V4L2开发要点

首先来看 Read/Write ，如果 VIDIOC_QUERYCAP 调用返回的 v4l2_capability 参数中， V4L2_CAP_READWRITE 被设置成真了的话，就说明支持 Read/Write I/O 。这是最简单最原始的方法，它需要进行数据 的拷贝 ( 而不是像memory map 那样只需要进行指针的交换 ) ，而且不会交换元数据 ( 比如说帧计数器和时间戳之类的可用于识别帧丢失和进行帧同步 ) ，虽然它是最原始的方法，但因为其简单，所以对于简单的应用 程序比如只需要 capture静态图像是很有用的 。

如果使用 Read/Write 方法支持的话，必须同时支持另外两个函数 select() 和 poll() ，这两个函数用来进行 I/0 的多路复用。

对于 streaming 它有两种方式， driver 对两种方式的支持要使用 VIDIOC_REQBUFS 来确定：

int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_requestbuffers *argp);

对于 memory mapped 方式， Memory mapped buffers 是通过 VIDIOC_REQBUFS 在 device memory 中申请的，而且必须在 map 进应用程序虚拟地址空间 之前就申请好。而对于 User pointers ， User buffers 是在应用程序自己开辟的，只是通过 VIDIOC_REQBUFS 将驱动转化到 user pointer 的 I/O 模式下。这两种方式都不会拷贝数据，而只是 buffer 指针的交互。

首先来看一下 v4l2_requestbuffers 这个数据结构：

__u32 count

// 要申请的 buffer 的数量，只有当 memory 被设置成 V4L2_MEMORY_MMAP 的时候才会设置这个参数

enum v4l2_buf_type type

enum v4l2_memory memory

// 要么是 V4L2_MEMORY_MMAP ，要么是 V4L2_MEMORY_USERPTR

对于 memory mapped 模式，要在 device memory 下申请 buffer ，应用程序必须初始化上面的 3 个参数，驱动最后返回的 buffer 的个数可能等于 count ，也可能少于或者多于 count ，少于可能是因为内存不足，多于则可能是驱动为更好地完成相应功能增加的 buffer 。如果 driver 不支持 memory mapped 调用这个 ioctl 就会返回 EINVAL。

因为 memory map 模式下分配的是实实在在的物理内存，不是虚拟内存，所以使用完以后一定要使用 munmap()释放。

应用程序可以重新调用 VIDICO_REQBUFS 来改变 buffer 的个数，但前提是必须先释放已经 mapped 的 buffer ，可以先 munmap ，然后设置参数 count 为 0 来释放所有的 buffer 。

对于 User pointer I/O ，应用程序只需设置上面的 type 和 memory 类型就可以了。

申请好 buffer 后在进行 memory mapped 之前，首先要使用 VIDIOC_QUERYBUF 来获得分配的 buffer 信息，以传给函数 mmap() 来进行 map ：

int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_buffer *argp);

VIDIOC_QUERYBUF 是 memory mapped 这种模式下使用的方法，在 User pointer 模式下不需要使用这个函数，在调用之前应用程序需要设定 v4l2_buffer 中的两个参数，一个是 buffer 类型，另外一个是 index number( 有效值从0 到申请的 buffer 数目减 1) ，调用这个 ioctl 会将相应 buffer 中的 flag ： V4L2_BUF_FLAG_MAPPED, V4L2_BUF_FLAG_QUEUED 和 V4L2_BUF_FLAG_DONE 设置为有效。下面我们来仔细看看 v4l2_buffer 这个数据结构：

__u32 index

// 应用程序来设定，仅仅用来申明是哪个 buffer

enum v4l2_buf_type type

__u32 bytesused

//buffer 中已经使用的 byte 数，如果是 input stream 由 driver 来设定，相反则由应用程序来设定

__u32 flags

// 定义了 buffer 的一些标志位，来表明这个 buffer 处在哪个队列，比如输入队列或者输出队列(V4L2_BUF_FLAG_QUEUED V4L2_BUF_FLAG_DONE) ，是否关键帧等等，具体可以参照 spec

enum v4l2_memory memory

//V4L2_MEOMORY_MMAP ／ V4L2_MEMORY_USERPTR ／ V4L2_MEMORY_OVERLAY

union m

__u32 offset

// 当 memory 类型是 V4L2_MEOMORY_MMAP 的时候，主要用来表明 buffer 在 device momory 中相对起始位置的偏移，主要用在 mmap() 参数中，对应用程序没有左右

unsigned long userptr

// 当 memory 类型是 V4L2_MEMORY_USERPTR 的时候，这是一个指向虚拟内存中 buffer 的指针，由应用程序来设定。

__u32 length

//buffer 的 size

在 driver 内部管理 着两个 buffer queues ，一个输入队列，一个输出队列。对于 capture device 来说，当输入队列中的 buffer 被塞满数据以后会自动变为输出队列，等待调用 VIDIOC_DQBUF 将数据进行处理以后重新调用VIDIOC_QBUF 将 buffer 重新放进输入队列；对于 output device 来说 buffer 被显示以后自动变为输出队列。

刚初始化的所有 map 过的 buffer 开始都处于 dequeced 的状态，由 driver 来管理对应用程序是不可访问的。对于 capture 应用程序来说，首先是通过 VIDIOC_QBUF 将所有 map 过的 buffer 加入队列，然后通过VIDIOC_STREAMON 开始 capture ，并进入 read loop ，在这里应用程序会等待直到有一个 buffer 被填满可以从队列中 dequeued ，当数据使用完后再 enqueue 进输入队列；对于 output 应用程序来说，首先应用程序会buffer 装满数据然后 enqueued ，当足够的 buffer 进入队列以后就调用 VIDIOC_STREAMON 将数据输出。

有两种方法来阻塞应用程序的执行，直到有 buffer 能被 dequeued ，默认的是当调用 VIDIOC_DQBUF 的时候会被阻塞，直到有数据在 outgoing queue ，但是如果打开设备文件 的时候使用了 O_NONBLOCK ，则当调用VIDIOC_DQBUF 而又没有数据可读的时候就会立即返回。另外一种方法是调用 select 和 poll 来对文件描述符进行监听是否有数据可读。

VIDIOC_STREAMON 和 VIDIOC_STREAMOFF 两个 ioctl 用来开始和停止 capturing 或者 output ，而且VIDIOC_STREAMOFF 会删除输入和输出队列中的所有 buffer 。

因此 drvier 如果要实现 memory mapping I/O 必须支持 VIDIOC_REQBUFS, VIDIOC_QUERYBUF, VIDIOC_QBUF, VIDIOC_DQBUF, VIDIOC_STREAMON 和 VIDIOC_STREAMOFF ioctl, the mmap(), munmap(), select() 和 poll() 函数。

 

User Pointers 是一种综合了 Read/Write 和 memory mappded 优势的 I/O 方法， buffer 是由应用程序自己申请的，可以是在虚拟内存或者共享内存中。在 capture 和 output 方面基本来说和 memory mapped 方式是相同的，在这里只提一下它申请内存的方式。

User pointer 方式下，申请的内存也 memory page size 为单位对齐，而且 buffersize 也有一定限制，例示代码中是这样计算 buffer size 的，暂时还不知道这样分配 buffer size 的依据是什么，先简单地这样用就好了：

page_size = getpagesize ();

buffer_size = (buffer_size + page_size - 1) & ~(page_size – 1);

buffers[n_buffers].start = memalign ( page_size,

buffer_size);

 

3 、 start_capturing

经过上面的一系列的数据协商已经 buffer 的分配以后就可以调用 VIDIOC_QBUF 将 buffer 全部加入输入队列中，并调用 VIDIOC_STREAM0N 开始捕获数据了：

int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_buffer *argp);

//VIDIOC_QBUF VIDIOC_DQBUF

int ioctl(int fd, int request, const int *argp);

//VIDIOC_STREAM0N VIDIOC_STREAMOFF （ int 参数是 buffer 类型）

 

4 、 mainloop

开始捕获数据以后就会进入一个主循环，可以使用 select 或者 poll 来监听文件描述符的状态，一旦有数据可读，就调用函数来读取数据。

 

5 、 read_frame

读取数据根据 I/O 方式的不同而不同：

Read/Write 方式直接从文件描述符中读一个帧大小的数据；

Memory mapped 方式下先从输出队列中 dequeued 一个 buffer ，然后对帧数据进行处理，处理完成以后再放入输入队列。

User pointer 方式下也是首先从输出队列中 dequeued 一个 buffer ，然后对这个 buffer 进行判断，看是否是应用程序开始申请的 buffer ，然后再对这个 buffer 进行处理，最后放入输入队列。

 

6 、 stop_capturing / uninit_device / close device

最后就是捕捉以及资源释放并关闭 device

下面给出一个示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h> /* low-level i/o */
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <malloc.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <linux/videodev2.h>
#define DEVICE "/dev/video"
static struct v4l2_requestbuffers req;
struct buffer
{
    void* start;
    unsigned int length;
};
static struct buffer *buffers;
static struct v4l2_buffer buf;

usb_camera.c

#include "head.h"
int main()
{
    int fd;
    fd=open_device();
    get_device_info(fd);
    get_frame_fmt(fd);
    get_current_frame_info(fd);
    try_format_support(fd);
    set_frame_format(fd);
    apply_memory_buf(fd);
    memory_mapping(fd);
    buffer_enqueue(fd);
    close(fd);
    return 0;
}
int open_device()
{
    int fd;
    if(-1==(fd=open(DEVICE,O_RDWR)))
        printf("info:Can't open video device\n");
    else
        printf("info:Open the device :%d\n",fd);
    return fd;
}
int get_device_info(int fd)
{
    struct v4l2_capability cap;
    if(-1==ioctl(fd,VIDIOC_QUERYCAP,&cap))
        printf("info:VIDIOC_QUERYCAP ERROR\n");
    else
        printf("info:Driver Name:%s....Card Name:%s....Bus info:%s....Driver Version:%u.%u.%u\n",
        cap.driver,cap.card,cap.bus_info,(cap.version>>16)&0XFF,(cap.version>>8)&0XFF,cap.version&0XFF);
    return 1;
}
int get_frame_fmt(int fd)
{
    struct v4l2_fmtdesc fmtdesc;
    fmtdesc.index=0;
    fmtdesc.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
    printf("info:Support format:");
    while(ioctl(fd,VIDIOC_ENUM_FMT,&fmtdesc)!=-1)
    {
        printf("\t%d.%s",fmtdesc.index+1,fmtdesc.description);
        fmtdesc.index++;
    }
    printf("\n");
    return 1;
}
int get_current_frame_info(int fd)
{
    struct v4l2_format fmt;
    fmt.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
    ioctl(fd,VIDIOC_G_FMT,&fmt);
    printf("info:Current data format information:\n\twidth:%d\n\theight:%d\n",fmt.fmt.pix.width,fmt.fmt.pix.height);
    struct v4l2_fmtdesc fmtdesc;
    fmtdesc.index=0;
    fmtdesc.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
    while(ioctl(fd,VIDIOC_ENUM_FMT,&fmtdesc)!=-1)
    {
        if(fmtdesc.pixelformat & fmt.fmt.pix.pixelformat)
        {
            printf("\tformat:%s\n",fmtdesc.description);
            break;
        }
        fmtdesc.index++;
    }
    return 1;
}
int try_format_support(int fd)
{
    struct v4l2_format fmt;
    fmt.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
    //fmt.fmt.pix.pixelformat=V4L2_PIX_FMT_RGB32;
    fmt.fmt.pix.pixelformat=V4L2_PIX_FMT_YUYV;
    if(ioctl(fd,VIDIOC_TRY_FMT,&fmt)==-1)
    if(errno==EINVAL)
    printf("info:not support format RGB32!\n");
    return 1;
}
int set_frame_format(int fd)
{
    struct v4l2_format fmt;
    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;
    fmt.fmt.pix.field = V4L2_FIELD_INTERLACED;
    if(ioctl(fd,VIDIOC_S_FMT,&fmt)==-1)
    if(errno==EINVAL)
    printf("info:set frame format error!\n");
    return 1;
}
int apply_memory_buf(int fd)
{
    //struct v4l2_requestbuffers req;
    req.count=4;
    req.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
    req.memory=V4L2_MEMORY_MMAP;
    if(-1==ioctl(fd,VIDIOC_REQBUFS,&req))
        printf("info:VIDIOC_REQBUFS FAILED\n");
    else
        printf("info:VIDIOC_REQBUFS SUCCESS\n");
    return 1;
}
int memory_mapping(int fd)
{
    unsigned int n_buffers;
    buffers = (struct buffer*)calloc(req.count,sizeof(struct buffer));
    if (!buffers) {
        fprintf (stderr, "Out of memory\n");
        exit (EXIT_FAILURE);
    }
    // 映射
    for (n_buffers = 0; n_buffers < req.count; ++n_buffers) {
        //struct v4l2_buffer buf;
        memset(&buf,0,sizeof(buf));
        buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
        buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
        buf.index = n_buffers;
        // 查询序号为n_buffers 的缓冲区，得到其起始物理地址和大小
        if (-1 == ioctl (fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf))
            exit(-1);
        buffers[n_buffers].length = buf.length;
        // 映射内存
        buffers[n_buffers].start =mmap (NULL,buf.length,PROT_READ | PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd, buf.m.offset);
        if (MAP_FAILED == buffers[n_buffers].start)
            exit(-1);
    }
    printf("info:memory mapping success\n");
    return 1;
}
int buffer_enqueue(int fd)
{
    unsigned int i;
    enum v4l2_buf_type type;
    // 将缓冲帧放入队列
    for (i = 0; i < 4; ++i)
    {
        struct v4l2_buffer buf;
        buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
        buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
        buf.index = i;
        if(-1==ioctl (fd, VIDIOC_QBUF, &buf))
            printf("buffer enqueue failed\n");
    }
    type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
    //open stream
    if(-1==ioctl (fd, VIDIOC_STREAMON, &type))
        printf("info:open stream failed\n");
    else
        printf("info:open stream success\n");
    return 1;