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深入学习Linux摄像头系列

深入学习Linux摄像头（一）v4l2应用编程

深入学习Linux摄像头（二）v4l2驱动框架

深入学习Linux摄像头（三）虚拟摄像头驱动分析

深入学习Linux摄像头（四）三星平台fimc驱动详解

深入学习Linux摄像头（二）v4l2驱动框架

一、V4L2 框架

1.1 相关对象

v4l2驱动框架主要的对象有video_device、v4l2_device、v4l2_subdev、videobuf

• video_device

  一个字符设备，为用户空间提供设备节点(/dev/videox)，提供系统调用的相关操作(open、ioctl…)

• v4l2_device

  嵌入到video_device中，表示一个v4l2设备的实例

• v4l2_subdev

  依附在v4l2_device之下，并表示一个v4l2设备的子设备，一个v4l2_devide下可以有多个sub_device

• videobuf

  v4l2驱动的缓存管理

下面有必要对v4l2_device和v4l2_subdev来进行说明

subdev的设计目的是为了多路复用，就是用一个v4l2_device可以服务多个v4l2_subdev

下面以我们手机的摄像头来举例

• CMOS摄像头

  对于一款CMOS摄像头来说，有两个接口，一个是摄像头接口，一个是I2C接口

  摄像头接口负责传输图像数据，I2C接口负责传输控制信息，所以又可以将CMOS摄像头看作是一个I2C模块

  如下图所示

  

• 芯片片上资源

  在一款芯片上面，摄像头相关的有摄像头控制器、摄像头接口、I2C总线

  SOC上可以有多个摄像头控制器，多个摄像头接口，多个I2C总线

  摄像头控制器负责接收和处理摄像头数据，摄像头接口负责传输图像数据，I2C总线负责传输控制信息

  如下图所示

  

对于手机而言，一般都有两个摄像头，一个前置摄像头，一个后置摄像头，其接发下图所示

我们可以选择让控制器去操作哪一个摄像头，这就做到了使用一个摄像头控制器来控制多个摄像头，这就是多路复用

上面说要使用一个摄像头控制器去操作多个摄像头，这是我们的目的，那么在软件中是怎么实现的呢？

我们回到V4L2来，再来谈v4l2_device和v4l2_subdev

上面我们介绍到v4l2_device表示一个v4l2实例

在V4L2驱动中，使用v4l2_device来表示摄像头控制器

使用v4l2_subdev来表示具体的某一个摄像头的I2C控制模块，进而通过其控制摄像头

v4l2_device里有一个v4l2_subdev链表，可以选择v4l2_device去控制哪一个v4l2_subdev

相信到此，你对v4l2_device和v4l2_subdev就有所了解了

当然某些驱动是没有v4l2_subdev，只有video_device

经过上面的讲解，我们用一张图来总结

前面说video_device是一个字符设备，从图中可以看出，video_device内含一个cdev

v4l2_device是一个v4l2实例，嵌入到video_device中

v4l2_device维护者一个链表管理v4l2_subdev，v4l2_subdev表示摄像头的I2C控制模块

1.2 V4L2 框架

在理清楚V4L2中的主要对象后，我们来介绍V4L2的框架

在介绍V4L2驱动框架前，我们先回顾一下简单的字符设备的编写

• 分配一个字符设备(cdev)
• 设置一个fops
• 注册字符设备

复杂的字符设备

对于复杂的字符设备，内核都是采用分层的方法，一般分驱动核心层还有硬件相关层

核心层会帮你完成字符设备的分配，fops的设置，注册字符设备，并向硬件相关层提供一个相应的对象和注册接口

硬件相关层则需要分配相应的对象，设置对象和对象的fops，并注册到核心层中

当应用层发生系统调用，会先来到核心层，核心层再通过回调函数调用到硬件相关层的驱动

对于V4L2的驱动框架也是如此，可分为V4L2驱动核心层和硬件相关层

下面先用一张图来总结大致V4L2的驱动框架

从图中可以看出V4L2分为核心层还有硬件相关层

核心层负责注册字符设备，然后提供video_device对象和相应的注册接口给硬件相关层使用

硬件相关层需要分配一个video_device并设置它，然后向核心层注册，核心层会为其注册字符设备并且创建设备节点(/dev/videox)。同时硬件相关层还需要分配和设置相应的v4l2_device和v4l2_subdev，其中v4l2_device的一个比较重要的意义就是管理v4l2_subdev，当然有一些驱动并不需要实现v4l2_subdev，此时v4l2_device的意义就不是很大了

当应用层通过/dev/video来操作设备的时候，首先会来到V4L2的核心层，核心层通过注册进的video_device的回调函数调用相应的操作函数，video_device可以直接操作硬件或者是通过v4l2_subdev来操作硬件

二、V4L2的数据结构

介绍完V4L2的驱动框架后，来看一看内核中各对象的数据结构

2.1 V4L2主要对象的数据结构

• video_device

  struct video_device
  { 
       
      /* character device */
  	struct cdev *cdev;
      
      /* v4l2_device parent */
  	struct v4l2_device *v4l2_dev;
  
     	/* device ops */
  	const struct v4l2_file_operations *fops;
      
  	/* ioctl callbacks */
  	const struct v4l2_ioctl_ops *ioctl_ops;
  };
  

  可以看到video_device中含有一个cdev还有v4l2_device，此外还有fops和ioctl_ops，从应用层进行系统调用会经过v4l2的核心层回调到这里

  其中v4l2_file_operations和v4l2_ioctl_ops如下

  struct v4l2_file_operations { 
       
  	struct module *owner;
  	ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
  	ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
  	unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
  	long (*ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
  	long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
  	unsigned long (*get_unmapped_area) (struct file *, unsigned long,
  				unsigned long, unsigned long, unsigned long);
  	int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
  	int (*open) (struct file *);
  	int (*release) (struct file *);
  };
  

  熟悉v4l2应用编程的应该都知道v4l2有很多ioctl操作，具体实现都在这里

  struct v4l2_ioctl_ops { 
       
  	int (*vidioc_querycap)(struct file *file, void *fh, struct v4l2_capability *cap);
  	/* Buffer handlers */
  	int (*vidioc_reqbufs) (struct file *file, void *fh, struct v4l2_requestbuffers *b);
  	int (*vidioc_querybuf)(struct file *file, void *fh, struct v4l2_buffer *b);
  	int (*vidioc_qbuf)    (struct file *file, void *fh, struct v4l2_buffer *b);
  	int (*vidioc_dqbuf)   (struct file *file, void *fh, struct v4l2_buffer *b);
      /* Stream on/off */
  	int (*vidioc_streamon) (struct file *file, void *fh, enum v4l2_buf_type i);
  	int (*vidioc_streamoff)(struct file *file, void *fh, enum v4l2_buf_type i);
     	...
  };
  

• v4l2_device

  struct v4l2_device { 
       
  	/* used to keep track of the registered subdevs */
  	struct list_head subdevs;
      ...
  };
  

  可以看到v4l2_device中有一个v4l2_subdev的链表，v4l2_device的主要目的时用来管理v4l2_subdev

• v4l2_subdev

  struct v4l2_subdev { 
       
  	struct list_head list;
  	struct v4l2_device *v4l2_dev;
  	const struct v4l2_subdev_ops *ops;
  };
  

  v4l2_subdev中有一个v4l2_subdev_ops，实现了一系列的操作，供v4l2_device调用

  struct v4l2_subdev_ops { 
       
  	const struct v4l2_subdev_core_ops	*core;
  	const struct v4l2_subdev_tuner_ops	*tuner;
  	const struct v4l2_subdev_audio_ops	*audio;
  	const struct v4l2_subdev_video_ops	*video;
  	const struct v4l2_subdev_vbi_ops	*vbi;
  	const struct v4l2_subdev_ir_ops		*ir;
  	const struct v4l2_subdev_sensor_ops	*sensor;
  };
  

  struct v4l2_subdev_core_ops { 
       
      ...
  	int (*s_config)(struct v4l2_subdev *sd, int irq, void *platform_data);
  	int (*init)(struct v4l2_subdev *sd, u32 val);
  	int (*s_gpio)(struct v4l2_subdev *sd, u32 val);
  	int (*g_ctrl)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_control *ctrl);
  	int (*s_ctrl)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_control *ctrl);
  	int (*s_std)(struct v4l2_subdev *sd, v4l2_std_id norm);
  	long (*ioctl)(struct v4l2_subdev *sd, unsigned int cmd, void *arg);
  	...
  };
  

  struct v4l2_subdev_video_ops { 
       
  	...
      int (*enum_fmt)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_fmtdesc *fmtdesc);
  	int (*g_fmt)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_format *fmt);
  	int (*try_fmt)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_format *fmt);
  	int (*s_fmt)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_format *fmt);
  	int (*cropcap)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_cropcap *cc);
  	int (*g_crop)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_crop *crop);
  	int (*s_crop)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_crop *crop);
  	int (*g_parm)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_streamparm *param);
  	int (*s_parm)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_streamparm *param);
  	...
  };
  

2.2 V4L2提供的注册接口

• video_device

  注册

  int video_register_device(struct video_device *vdev, int type, int nr);
  

  注销

  void video_unregister_device(struct video_device *vdev);
  

• v4l2_device

  注册

  int v4l2_device_register(struct device *dev, struct v4l2_device *v4l2_dev);
  

  注销

  void v4l2_device_unregister(struct v4l2_device *v4l2_dev);
  

• v4l2_subdev

  注册

  int v4l2_device_register_subdev(struct v4l2_device *v4l2_dev,
  						struct v4l2_subdev *sd);
  

  注销

  void v4l2_device_unregister_subdev(struct v4l2_subdev *sd);
  

三、源码剖析

3.1 V4L2驱动模板

此示例中并没有设计到v4l2_subdev，这部分将会在后面分析具体的驱动中出现

#include <...>
static struct video_device* video_dev;
static struct v4l2_device v4l2_dev;
/* 实现各种系统调用 */
static const struct v4l2_file_operations video_dev_fops = { 

.owner		    = THIS_MODULE,
.release        = vdev_close,
.read           = vdev_read,
.poll		    = vdev_poll,
.ioctl          = video_ioctl2,
.mmap           = vdev_mmap,
};
/* 实现各种系统调用 */
static const struct v4l2_ioctl_ops video_dev_ioctl_ops = { 

.vidioc_querycap      = vidioc_querycap,
.vidioc_enum_fmt_vid_cap  = vidioc_enum_fmt_vid_cap,
.vidioc_g_fmt_vid_cap     = vidioc_g_fmt_vid_cap,
.vidioc_try_fmt_vid_cap   = vidioc_try_fmt_vid_cap,
.vidioc_s_fmt_vid_cap     = vidioc_s_fmt_vid_cap,
.vidioc_reqbufs       = vidioc_reqbufs,
.vidioc_querybuf      = vidioc_querybuf,
.vidioc_qbuf          = vidioc_qbuf,
.vidioc_dqbuf         = vidioc_dqbuf,
.vidioc_enum_input    = vidioc_enum_input,
.vidioc_g_input       = vidioc_g_input,
.vidioc_s_input       = vidioc_s_input,
.vidioc_streamon      = vidioc_streamon,
.vidioc_streamoff     = vidioc_streamoff,
};
static int __init video_init(void)
{ 

/* 分配并设置一个video_device */
video_dev = video_device_alloc();
video_dev->fops = &video_dev_fops;
video_dev->ioctl_ops = &video_dev_ioctl_ops;
video_dev->release = video_device_release;
video_dev->tvnorms = V4L2_STD_525_60;
video_dev->current_norm = V4L2_STD_NTSC_M;
/* 注册一个v4l2_device */
v4l2_device_register(video_dev->dev, &v4l2_dev);    
video_dev->v4l2_dev = &video_dev;
/* 注册一个video_device字符设备 */
video_register_device(video_dev, VFL_TYPE_GRABBER, -1);
return 0;
}
static void __exit video_exit(void)
{ 

video_unregister_device(video_dev);
v4l2_device_unregister(&v4l2_dev);
video_device_release(video_dev);
}
module_init(video_init);
module_exit(video_exit);

如果你熟悉v4l2应用编程的话，你应该知道v4l2有许多ioctl操作，上面的模板就实现了很多ioctl操作

3.2 V4L2源码剖析

下面我们来分析分析源码

在上面的video_init中，我们分配并设置了video_dev，注册了v4l2_device(v4l2_device_register)，然后向v4l2核心层注册video_device(video_register_device)

我们先来看v4l2_device_register

int v4l2_device_register(struct device *dev, struct v4l2_device *v4l2_dev)
{ 

INIT_LIST_HEAD(&v4l2_dev->subdevs);
spin_lock_init(&v4l2_dev->lock);
dev_set_drvdata(dev, v4l2_dev);
...
}

从源码中可以看出v4l2_device_register并没有做什么事，只是初始化链表，自旋锁，还有设置数据，这函数并不是我们的重点

下面来仔细分析video_register_device

int video_register_device(struct video_device *vdev, int type, int nr)
{ 
   
/* 分配字符设备 */
vdev->cdev = cdev_alloc();
/* 设置fops */
vdev->cdev->ops = &v4l2_fops;
/* 注册字符设备 */
cdev_add(vdev->cdev, MKDEV(VIDEO_MAJOR, vdev->minor), 1);
/* 生成设备节点 */
dev_set_name(&vdev->dev, "%s%d", name_base, vdev->num);
device_register(&vdev->dev);
/* 设置全局数组 */
video_device[vdev->minor] = vdev;
}

可以看到这个函数会为video_device分配一个cdev，然后设置fops，向内核注册字符设备，再者生成设备节点

然后设置video_device全局数组，video_device一个全局数组

static struct video_device *video_device[VIDEO_NUM_DEVICES];

保存着注册的video_device

接下来看一下其中设置的fops(v4l2_fops)

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,
.ioctl = v4l2_ioctl,
.release = v4l2_release,
.poll = v4l2_poll,
.llseek = no_llseek,
};

这个是video_device中的字符设备对应的fops，应用层发生系统调用会率先调用到这里，我们来好好看一看这些调用

• v4l2_open

  static int v4l2_open(struct inode *inode, struct file *filp)
  { 
  
  struct video_device *vdev;
  /* 根据次设备获得video_device */
  vdev = video_devdata(filp);
  /* 回调video_device的fops */
  if (vdev->fops->open)
  ret = vdev->fops->open(filp); //回调video
  }
  

  从这个函数可以看到，发生系统调用首先来到v4l2核心层的字符设备，然后再回调到对应的video_device，video_device在前面已经实现了v4l2_file_operations和v4l2_ioctl_ops一系列回调

• v4l2_ioctl

  V4L2的应用编程会有非常多的ioctl，会先调用到此处

  static int v4l2_ioctl(struct inode *inode, struct file *filp,
  unsigned int cmd, unsigned long arg)
  { 
  
  struct video_device *vdev = video_devdata(filp);
  /* 回调到video_device中 */
  return vdev->fops->ioctl(filp, cmd, arg);
  }
  

  下面来看一看video_device怎么实现ioctl

  static const struct v4l2_file_operations video_dev_fops = { 
  
  .owner		    = THIS_MODULE,
  .release        = vdev_close,
  .read           = vdev_read,
  .poll		    = vdev_poll,
  .ioctl          = video_ioctl2,
  .mmap           = vdev_mmap,
  };
  

  从上面驱动程序的编写，我们可以知道video_device对应ioctl就是video_ioctl2，这个函数是内核提供的，我们看一看这个函数的内容

  long video_ioctl2(struct file *file,
  unsigned int cmd, unsigned long arg)
  { 
  
  __video_do_ioctl(file, cmd, parg);
  }
  

  static long __video_do_ioctl(struct file *file,
  unsigned int cmd, void *arg)
  { 
  
  /* 获取video_device */
  struct video_device *vfd = video_devdata(file);
  /* 获取video_device的ioctl_ops */
  const struct v4l2_ioctl_ops *ops = vfd->ioctl_ops;
  switch (cmd) { 
  
  case VIDIOC_QUERYCAP:
  ops->vidioc_querycap(file, fh, cap);
  case VIDIOC_ENUM_FMT:
  ops->vidioc_enum_fmt_vid_cap(file, fh, f);
  ...
  }
  }
  

  可以看出，最终会调用到video_device实现的v4l2_ioctl_ops

  /* 实现各种系统调用 */
  static const struct v4l2_ioctl_ops video_dev_ioctl_ops = { 
  
  .vidioc_querycap      = vidioc_querycap,
  .vidioc_enum_fmt_vid_cap  = vidioc_enum_fmt_vid_cap,
  .vidioc_g_fmt_vid_cap     = vidioc_g_fmt_vid_cap,
  .vidioc_try_fmt_vid_cap   = vidioc_try_fmt_vid_cap,
  .vidioc_s_fmt_vid_cap     = vidioc_s_fmt_vid_cap,
  .vidioc_reqbufs       = vidioc_reqbufs,
  .vidioc_querybuf      = vidioc_querybuf,
  .vidioc_qbuf          = vidioc_qbuf,
  .vidioc_dqbuf         = vidioc_dqbuf,
  .vidioc_enum_input    = vidioc_enum_input,
  .vidioc_g_input       = vidioc_g_input,
  .vidioc_s_input       = vidioc_s_input,
  .vidioc_streamon      = vidioc_streamon,
  .vidioc_streamoff     = vidioc_streamoff,
  };
  

  所以系统调用最先都会调用到字符设备的fops，然后经过v4l2核心层最终调用到video_device这里

  关于v4l2的驱动框架就分析到这里，关于更加详细的实现v4l2驱动，将在后续文章中通过实例讲解