基于V4L2的視頻驅(qū)動(dòng)開發(fā)（2）
三、 V4L2 API及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
V4L2是V4L的升級(jí)版本，為linux下視頻設(shè)備程序提供了一套接口規(guī)范。包括一套數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和底層V4L2驅(qū)動(dòng)接口。
1、常用的結(jié)構(gòu)體在內(nèi)核目錄include/linux/videodev2.h中定義
struct v4l2_requestbuffers????????//申請(qǐng)幀緩沖，對(duì)應(yīng)命令VIDIOC_REQBUFS
????????struct v4l2_capability????????//視頻設(shè)備的功能，對(duì)應(yīng)命令VIDIOC_QUERYCAP
????????struct v4l2_input????????//視頻輸入信息，對(duì)應(yīng)命令VIDIOC_ENUMINPUT
????????struct v4l2_standard????????//視頻的制式，比如PAL，NTSC，對(duì)應(yīng)命令VIDIOC_ENUMSTD
????????struct v4l2_format????????//幀的格式，對(duì)應(yīng)命令VIDIOC_G_FMT、VIDIOC_S_FMT等
????????struct v4l2_buffer????????//驅(qū)動(dòng)中的一幀圖像緩存，對(duì)應(yīng)命令VIDIOC_QUERYBUF
????????struct v4l2_crop????????//視頻信號(hào)矩形邊框
????????v4l2_std_id????????//視頻制式
2、常用的IOCTL接口命令也在include/linux/videodev2.h中定義
VIDIOC_REQBUFS //分配內(nèi)存
????????VIDIOC_QUERYBUF ????????//把VIDIOC_REQBUFS中分配的數(shù)據(jù)緩存轉(zhuǎn)換成物理地址
????????VIDIOC_QUERYCAP????????//查詢驅(qū)動(dòng)功能
????????VIDIOC_ENUM_FMT????????//獲取當(dāng)前驅(qū)動(dòng)支持的視頻格式
????????VIDIOC_S_FMT????????//設(shè)置當(dāng)前驅(qū)動(dòng)的頻捕獲格式
????????VIDIOC_G_FMT????????//讀取當(dāng)前驅(qū)動(dòng)的頻捕獲格式
????????VIDIOC_TRY_FMT????????//驗(yàn)證當(dāng)前驅(qū)動(dòng)的顯示格式
????????VIDIOC_CROPCAP????????//查詢驅(qū)動(dòng)的修剪能力
????????VIDIOC_S_CROP????????//設(shè)置視頻信號(hào)的矩形邊框
????????VIDIOC_G_CROP????????//讀取視頻信號(hào)的矩形邊框
????????VIDIOC_QBUF????????//把數(shù)據(jù)從緩存中讀取出來(lái)
????????VIDIOC_DQBUF????????//把數(shù)據(jù)放回緩存隊(duì)列
????????VIDIOC_STREAMON????????//開始視頻顯示函數(shù)
????????VIDIOC_STREAMOFF????????//結(jié)束視頻顯示函數(shù)
????????VIDIOC_QUERYSTD ????????//檢查當(dāng)前視頻設(shè)備支持的標(biāo)準(zhǔn)，例如PAL或NTSC。
3、操作流程
V4L2提供了很多訪問接口，你可以根據(jù)具體需要選擇操作方法。需要注意的是，很少有驅(qū)動(dòng)完全實(shí)現(xiàn)了所有的接口功能。所以在使用時(shí)需要參考驅(qū)動(dòng)源碼，或仔細(xì)閱讀驅(qū)動(dòng)提供者的使用說(shuō)明。
下面列舉出一種操作的流程，供參考。
（1）打開設(shè)備文件
??????????????????int fd = open(Devicename,mode);
??????????????????Devicename：/dev/video0、/dev/video1 ……
??????????????????Mode：O_RDWR [| O_NONBLOCK]
如果使用非阻塞模式調(diào)用視頻設(shè)備，則當(dāng)沒有可用的視頻數(shù)據(jù)時(shí)，不會(huì)阻塞，而立刻返回。
（2）取得設(shè)備的capability
??????????struct v4l2_capability capability；
??????????????????int ret = ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &capability);
看看設(shè)備具有什么功能，比如是否具有視頻輸入特性。
（3）選擇視頻輸入
??????????struct v4l2_input input；
??????????????????……初始化input
??????????????????int ret = ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &input);
一個(gè)視頻設(shè)備可以有多個(gè)視頻輸入。如果只有一路輸入，這個(gè)功能可以沒有。
（4）檢測(cè)視頻支持的制式
??????????v4l2_std_id std;
??????????????????do {
????????????????????????????????ret = ioctl(fd, VIDIOC_QUERYSTD, &std);
?? ????????????????} while (ret == -1 && errno == EAGAIN);
????????????????switch (std) {
????????????????case V4L2_STD_NTSC:
????????????????????????????????//……
????????????????case V4L2_STD_PAL:
????????????????????????????????//……
????????????????}
（5）設(shè)置視頻捕獲格式
??????????struct v4l2_format fmt;
??????????????????fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT;
??????????????????fmt.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_UYVY;
??????????????????fmt.fmt.pix.height = height;
??????????????????fmt.fmt.pix.width = width;
??????????????????fmt.fmt.pix.field = V4L2_FIELD_INTERLACED;
??????????????????ret = ioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt);
??????????????????if(ret) {
??????????????????????????perror("VIDIOC_S_FMTn");
??????????????????????????close(fd);
??????????????????????????return -1;
??????????????????}
（6）向驅(qū)動(dòng)申請(qǐng)幀緩存
??????????struct v4l2_requestbuffers req;
???????????????????if (ioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &req) == -1) {
??????????????????????????return -1;
???????????????????}
v4l2_requestbuffers結(jié)構(gòu)中定義了緩存的數(shù)量，驅(qū)動(dòng)會(huì)據(jù)此申請(qǐng)對(duì)應(yīng)數(shù)量的視頻緩存。多個(gè)緩存可以用于建立FIFO，來(lái)提高視頻采集的效率。
（7）獲取每個(gè)緩存的信息，并mmap到用戶空間
??????????typedef struct VideoBuffer {
??????????????????????????void *start;
??????????????????????????size_t length;
??????????????????} VideoBuffer;
??????????VideoBuffer* buffers = calloc( req.count, sizeof(*buffers) );
??????????????????struct v4l2_buffer buf;
??????????for (numBufs = 0; numBufs < req.count; numBufs++) {//映射所有的緩存
??????????????????????????memset( &buf, 0, sizeof(buf) );
??????????????????????????buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
??????????????????????????buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
??????????????????????????buf.index = numBufs;
??????????????????????????if (ioctl(fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf) == -1) {//獲取到對(duì)應(yīng)index的緩存信息，此處主要利用length信息及offset信息來(lái)完成后面的mmap操作。
??????????????????????????????????return -1;
??????????????????????????}
??????????????????buffers[numBufs].length = buf.length;
??????????????????????????// 轉(zhuǎn)換成相對(duì)地址
??????????????????????????buffers[numBufs].start = mmap(NULL, buf.length,
??????????????????????????????????PROT_READ | PROT_WRITE,
??????????????????????????????????MAP_SHARED,
??????????????????????????????????fd, buf.m.offset);
??????????????????if (buffers[numBufs].start == MAP_FAILED) {
??????????????????????????????????return -1;
??????????????????????????}
（8）開始采集視頻
??????????int buf_type= V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE；
??????????????????int ret = ioctl(fd, VIDIOC_STREAMON, &buf_type);
（9）取出FIFO緩存中已經(jīng)采樣的幀緩存
??????????struct v4l2_buffer buf;
??????????????????memset(&buf,0,sizeof(buf));
??????????????????buf.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
??????????????????buf.memory=V4L2_MEMORY_MMAP;
??????????????????buf.index=0;//此值由下面的ioctl返回
??????????????????if (ioctl(fd, VIDIOC_DQBUF, &buf) == -1)
??????????????????{
??????????????????????????return -1;
??????????????????}
根據(jù)返回的buf.index找到對(duì)應(yīng)的mmap映射好的緩存，取出視頻數(shù)據(jù)。
（10）將剛剛處理完的緩沖重新入隊(duì)列尾，這樣可以循環(huán)采集
??????????if (ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf) == -1) {
??????????????????????????return -1;
??????????????????}
（11）停止視頻的采集
??????????int ret = ioctl(fd, VIDIOC_STREAMOFF, &buf_type);
（12）關(guān)閉視頻設(shè)備
??????????close(fd);
四、 V4L2驅(qū)動(dòng)框架
上述流程的各個(gè)操作都需要有底層V4L2驅(qū)動(dòng)的支持。內(nèi)核中有一些非常完善的例子。
比如：linux-2.6.26內(nèi)核目錄/drivers/media/video//zc301/zc301_core.c 中的ZC301視頻驅(qū)動(dòng)代碼。上面的V4L2操作流程涉及的功能在其中都有實(shí)現(xiàn)。
1、V4L2驅(qū)動(dòng)注冊(cè)、注銷函數(shù)
Video核心層（drivers/media/video/videodev.c）提供了注冊(cè)函數(shù)
??????????????int video_register_device(struct video_device *vfd, int type, int nr)
????????????????????video_device: 要構(gòu)建的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
????????????????????Type: 表示設(shè)備類型，此設(shè)備號(hào)的基地址受此變量的影響
????????????????????Nr: 如果end-base>nr>0 ：次設(shè)備號(hào)=base（基準(zhǔn)值，受type影響）+nr；
????????????????????否則：系統(tǒng)自動(dòng)分配合適的次設(shè)備號(hào)
具體驅(qū)動(dòng)只需要構(gòu)建video_device結(jié)構(gòu)，然后調(diào)用注冊(cè)函數(shù)既可。
如：zc301_core.c中的
????????????????????err = video_register_device(cam->v4ldev, VFL_TYPE_GRABBER,
??????????????????????????????video_nr[dev_nr]);
??????????Video核心層（drivers/media/video/videodev.c）提供了注銷函數(shù)
????????????????????void video_unregister_device(struct video_device *vfd)
2、struct video_device 的構(gòu)建
??????video_device結(jié)構(gòu)包含了視頻設(shè)備的屬性和操作方法。參見zc301_core.c
??????strcpy(cam->v4ldev->name, "ZC0301[P] PC Camera");
??????????????cam->v4ldev->owner = THIS_MODULE;
??????????????cam->v4ldev->type = VID_TYPE_CAPTURE | VID_TYPE_SCALES;
??????????????cam->v4ldev->fops = &zc0301_fops;
??????????????cam->v4ldev->minor = video_nr[dev_nr];
??????????????cam->v4ldev->release = video_device_release;
??????????????video_set_drvdata(cam->v4ldev, cam);
大家發(fā)現(xiàn)在這個(gè)zc301的驅(qū)動(dòng)中并沒有實(shí)現(xiàn)struct video_device中的很多操作函數(shù)，如：vidioc_querycap、vidioc_g_fmt_cap等。主要原因是struct file_operations zc0301_fops中的zc0301_ioctl實(shí)現(xiàn)了前面的所有ioctl操作。所以就不需要在struct video_device再實(shí)現(xiàn)struct video_device中的那些操作了。
另一種實(shí)現(xiàn)方法如下：
static struct video_device camif_dev =
????????{
????????????????.name = "s3c2440 camif",
????????????????.type = VID_TYPE_CAPTURE|VID_TYPE_SCALES|VID_TYPE_SUBCAPTURE,
????????????????.fops = &camif_fops,
????????????????.minor = -1,
????????????????.release = camif_dev_release,
????????????????.vidioc_querycap = vidioc_querycap,
????????????????.vidioc_enum_fmt_cap = vidioc_enum_fmt_cap,
????????????????.vidioc_g_fmt_cap = vidioc_g_fmt_cap,
????????????????.vidioc_s_fmt_cap = vidioc_s_fmt_cap,
????????????????.vidioc_queryctrl = vidioc_queryctrl,
????????????????.vidioc_g_ctrl = vidioc_g_ctrl,
????????????????.vidioc_s_ctrl = vidioc_s_ctrl,
????????};
????????static struct file_operations camif_fops =
????????{
????????????????.owner = THIS_MODULE,
????????????????.open = camif_open,
????????????????.release = camif_release,
????????????????.read = camif_read,
????????????????.poll = camif_poll,
????????????????.ioctl = video_ioctl2, /* V4L2 ioctl handler */
????????????????.mmap = camif_mmap,
????????????????.llseek = no_llseek,
????????};
注意：video_ioctl2是videodev.c中是實(shí)現(xiàn)的。video_ioctl2中會(huì)根據(jù)ioctl不同的cmd來(lái)調(diào)用video_device中的操作方法。
3、Video核心層的實(shí)現(xiàn)
參見內(nèi)核/drivers/media/videodev.c
（1）注冊(cè)256個(gè)視頻設(shè)備
static int __init videodev_init(void)
????????{
????????????????int ret;
????????????????if (register_chrdev(VIDEO_MAJOR, VIDEO_NAME, &video_fops)) {
????????????????????????return -EIO;
????????????????}
????????????????ret = class_register(&video_class);
????????????????……
????????}
上面的代碼注冊(cè)了256個(gè)視頻設(shè)備，并注冊(cè)了video_class類。video_fops為這256個(gè)設(shè)備共同的操作方法。
（2）V4L2驅(qū)動(dòng)注冊(cè)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)
int video_register_device(struct video_device *vfd, int type, int nr)
????????{
????????????????int i=0;
????????????????int base;
????????????????int end;
????????????????int ret;
????????????????char *name_base;
????????switch(type) //根據(jù)不同的type確定設(shè)備名稱、次設(shè)備號(hào)
????????????????{
????????????????????????case VFL_TYPE_GRABBER:
????????????????????????????????base=MINOR_VFL_TYPE_GRABBER_MIN;
????????????????????????????????end=MINOR_VFL_TYPE_GRABBER_MAX+1;
????????????????????????????????name_base = "video";
????????????????????????????????break;
????????????????????????case VFL_TYPE_VTX:
????????????????????????????????base=MINOR_VFL_TYPE_VTX_MIN;
????????????????????????????????end=MINOR_VFL_TYPE_VTX_MAX+1;
????????????????????????????????name_base = "vtx";
????????????????????????????????break;
????????????????????????case VFL_TYPE_VBI:
????????????????????????????????base=MINOR_VFL_TYPE_VBI_MIN;
????????????????????????????????end=MINOR_VFL_TYPE_VBI_MAX+1;
????????????????????????????????name_base = "vbi";
????????????????????????????????break;
????????????????????????case VFL_TYPE_RADIO:
????????????????????????????????base=MINOR_VFL_TYPE_RADIO_MIN;
????????????????????????????????end=MINOR_VFL_TYPE_RADIO_MAX+1;
????????????????????????????????name_base = "radio";
????????????????????????????????break;
????????????????????????default:
????????????????????????????????printk(KERN_ERR "%s called with unknown type: %dn",
????????????????????????????????????????__func__, type);
????????????????????????????????return -1;
????????????????}
????????/* 計(jì)算出次設(shè)備號(hào) */
????????????????mutex_lock(&videodev_lock);
????????????????if (nr >= 0 && nr < end-base) {
????????????????????????/* use the one the driver asked for */
????????????????????????i = base+nr;
????????????????????????if (NULL != video_device[i]) {
????????????????????????????????mutex_unlock(&videodev_lock);
????????????????????????????????return -ENFILE;
????????????????????????}
????????????????} else {
????????????????????????/* use first free */
????????????????????????for(i=base;i
????????????????????????????????????????break;
????????????????????????if (i == end) {
????????????????????????????????mutex_unlock(&videodev_lock);
????????????????????????????????return -ENFILE;
????????????????????????}
????????????????}
????????????????video_device[i]=vfd; //保存video_device結(jié)構(gòu)指針到系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)數(shù)組中，最終的次設(shè)備號(hào)和i相關(guān)。
????????????????vfd->minor=i;
????????????????mutex_unlock(&videodev_lock);
????????????????mutex_init(&vfd->lock);
????????/* sysfs class */
????????????????memset(&vfd->class_dev, 0x00, sizeof(vfd->class_dev));
????????????????if (vfd->dev)
????????????????????????vfd->class_dev.parent = vfd->dev;
????????????????vfd->class_dev.class = &video_class;
????????????????vfd->class_dev.devt = MKDEV(VIDEO_MAJOR, vfd->minor);
????????????????sprintf(vfd->class_dev.bus_id, "%s%d", name_base, i - base);//最后在/dev目錄下的名稱
????????????????ret = device_register(&vfd->class_dev);//結(jié)合udev或mdev可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)在/dev下創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)
????????????????……
????????}
從上面的注冊(cè)函數(shù)中可以看出V4L2驅(qū)動(dòng)的注冊(cè)事實(shí)上只是完成了設(shè)備節(jié)點(diǎn)的創(chuàng)建，如：/dev/video0。和video_device結(jié)構(gòu)指針的保存。
（3）視頻驅(qū)動(dòng)的打開過程
當(dāng)用戶空間調(diào)用open打開對(duì)應(yīng)的視頻文件時(shí)，如：
int fd = open(/dev/video0, O_RDWR);
對(duì)應(yīng)/dev/video0的文件操作結(jié)構(gòu)是/drivers/media/videodev.c中定義的video_fops。
static const struct file_operations video_fops=
????????{
????????????????.owner = THIS_MODULE,
????????????????.llseek = no_llseek,
????????????????.open = video_open,
????????};
奇怪吧，這里只實(shí)現(xiàn)了open操作。那么后面的其它操作呢？還是先看看video_open吧。
static int video_open(struct inode *inode, struct file *file)
????????{
????????????????unsigned int minor = iminor(inode);
????????????????int err = 0;
????????????????struct video_device *vfl;
????????????????const struct file_operations *old_fops;
????????if(minor>=VIDEO_NUM_DEVICES)
????????????????????????return -ENODEV;
????????????????mutex_lock(&videodev_lock);
????????????????vfl=video_device[minor];
????????????????if(vfl==NULL) {
????????????????????????mutex_unlock(&videodev_lock);
????????????????????????request_module("char-major-%d-%d", VIDEO_MAJOR, minor);
????????????????????????mutex_lock(&videodev_lock);
????????????????????????vfl=video_device[minor]; //根據(jù)次設(shè)備號(hào)取出video_device結(jié)構(gòu)
????????????????????????if (vfl==NULL) {
????????????????????????????????mutex_unlock(&videodev_lock);
????????????????????????????????return -ENODEV;
????????????????????????}
????????????????}
????????????????old_fops = file->f_op;
????????????????file->f_op = fops_get(vfl->fops);//替換此打開文件的file_operation結(jié)構(gòu)。后面的其它針對(duì)此文件的操作都由新的結(jié)構(gòu)來(lái)負(fù)責(zé)了。也就是由每個(gè)具體的video_device的fops負(fù)責(zé)。
????????????????if(file->f_op->open)
????????????????????????err = file->f_op->open(inode,file);
????????????????if (err) {
????????????????????????fops_put(file->f_op);
????????????????????????file->f_op = fops_get(old_fops);
????????????????}
????????????????……
????????}
以上是我對(duì)V4L2的一些理解，希望能對(duì)大家了解V4L2有一些幫助！
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