口的方式。