Camera | 6.v4l2拓扑架构

一、 设备节点、模块、拓扑结构关系

拓扑结构是我们了解MIPI-CSI内部模块以及与摄像头连接关系的最直观最便捷的方法。

1. 如何表示拓扑结构?

  • file视角
    Camera | 6.v4l2拓扑架构_第1张图片

  • v4l2视角
    Camera | 6.v4l2拓扑架构_第2张图片

来自:
参考文档《RKISP_Driver_User_Manual_v1.3.pdf》

  • 模块之间相互独立,通过struct media_entity来进行抽象,通常会将struct media_entity嵌入到其他结构中,以支持media framework功能;
  • entity模块包含struct media_pad,pad可以认为是端口,与其他模块进行联系的媒介,针对特定模块来说它是确定的;
  • pad通过struct media_link来建立连接,指定source和sink,即可将通路建立起来;
  • 各个模块之间最终建立一条数据流,便是一条pipeline了,同一条pipeline中的模块,可以根据前一个模块查找到下一个模块,因此也可以很方便进行遍历,并做进一步的设置操作;

2. 设备节点-------少media的

在/sys/class/video4linux/下可以找到v4l2相关的设备节点:

rk3568_r:/ # ls sys/class/video4linux
ls sys/class/video4linux
v4l-subdev0  v4l-subdev2  video1  video3  video5  video7
v4l-subdev1  video0       video2  video4  video6  video8

rk3568_r:/ # cat sys/class/video4linux/video0/dev
cat sys/class/video4linux/video0/dev
81:0
rk3568_r:/ # cat sys/class/video4linux/video0/name
cat sys/class/video4linux/video0/name
rkisp_mainpath

udev文件系统会为我们在dev/目录下创建一个video0节点,即dev/video0

用户可以打开dev/video0节点,通过IOCTL命令和内核空间进行通信。

rk3568_r:/ # ls /dev/video* -l
ls /dev/video* -l
crw-rw---- 1 media camera 81,   0 2022-11-09 17:06 /dev/video0
crw-rw---- 1 media camera 81,   1 2022-11-09 17:06 /dev/video1
crw-rw---- 1 media camera 81,   2 2022-11-09 17:06 /dev/video2
crw-rw---- 1 media camera 81,   3 2022-11-09 17:06 /dev/video3
crw-rw---- 1 media camera 81,   4 2022-11-09 17:06 /dev/video4
crw-rw---- 1 media camera 81,   5 2022-11-09 17:06 /dev/video5
crw-rw---- 1 media camera 81,   6 2022-11-09 17:06 /dev/video6
crw-rw---- 1 media camera 81,   7 2022-11-09 17:06 /dev/video7
crw-rw---- 1 media camera 81,   8 2022-11-09 17:06 /dev/video8

rk3568_r:/ # ls /dev/v4l-sub* -l
ls /dev/v4l-sub* -l
crw-rw-rw- 1 media camera 81,   9 2022-11-09 17:06 /dev/v4l-subdev0
crw-rw-rw- 1 media camera 81,  10 2022-11-09 17:06 /dev/v4l-subdev1
crw-rw-rw- 1 media camera 81,  11 2022-11-09 17:06 /dev/v4l-subdev2

3. 拓扑结构图

命令media-ctl可以查看拓扑结构图

rk3568_r:/ # media-ctl -d /dev/media0 -p                  
media-ctl -d /dev/media0 -p                               
Opening media device /dev/media0                          
Enumerating entities                                      
Found 13 entities                                         
Enumerating pads and links                                
Media controller API version 0.0.255                      
                                                          
Media device information                                  
------------------------                                  
driver          rkisp-vir0                                
model           rkisp0                                    
serial                                                    
bus info                                                  
hw revision     0x0                                       
driver version  0.0.255                                   
                                                          
Device topology                                           
- entity 1: rkisp-isp-subdev (4 pads, 7 links)            
            type V4L2 subdev subtype Unknown              
            device node name /dev/v4l-subdev0             
        pad0: Sink                                        
                [fmt:SBGGR10/4224x3136                    
                 crop.bounds:(0,0)/4096x3072              
                 crop:(0,0)/4096x3072]                    
                <- "rkisp-csi-subdev":1 []                
                <- "rkisp_rawrd0_m":0 []                  
                <- "rkisp_rawrd2_s":0 []                  
        pad1: Sink                                        
                <- "rkisp-input-params":0 []              
        pad2: Source                                      
                [fmt:YUYV2X8/4096x3072                    
                 crop.bounds:(0,0)/4096x3072              
                 crop:(0,0)/4096x3072]                    
                -> "rkisp_mainpath":0 []                  
                -> "rkisp_selfpath":0 []                  
        pad3: Source                                      
                -> "rkisp-statistics":0 []                
                                                          
- entity 6: rkisp-csi-subdev (6 pads, 5 links)            
            type V4L2 subdev subtype Unknown              
            device node name /dev/v4l-subdev1             
        pad0: Sink                                        
                <- "rockchip-csi2-dphy0":1 []             
        pad1: Source                                      
                -> "rkisp-isp-subdev":0 []                
        pad2: Source                                      
                -> "rkisp_rawwr0":0 []                    
        pad3: Source                                      
        pad4: Source                                      
                -> "rkisp_rawwr2":0 []                    
        pad5: Source                                      
                -> "rkisp_rawwr3":0 []                    
                                                          
- entity 13: rkisp_mainpath (1 pad, 1 link)               
             type Node subtype V4L                        
             device node name /dev/video0                 
        pad0: Sink                                        
                <- "rkisp-isp-subdev":2 []                
                                                          
- entity 19: rkisp_selfpath (1 pad, 1 link)               
             type Node subtype V4L                        
             device node name /dev/video1                 
        pad0: Sink                                        
                <- "rkisp-isp-subdev":2 []                
                                                          
- entity 25: rkisp_rawwr0 (1 pad, 1 link)                 
             type Node subtype V4L                        
             device node name /dev/video2                 
        pad0: Sink                                        
                <- "rkisp-csi-subdev":2 []                
                                                          
- entity 31: rkisp_rawwr2 (1 pad, 1 link)                 
             type Node subtype V4L                        
             device node name /dev/video3                 
        pad0: Sink                                        
                <- "rkisp-csi-subdev":4 []                
                                                          
- entity 37: rkisp_rawwr3 (1 pad, 1 link)                 
             type Node subtype V4L                        
             device node name /dev/video4                 
        pad0: Sink                                        
                <- "rkisp-csi-subdev":5 []                
                                                          
- entity 43: rkisp_rawrd0_m (1 pad, 1 link)               
             type Node subtype V4L                        
             device node name /dev/video5                 
        pad0: Source                                      
                -> "rkisp-isp-subdev":0 []                
                                                          
- entity 49: rkisp_rawrd2_s (1 pad, 1 link)               
             type Node subtype V4L                        
             device node name /dev/video6                 
        pad0: Source                                      
                -> "rkisp-isp-subdev":0 []                
                                                          
- entity 55: rkisp-statistics (1 pad, 1 link)             
             type Node subtype V4L                        
             device node name /dev/video7                 
        pad0: Sink                                        
                <- "rkisp-isp-subdev":3 []                
                                                          
- entity 61: rkisp-input-params (1 pad, 1 link)           
             type Node subtype V4L                        
             device node name /dev/video8                 
        pad0: Source                                      
                -> "rkisp-isp-subdev":1 []                
                                                          
- entity 67: rockchip-csi2-dphy0 (2 pads, 2 links)        
             type V4L2 subdev subtype Unknown             
             device node name /dev/v4l-subdev2            
        pad0: Sink                                        
                <- "m00_b_ov13850 4-0010":0 []            
        pad1: Source                                      
                -> "rkisp-csi-subdev":0 []                
                                                          
- entity 70: m00_b_ov13850 4-0010 (1 pad, 1 link)         
             type V4L2 subdev subtype Sensor              
             device node name /dev/v4l-subdev3            
        pad0: Source                                      
                [fmt:SBGGR10/4224x3136]                   
                -> "rockchip-csi2-dphy0":0 []                                                              

下面是根据显示内容绘制的拓扑图:

Camera | 6.v4l2拓扑架构_第3张图片

该图中各个entity对应的设备节点名称已经标注。
模块的上方的黄色pad默认是source pad,下方的黄色pad是sink pad

字符设备类型主要有两种(只考虑摄像头):

  • /dev/videox (x取值0~8) (所有设备共用主设备号81,次设备号区分)
  • /dev/v4l-subdevx (x取值0~3)

video设备主要用于图像操作,必须创建结构体struct video_device变量,
v4l-subdev设备主要对应sensor等具体从设备,必须创建struct v4l2_subdev变量,
内部的isp和csi、csi-dphy也都需要注册为subdev

这些entity由media_entity模块负责维护,将他们连接起来。

4. 模块功能

这些entity瑞芯微已经设定了他们各自的功能:

Camera | 6.v4l2拓扑架构_第4张图片
Camera | 6.v4l2拓扑架构_第5张图片

这些entity我们可以理解为一个个功能模块。

这些功能模块有的用于驱动csi、有的驱动isp、有的用于预览图像、有的用于统计视频信息、有的用于配置参数。

这些功能模块,并不是都一定每个camera控制器都有的,有一些是通用的,比如,mainpath、selfpath,有一些要完全看SoC设计,即使瑞芯微的SoC,不同型号,差别也不小。所以具体问题要具体分析,不可教条。

v4l2只定义了基本架构,定义好了回调函数接口,要实现模块具体功能只需要填充好对应的回调函数即可,应用层通过这些字符设备文件和对应的ioctrl命令,就可以实现相应的功能。

二、 如何描述拓扑?

1. struct rkisp_device

rk3568的camera控制器使用结构体struct rkisp_device管理所有的资源。

/*
 * struct rkisp_device - ISP platform device
 * @base_addr: base register address
 * @active_sensor: sensor in-use, set when streaming on
 * @isp_sdev: ISP sub-device
 * @cap_dev: image capture device
 * @stats_vdev: ISP statistics output device
 * @params_vdev: ISP input parameters device
 * @dmarx_dev: image input device
 * @csi_dev: mipi csi device
 * @br_dev: bridge of isp and ispp device
 */
struct rkisp_device {
    struct list_head list;
    void __iomem *base_addr;
    struct device *dev;
    char name[128];
    void *sw_base_addr;
    struct rkisp_hw_dev *hw_dev;     
    struct v4l2_device v4l2_dev;
    struct v4l2_ctrl_handler ctrl_handler;
    struct media_device media_dev;
    struct v4l2_async_notifier notifier;
    struct v4l2_subdev *subdevs[RKISP_SD_MAX];
    struct rkisp_sensor_info *active_sensor;
    struct rkisp_sensor_info sensors[RKISP_MAX_SENSOR];
    int num_sensors;
    struct rkisp_isp_subdev isp_sdev;
    struct rkisp_capture_device cap_dev;
    struct rkisp_isp_stats_vdev stats_vdev;
    struct rkisp_isp_params_vdev params_vdev;
    struct rkisp_dmarx_device dmarx_dev;
    struct rkisp_csi_device csi_dev;
    struct rkisp_bridge_device br_dev;
    struct rkisp_luma_vdev luma_vdev;
    struct proc_dir_entry *procfs;
    struct rkisp_pipeline pipe;
    enum rkisp_isp_ver isp_ver;
    struct rkisp_emd_data emd_data_fifo[RKISP_EMDDATA_FIFO_MAX];
    unsigned int emd_data_idx;
    unsigned int emd_vc;
    unsigned int emd_dt;
    int vs_irq;
    struct gpio_desc *vs_irq_gpio;
    struct rkisp_hdr hdr;
    unsigned int isp_state;
    unsigned int isp_err_cnt;
    unsigned int isp_isr_cnt;
    unsigned int isp_inp;
    struct mutex apilock; /* mutex to serialize the calls of stream */
    struct mutex iqlock; /* mutex to serialize the calls of iq */
    wait_queue_head_t sync_onoff;
    dma_addr_t resmem_addr;
    phys_addr_t resmem_pa;
    size_t resmem_size;
    int dev_id;
    unsigned int skip_frame;
    unsigned int irq_ends;
    unsigned int irq_ends_mask;
    bool send_fbcgain;
    struct rkisp_ispp_buf *cur_fbcgain;
    struct rkisp_buffer *cur_spbuf;
    bool is_thunderboot;

    struct kfifo rdbk_kfifo;
    spinlock_t rdbk_lock;
    int rdbk_cnt;
    int rdbk_cnt_x1;
    int rdbk_cnt_x2;
    int rdbk_cnt_x3;
    u32 rd_mode;
    u8 filt_state[RDBK_F_MAX];
};

其中与isp2.1拓扑结构相关的的几个结构体成员以及他们之间的关系:

成员 含义 拓扑图中的entity 设备名
void __iomem *base_addr 基地址 - -
struct rkisp_sensor_info *active_sensor; 正在使用的sensor - -
struct rkisp_isp_subdev isp_sdev; isp模块 rkisp-isp-subdev v4l-subdev0
struct rkisp_capture_device cap_dev; capture模块, 维护struct vb2_v4l2_buffer 对应拓扑图中的rkisp_mainpath、rkisp_selfpath、rkisp_rawwr0、rkisp_rawwr2、rkisp_rawwr3 video0~video4
struct rkisp_isp_stats_vdev stats_vdev; 数据统计模块 rkisp-statistics video7
struct rkisp_isp_params_vdev params_vdev; 参数配置模块 rkisp-input-params video8
struct rkisp_dmarx_device dmarx_dev; dma数据接收模块 rkisp_rawrd0_m、rkisp_rawrd2_s video5、video6
struct rkisp_csi_device csi_dev; csi的sub device从设备 rkisp-csi-subdev v4l-subdev1
struct rkisp_bridge_device br_dev; 桥接模块备,isp2.0中有 - -
enum rkisp_isp_ver isp_ver; isp版本号,rk3568是2.1 - -

2. 举例1:rkisp-csi-subdev注册到拓扑结构中

要添加到拓扑结构中,表示该模块的结构体中包含成员struct media_pad ,它和struct v4l2_subdev中的 struct media_entity entity;共同生成拓扑结构。

rkisp-csi-subdev设备结构体定义如下:

struct rkisp_csi_device {
	struct rkisp_device *ispdev;
	struct v4l2_subdev sd;
	struct media_pad pads[CSI_PAD_MAX];
	struct sink_info sink[CSI_PAD_MAX - 1];
	int max_pad;
	u32 err_cnt;
	u32 irq_cnt;
	u8 mipi_di[CSI_PAD_MAX - 1];
	u8 tx_first[HDR_DMA_MAX];
};

参考第二节的拓扑图中 entity6 :
Camera | 6.v4l2拓扑架构_第6张图片

由上图可知,该模块有6个pad,pad属性定义如下

#define MEDIA_PAD_FL_SINK			(1 << 0)
#define MEDIA_PAD_FL_SOURCE			(1 << 1)
#define MEDIA_PAD_FL_MUST_CONNECT		(1 << 2)

pad的名称定义如下:

enum rkisp_csi_pad {
	CSI_SINK = 0,
	CSI_SRC_CH0,
	CSI_SRC_CH1,
	CSI_SRC_CH2,
	CSI_SRC_CH3,
	CSI_SRC_CH4,
	CSI_PAD_MAX
};

isp的in pad

//isp的in pad
enum rkisp_isp_inp {
	INP_INVAL = 0,
	INP_RAWRD0 = BIT(0),
	INP_RAWRD1 = BIT(1),
	INP_RAWRD2 = BIT(2),
	INP_CSI = BIT(4),
	INP_DVP = BIT(5),
	INP_DMARX_ISP = BIT(6),
	INP_LVDS = BIT(7),
	INP_CIF = BIT(8),
};

根据该拓扑图,pads[0]sinkpads[1~5] 均为source

以下是驱动中pad初始化代码:


rkisp_register_csi_subdev()
{
	……
	v4l2_subdev_init(sd, &rkisp_csi_ops);
	sd->flags |= V4L2_SUBDEV_FL_HAS_DEVNODE;	 //是否需要子节点
	sd->entity.ops = &rkisp_csi_media_ops;
	sd->entity.function = MEDIA_ENT_F_V4L2_SUBDEV_UNKNOWN;
	snprintf(sd->name, sizeof(sd->name), CSI_DEV_NAME);//名字前缀,#define CSI_DEV_NAME DRIVER_NAME "-csi-subdev"

	csi_dev->pads[CSI_SINK].flags =
		MEDIA_PAD_FL_SINK | MEDIA_PAD_FL_MUST_CONNECT; //pad0属性
	csi_dev->pads[CSI_SRC_CH0].flags =
		MEDIA_PAD_FL_SOURCE | MEDIA_PAD_FL_MUST_CONNECT; //pad1属性

	csi_dev->max_pad = CSI_SRC_CH0 + 1;
	if (dev->isp_ver == ISP_V20 || dev->isp_ver == ISP_V21) {
		csi_dev->max_pad = CSI_PAD_MAX;
		csi_dev->pads[CSI_SRC_CH1].flags = MEDIA_PAD_FL_SOURCE;//pad2属性
		csi_dev->pads[CSI_SRC_CH2].flags = MEDIA_PAD_FL_SOURCE;//pad3属性
		csi_dev->pads[CSI_SRC_CH3].flags = MEDIA_PAD_FL_SOURCE;//pad4属性
		csi_dev->pads[CSI_SRC_CH4].flags = MEDIA_PAD_FL_SOURCE;//pad5属性
	}

	ret = media_entity_pads_init(&sd->entity, csi_dev->max_pad,
				     csi_dev->pads);
    ……
}

一些关键的宏汇总:

//各个模块对应的名字
【kernel\drivers\media\platform\rockchip\isp\dev.h】
#define DRIVER_NAME "rkisp"
#define ISP_VDEV_NAME DRIVER_NAME  "_ispdev"
#define SP_VDEV_NAME DRIVER_NAME   "_selfpath"
#define MP_VDEV_NAME DRIVER_NAME   "_mainpath"
#define DMA_VDEV_NAME DRIVER_NAME  "_dmapath"
#define RAW_VDEV_NAME DRIVER_NAME  "_rawpath"
#define DMATX0_VDEV_NAME DRIVER_NAME "_rawwr0"
#define DMATX1_VDEV_NAME DRIVER_NAME "_rawwr1"
#define DMATX2_VDEV_NAME DRIVER_NAME "_rawwr2"
#define DMATX3_VDEV_NAME DRIVER_NAME "_rawwr3"
#define DMARX0_VDEV_NAME DRIVER_NAME "_rawrd0_m"
#define DMARX1_VDEV_NAME DRIVER_NAME "_rawrd1_l"
#define DMARX2_VDEV_NAME DRIVER_NAME "_rawrd2_s"

#define GRP_ID_SENSOR			BIT(0)
#define GRP_ID_MIPIPHY			BIT(1)
#define GRP_ID_ISP				BIT(2)
#define GRP_ID_ISP_MP			BIT(3)
#define GRP_ID_ISP_SP			BIT(4)
#define GRP_ID_ISP_DMARX		BIT(5)
#define GRP_ID_ISP_BRIDGE		BIT(6)
#define GRP_ID_CSI				BIT(7)



//pad的属性
[kernel\include\uapi\linux\media.h]
#define MEDIA_PAD_FL_SINK				(1 << 0)
#define MEDIA_PAD_FL_SOURCE				(1 << 1)
#define MEDIA_PAD_FL_MUST_CONNECT		(1 << 2)

由代码可得,拓扑关系由csi_dev->pads描述。

最终调用函数media_entity_pads_init()注册。

rkisp_register_platform_subdevs()
	isp_subdev_notifier()
		v4l2_async_notifier_parse_fwnode_endpoints()
			__v4l2_async_notifier_parse_fwnode_endpoints()
			{
				for ( fwnode = fwnode_graph_get_next_endpoint())
				{
					dev_fwnode = fwnode_graph_get_port_parent(fwnode);
					is_available = fwnode_device_is_available(dev_fwnode);
					fwnode_handle_put(dev_fwnode);
						fwnode_graph_parse_endpoint(fwnode, &ep);
				}
				for ( fwnode = fwnode_graph_get_next_endpoint())
				{
					dev_fwnode = fwnode_graph_get_port_parent(fwnode);
					is_available = fwnode_device_is_available(dev_fwnode);
					fwnode_handle_put(dev_fwnode);
						fwnode_graph_parse_endpoint(fwnode, &ep);
					v4l2_async_notifier_fwnode_parse_endpoint();
				}	
				fwnode_handle_put(fwnode);			
			}

大家也可以试着去分析其他的模块。

三、设备树如何描述摄像头拓扑结构?

1. 设备树说明文档

瑞芯微MIPI-CSI设备树节点属性说明参考内核说明文档:

[kernel\Documentation\devicetree\bindings\media\]
video-interfaces.txt             关于sensor节点属性的说明,接口类型,
rockchip-isp1.txt                isp模块属性说明
rockchip-mipi-dphy.txt           dphy模块的说明
kernel\Documentation\devicetree\bindings\media\i2c\ovxxxxxx.txt  ov系列的摄像设备树说明

这些文档中有关于port、remote-endpoint等节点的详细说明,如果不是厂家,我们只需要搞懂摄像头拓扑结构即可。

2. ov13850

我们移植的摄像头为ov13850,他的连接关系如下:

  • 数据通道通过mipi接口连接到rk3568的mipi通道0
  • Camera控制器的csi2-dphy0模块负责从mipi通道中接收数据帧

外设摄像头拓扑关系由设备树来描述,内核会自动解析并帮我们自动注册。

千言万语,不如一图:
Camera | 6.v4l2拓扑架构_第7张图片

由上图可得:

  1. 摄像头ov13850设备树只有一个port子节点,所以pad为0,out表示该pad是source pad
  2. remote-endpoint属性表示该pad连接的上游模块的pad名字:mipi_in_ucam0,而模块csi2_dphy0中包含pad:mipi_in_ucam0,所以ov13850连接到该模块
  3. csi2_dphy0 port0节点的mipi_in_ucam0设备,通过remote-endpoint即可知道该pad所连接的是设备ov13850的pad
  4. 综上可得csi2_dphy0的pad0(sink pad)连接的ov13850的pad0(source pad)

文中各种mipi技术文档,后台回复关键字:mipi

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