[Linux 基础] -- V4L2框架-media device

本文对 V4L2 的运行时数据流设备管理做一个详细的介绍，包括什么叫 [运行时设备管理]，它是干什么用的，怎么使用等等。本文的目标是掌握 meida device 的编码使用方法以及功能运用。

一、media framework

1.1、简介

相关的控制 API 在 Documentation/DocBook/media/v4l/media-controller.xml，本文档聚焦于内核测的 media 框架实现。注意：直接查看是看不出啥的，在内核的根目录下 make htmldocs 或者其它的都行，易于查看。

1.2、运行时控制设备

也就是设备启动之后的数据流线路控制，就像一个工厂流水线一样，流水线上面的一个个节点（贴商标、喷丝印、打包）就形同与输入设备中的一个个子设备，运行时设备控制就是要达到能够控制节点的效果，比如贴商标的机器有好几台，应该选择哪一台进行此次流水线处理，要不要把喷丝印加上去，加哪一个机子等等。

1.3、作用

提供实时的 pipeline 管理，pipeline 就理解为管道，想象一下水管，里面的水就是数据流，输入设备中的 csi->isp->video 就组成一个 pipeline 线路。media framework 提供 pipeline 的开启、关停、效果控制、节点控制等功能。

1.4、如何使用

内核当中主要利用四个结构体把众多的节点组织起来：media_device，media_entity，media_link，media_pad。整个 media framework 都围绕这四个结构体来进行使用的，下文会对这些进行详细介绍。

1.5、抽象设备模型

media framework 其中一个目的是：在运行时状态下发现设备拓扑并对其进行配置。为了达到这个目的，media framework 将硬件设备抽象为一个个 entity，它们之间通过 links 连接。

1、entity：硬件设备模块抽象（类比电路板上面的各个元器件、芯片）

2、pad：硬件设备端口抽象（类比元器件、芯片上面的管脚）

3、link：硬件设备的连接抽象，link 的两端是 pad（类比元器件管脚之间的连线）

#------------#                #------------#
|          __|__            __|__          |
|         |  |  |   link   |  |  |         |
|         | pad |<-------->| pad |         |
|         |__|__|          |__|__|         |
|            |                |            |
|   entity   |                |   entity   |
#------------#                #------------# 

可以想象一下，如果各个 entity 之间需要建立连接的话，就需要在 pad 中存储 link 以及 entity 信息，link 中需要存储 pad 与 entity 信息，entity 里面需要存储 link 与 pad 信息，属于你中有我，我中有你的情况。

二、media 设备

一个 media 设备用一个 media_device 结构体来表示，通常情况下该结构体要嵌入到一个更大的设备自定义的结构体里面，并且大多数时候 media_device 与 v4l2_device 是处于并列的级别，还是 omap3isp 的代码为例：

struct isp_device {
    struct v4l2_device v4l2_dev;
    struct v4l2_async_notifier notifier;
    struct media_device media_dev;
    struct device *dev;
    u32 revision;
    ... ...
}

2.1、使用以下函数进行 media 设备的注册：

media_device_register(struct media_device *mdev);

函数的调用者需要在注册之前设置以下结构体成员（提前初始化该结构体是调用者的责任）：

• dev：必须指向一个父设备，通常是平台设备的 device 成员。
• model：模型名字。

以下的成员是可选的：

• serial：序列号，必须是唯一的
• bus_info：总线信息，如果是 PCI 设备的话就可以设置成 “PCI:”
• hw_revision：硬件版本。可以的话，应该用 KERNEL_VERSION 宏定义进行格式化
• driver_version：驱动版本。最终生成的设备节点的名称是 media[0-9]，节点号由该内核自动生成。

2.2、使用以下函数进行设备卸载

media_device_unregister(struct media_device *mdev);

需要注意的是，卸载一个并没有注册过的设备是 ***不安全的***。个人查看代码猜想不安全的原因主要有几个：

1. 如果没有被注册，那么 media_device 内部的 entity 成员就有可能没有被初始化，如果其值为一个不确定的值，那么就会引起非法访问；
2. 如果没有注册，内部的 devnode 成员就没有初始化，卸载时就会出现问题。

三、entities、pads、links

3.1、entities

entities 用一个 media_entity 结构体来表示，该结构体通常被嵌入到一个更大的结构体里面，比如 v4l2_subdev 或者 video_device 结构体（不必自行分配空间，结构体内部已经包含），当然也可以直接分配一个 entities。使用以下函数对 entity 进行初始化：

media_entity_init(struct media_entity *entity, u16 num_pads, struct media_pad *pads, u16 extra_links);

在执行初始化函数之前需要注意的参数有：

• num_pads：pad 的数量，与驱动子设备结构相关；
• pads：media_pad 结构体数组，通常 pad 被嵌入到驱动自定义的结构体里面，数组地址被传递给该参数，pad 需提前初始化；
• extra_links：该函数会根据 num_pads 分配 link 数目，该参数则指明除了预分配的数量之外还需要多少额外的 links；
• entity：media_entity 的 name、type、flags、revision 和 group_id 需要在初始化之前或者之后进行设置，如果结构提被嵌入到更高级的结构体里面，这些成员也可能被更高级的框架代码所设置，entity 的 id 在注册的时候被填充（如果提前设置了 id 成员，则注册的时候就保持预设的值）。entity 有相关的标志位 [ flags ] 来识别它的状态与功能， MEDIA_ENT_FL_DEFAULT 就表示这是一个默认的 entity。可以设置多个 entity 的组 ID 为同一个整数来标识它们是属于同一类别的，对于内核来说，组 ID 是没有用处的，但是组 ID 会在枚举 entity 的时候被传递到用户空间，可能在用户空间的某种情况下用得上。

3.2、pads

pad 使用一个 media_pad 结构体来表示，pads 数据被驱动程序管理（数组形式）。pads 使用 entity 与数组下标来进行唯一标识，entity  内部的 id 不会重复，但是不同 entity 之间的 pad id 可能会重复，所以 pad 的索引要 entity 与 id 联合确认。

由于 pads 的数量是提前获知的（你做的芯片，你肯定知道它有几个管脚），所以 media_pad 结构体不再动态分配，并且驱动应负责对该结构体数组进行管理（避免动态分配）。驱动必须在 media_entity_init 函数被调用之前对 pads 的方向属性进行设置，pads 有 flags 位来表示它的属性，在初始化的时候仅需要设置该成员即可，其余的交由 media_entity_init 函数来完成：

MEDIA_PAD_FL_SINK：    目的 pad
MEDIA_PAD_FL_SOURCE：  源 pad

3.3、links

links 用一个 media_link 结构体来表示，每一个 entity 的所有 pads 里面都存储了与之相关的所有 links，一个 link 会分别被源 pad 以及目的 pad 存储，以便实现正反两个方向的遍历。使用以下函数创建 links：

media_entity_create_link(struct media_entity *source, u16 source_pad, struct media_entity *sink, u16 sink_pad, u32 flags);

links 有一些 flags 位来标识其属性：

MEDIA_LNK__FLENABLED：link 被使能，可以用来传输数据，多个 link 连接到同一个 sink pad 时，只有一个 link 可能被使能。
MEDIA_LNK_FL_IMMUTABLE：link 的使能状态不能在运行时被改变，一般情况下这两个标志位同时被设置。
MEDIA_LNK_FL_DYNAMIC：link 的状态是动态可变的。

和 pad 不一样，links 的数量并不总是提前确认的（电路板上面有时候你也无法完全确认需要管脚连到多少个设备上面，极有可能出现临时变更的情况），所以 media_entity_init 函数根据传入的参数预分配一定数量的 media_link 结构体，如果不够用的话会在 media_entity_create_link 中动态分配（如果 link 数量大于等于 max_link 的话就会扩充 link 数量）。

四、注册与卸载

驱动需要使用以下函数对 entity 进行注册与卸载（不需要手动执行，在 v4l2_device_un/register_subdev 函数里面完成）：

media_device_register_entity(struct media_device *mdev, struct media_entity *entity);
media_device_unregister_entity(struct media_entity *entity);

内核里面使用一个唯一的正整数来表示每一个 entity（同一个 media_device 下唯一），驱动也可以通过填充 media_entity->id 成员来指定 entity 的 ID 值，但是必须保证唯一。如果 ID 由内核自动生成，则不能保证它们是连续的，事实上内核自动生成的 id 是由 entity 的 media_device->entity_id ++ 来实现赋值的，该值在 media_device_register 函数李曼被初始化为 1。

在卸载 entity 之后需要调用以下函数来释放申请到的相关资源，主要是释放动态分配的 media_link 结构体内存：

media_entity_cleanup(struct meida_entity *entity); //与 media_entity_init 结对使用

要想遍历 entities 可以在用户空间进行 MEDIA_IOC_ENUM_ENTITIES 系统调用，需要设置 media_entity_desc 的 id 为（0 | MEDIA_ENT_ID_FLAG_NEXT），循环的过程中只需要设置 id |= MEDIA_ENT_ID_FLAG_NEXT 即可完成 entity 的遍历过程，如果需要枚举指定的 entity，需要设置 id 为指定 entity 的 id 值（内核 entity 的 id 是从1开始），这个在 entity 注册函数里面可以看到。代码实例如下，我尽量精简了贴出来的代码，防止占用过大篇幅：

int enum_media_device_entities(int iFd)
{
    int iRet;
    struct media_entity_desc desc;
    
    desc.id = 0 | MEDIA_ENT_ID_FLAG_NEXT;
    while(1) {
        iRet = ioctl(iFd, MEDIA_IOC_ENUM_ENTITIES, &desc);
        if(iRet < 0) {
            MODULE_WRN("enum media entities end \r\n");
            break;
        }
        MODULE_DBG("entity name [%s]\r\n", desc.name);
        desc.id |= MEDIA_ENT_ID_FLAG_NEXT;
    }
    return 0;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int iErr = 0, ivFd;
    ivFd = open("/dev/media0", O_RDWR);
    iErr = enum_media_device_entities(ivFd);
    
    close(ivFd);
  open_err:
    return iErr;
}

五、图遍历（深度优先）

图遍历是干嘛的？它为我们提供在运行时访问每一个、指定的 entities 的方法，至于为什么需要访问，是因为我们可能会需要在运行时去管理它们。

可以使用下面的函数对同属于一个 media 设备的 entities 进行遍历（线性遍历，非典型图遍历，也即是跟链表一样的遍历方式）：

struct media_entity *entity;
media_device_for_ench_entity(entity, mdev) {
    /* entity will point to each entity in turn */
    ... ...
}

驱动可能需要从一个给定的 entity ，通过使能的 links 对所有的可访问到的 entities 进行遍历，media 框架提供了一个深度优先的 API 来完成这个任务。需要注意的是，要避免对闭环的图进行遍历，否则会陷入死循环，为了避免这种情况，函数限制了最大遍历深度为 MEDIA_ENTITY_ENUM_MAX_DEPTH，该宏最新的定义是 16** [截至 Linux-4.4.138] **。

media_entity_graph_walk_start(struct media_entity_graph *graph, struct media_entity *entity);
meida_entity_graph_walk_next(struct media_entity_graph *graph);

使用时先用第一个函数初始化图，然后循环调用第二个函数进行遍历，遍历全部完成之后第二个函数会返回 NULL。遍历过程可以在任意一个时刻中断，并且无需调用清理函数。

有相应的帮助函数来寻找两个给定的 pads 的 link，或者通过一个 pad 来找到与之相连的另一个 pad。

media_entity_find_link(struct media_pad *source, struct media_pad *sink);
media_entity_remote_pad(struct media_pad *pad);

六、补充 links 的设置

link 的属性可以在运行时被改变，调用以下函数即可完成：

media_entity_setup_link(struct media_link *link, u32 flags);

flags 参数用来设置指定的 link 的属性，允许被配置的属性是从 MEDIA_LINK_FL_ENABLED 属性到 MEDIA_LINK_FL_ENABLE 或者 MEDIA_LINK_FL_DISABLE 标志，如果 link 设置了 MEDIA_LINK_FL_IMMUTABLE 标志的话，就不能够使能或者关闭。当一个 link 使能或者关闭时，media framework 会分为两次调用 sink 以及 source 端的 link_setup 来进行相关的设置，如果第二次调用失败的话，第一个调用也会被复原。

media 设备驱动可以设置 media_device->link_notify 指向一个回调函数，此函数会在 link_setup 操作完成之后被调用。如果有任何的 link 是 non-immutable 的话，entity 驱动就需要自己实现 link_setup 操作。一个 link 的配置不应该影响到其他 link，如果一个 link 连接在 sink pad 上，并且该 link 被使能了，那么其他链接到该 pad 的 link 就不能再被使能，此时应该返回 -EBUSY。

6.1 pipeline 与 media 流

pipeline 的概念前面已经介绍过了，不再重复，这里给一副说明图（其实这个不是非常的清晰易懂，还有更加清晰易懂的由于某些原因不能放出，请读者发挥想象，根据图中以及上面的描述自行抽象出来一个图，只要仅仅围绕一点 -- pipeline 就是数据流链路的抽象，我相信你）：

当开启 streaming 时，驱动应当通知 pipeline 上所有的 entity 来维护当前状态不被改变，可以调用下面的函数完成通知（该函数只会调用 sink 端的 validate 回调）：

media_entity_pipeline_start(struct media_entity *entity, struct media_pipeline *pipe);

该函数将会标记所有的处在使能 link 连线上的 entity 为 streaming 状态，不管是直接还是间接。第二个参数指向的 media_pipeline 结构体会被传递给 pipeline 上面的所有 entity，驱动需要把 media_pipeline 结构体嵌入到一个更高级的结构体里面，并且可以从 media_entity 结构体访问到 pipeline。等到需要停止 streaming 时，需要调用：

media_entity_pipeline_stop(struct media_entity *entity);

由于 start 函数可以嵌套调用，所以与之对应，stop 函数也应该保持相应数量的调用。media_entity_pipeline_start 函数会进行 link 有效性的检验，此时 media_entity 的 link_validate 成员会被用来完成检验。下面一幅图是遍历的说明：

                                                                                                     pipeline 遍历

上图中的圆圈序号指的是访问的先后顺序。值得一提的是内核关于广度优先图遍历的实现很耐人寻味，很具有参考价值，值得自己去找到内核代码探究一番。其中用到了栈、位图等概念。具体的代码在 media-entity.c/media_entity_pipelien_start 函数里面。

由于上面的遍历是广度优先的，并且是全部遍历，也就是说如果你的 isp 有两个输入源，那这两个输入源可能会同时被打开，更多时候我们并不希望这种情况发生，我们期望的是指定的输入源、指定的单链路的 pipeline 被打开，此时就需要自行去管理 pipeline，可以实现一个自己的 pipeline 结构体进行相关的管理。实现方式就很简单，这个 pipeline 结构体类似下面：

struct spec_pipeline {
    struct list_head entities;    //pipeline 线上的 entity 链表头
    struct media_entity entities[PIPE_LENGTH];     //与上一个类似，随自己想法去实现
    int (*open_fun)(struct media_entity entity, int onoff);
    int (*s_stream)(struct media_entity entity, int onoff);
    ... ...
};

Tips:

1、从 media_entity 找到 v4l2_subdev 可以使用 media_entity_to_v4l2_subdev 函数来完成。

2、可以在 video 模块的 streamon 部分加入对 link 的使能标记，media_entity_pipeline_start 函数会对 entity.stream_count 成员进行增值操作，并且会将第二个参数中的 pipe 传递给 link 线上的 entity.pipe 成员。使能标记完成之后可以对各个 entity 进行图遍历来调用其 set_stream 成员开启 stream。事实上在 s_param，s_fmt 等 ioctl 调用时就需要进行图遍历以调用整个 pipeline 上面的各个 entity 的回调函数进行相关的设置。

3、在子设备节点都注册完毕之后可以通过 media_entity_create_link 来完成各个 entity 的连接，以待之后整个数据流的开启。

4、为什么要有 media framework？因为仅仅有 subdev 的话，各个子设备类是处于平级状态，并没有数据流的流向之分，如果需要建立数据流 pipeline 的话需要自行去实现，这样会比较麻烦，而有了 media framework 的话这些管理就会方便很多，因为它提供了 pipeline 的一切管理操作，这样就可以把众多的 subdev 串联称为一个完整的数据流，从而进行正确、有向的数据传递。

5、v4l2_subdev 与 video_device 内部都有一个 media_entity 结构体（非指针类型），video_devcie 内部的 entity 会随着 video 设备的注册而注册，名字沿用 video_device 的名字，这两个是有所区别的，使用的时候需要特比注意下。