DM6446的视频前端VPFE驱动之ioctl控制（视频缓存区，CCDC，decoder)解析之一

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  在这里分析驱动的ioctl的内容时，需要结合相关的应用层的操作，之前我已经说过，这块V4L2的控制都是Ioclt实现的，在完成前期的驱动后，后续的系统调用都由他来完成，主要通过应用层发送一定的命令来完成调用。之前看过很多V4L2的内容，都会涉及到ioctl的内容，在这里我不再介绍。只解析几个核心的控制命令，来实现一个简单的视频采集。

        先简单的说下视频ioctl系统调用的流程如下：

 

 

 

以上的流程图是在应用程序的ioctl和mmap的核心调用过程。每一个ioctl命令代表着对视频设备的控制。下面我选择涉及到缓存区相关操作的命令进行展开：

1.VIDIOC_REQBUFS申请视频缓存区，对应的源码位于davinci_vpfe.c的doioctl函数中，部分代码人如下：

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1. case VIDIOC_REQBUFS:  //Initiates memory mapping or user pointer I/O，申请内存  
2.     dev_dbg(vpfe_dev, "\nEnd of VIDIOC_REQBUFS ioctl");  
3.     if (vpfe->io_usrs != 0) {  
4.         ret = -EBUSY;  
5.         break;  
6.     }  
7.     down_interruptible(&vpfe->lock);  
8.     videobuf_queue_init(&vpfe->bufqueue, &video_qops, NULL,    
9.                 &vpfe->irqlock,  
10.                 V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE,  
11.                 vpfe->field,  //filed=V4L2_FIELD_INTERLACED  
12.                 sizeof(struct videobuf_buffer), fh);//主要完成vpfe_obj中的成员变量videobuf_queue的初始化  
13.   
14.     videobuf_set_buftype(&vpfe->bufqueue, VIDEOBUF_BUF_LINEAR);//buf_type=VIDEOBUF_BUF_LINEAR  
15.   
16.     fh->io_allowed = TRUE;  
17.     vpfe->io_usrs = 1;  
18.     INIT_LIST_HEAD(&vpfe->dma_queue);//初始化DMA链表头  
19.     ret = videobuf_reqbufs(&vpfe->bufqueue, arg);//获取内存分配，完成相关初始化  
20.     up(&vpfe->lock);  
21.     dev_dbg(vpfe_dev, "\nEnd of VIDIOC_REQBUFS ioctl");  
22.     break;  

在这个case中，可以看到主要调用了videobuf_queue_init，在这个函数里主要完成了videobuf_queue这个缓存区队列的初始化，填充了其相关的内容，核心包括video_qops等。随后调用videobuf_reqbufs完成缓存区的真正申请。当然分析源码后核心的其实调用的是 q->ops->buf_setup(q,&count,&size); 函数，也就是队列初始化后的video_qops的buf_setup（所谓的缓存区真正的申请），下面我们来看这块的内容：

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1. buffer_setup(struct videobuf_queue *q, unsigned int *count, unsigned int *size)  
2. {  
3.     vpfe_obj *vpfe = &vpfe_device;  
4.     int i;  
5.     unsigned int buf_size;  
6.     dev_dbg(vpfe_dev, "\nstarting buffer_setup");  
7.     if (device_type == TVP5146) {  
8.         *size = buf_size = VPFE_TVP5146_MAX_FBUF_SIZE; //最大缓冲区768*576*2  
9.     } else {  
10.         *size = buf_size = VPFE_MT9T001_MAX_FBUF_SIZE;  
11.     }  
12.   
13.     for (i = VPFE_DEFNUM_FBUFS; i < *count; i++) {  //VPFE_DEFNUM_FBUFS=3，如果多余3个再申请，否则跳过  
14.         u32 size = PAGE_SIZE << (get_order(buf_size));  
15.         void *mem = (void *)__get_free_pages(GFP_KERNEL | GFP_DMA, //DMA内存申请  
16.                              get_order(buf_size));  
17.         if (mem) {  
18.             unsigned long adr = (unsigned long)mem;  
19.             while (size > 0) {  
20.                 /* make sure the frame buffers are never   
21.                    swapped out of memory *///交换内存  
22.                 SetPageReserved(virt_to_page(adr));  
23.                 adr += PAGE_SIZE;  
24.                 size -= PAGE_SIZE;  
25.             }  
26.             vpfe->fbuffers[i] = mem;  
27.         } else {  
28.             break;  
29.         }  
30.     }  
31.     *count = vpfe->numbuffers = i;     //3      
32.     dev_dbg(vpfe_dev, "\nEnd of buffer_setup");  
33.     return 0;  
34. }  

在这个函数中，我们可以看到会根据用户应用程序设置的count参数，来判断是否还需要设置额外的缓存区，因为在注册驱动初始化的函数是已经申请了3个缓存区。获取了3个缓存区的虚拟内存地址。这个采用get_free_pages完成一个缓存区的页式申请，以4K一页为单位，完成申请，同时SetPageReserved完成每一页内存的驻留（在未释放前，不允许再申请）。最后将每一个缓存区内存首地址存入fbuffers[]数组之中。

同时在videobuf_reqbufs函数中还会调用videobuf_mmap_setup完成缓存区队列中的缓存区实例完成初始化，包括这个缓存区的相关性质。同时在该函数buffer_config中完成虚拟内存地址到实际物理地址的转换，存入到缓存区实例中。

 

2.VIDIOC_QUERYBUF查询缓存区的信息

执行函数videobuf_querybuf，最终会调用videobuf_status，完成当前缓存区信息的传递到用户层。

 

3.mmap的相关操作

在这里，针对视频数据量较大的内容，用户和内存之间的数据交互，是最为关键的内容。因此不能使用简单的read,write等系统调用来完成数据的读取，合理的方式是采用mmap这个系统调用，直接将物理内存映射到用户空间，不必要再使用read,write等从内核空间将数据进行拷贝，只需获取内存物理映射后的首地址即可。

内核中调用的函数为videobuf_mmap_mapper，代码如下：

 

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1. int videobuf_mmap_mapper(struct videobuf_queue *q,  
2.              struct vm_area_struct *vma)  
3. {  
4.     struct videobuf_mapping *map;  
5.     unsigned int first,last,size,i;  
6.     int retval;  
7.   
8.     down(&q->lock);  
9.     retval = -EINVAL;  
10.     if (!(vma->vm_flags & VM_WRITE)) {  
11.         dprintk(1,"mmap app bug: PROT_WRITE please\n");  
12.         goto done;  
13.     }  
14.     if (!(vma->vm_flags & VM_SHARED)) {  
15.         dprintk(1,"mmap app bug: MAP_SHARED please\n");  
16.         goto done;  
17.     }  
18.   
19.     /* look for first buffer to map */  
20.     for (first = 0; first < VIDEO_MAX_FRAME; first++) {  
21.         if (NULL == q->bufs[first])  
22.             continue;  
23.         if (V4L2_MEMORY_MMAP != q->bufs[first]->memory)  
24.             continue;  
25.         if (q->bufs[first]->boff == (vma->vm_pgoff << PAGE_SHIFT))//在这里boff对应的为缓存区的物理首地址  
26.             break;  
27.     }  
28.     if (VIDEO_MAX_FRAME == first) {  
29.         dprintk(1,"mmap app bug: offset invalid [offset=0x%lx]\n",  
30.             (vma->vm_pgoff << PAGE_SHIFT));  
31.         goto done;  
32.     }  
33.   
34.     /* look for last buffer to map */  
35.     for (size = 0, last = first; last < VIDEO_MAX_FRAME; last++) {  
36.         if (NULL == q->bufs[last])  
37.             continue;  
38.         if (V4L2_MEMORY_MMAP != q->bufs[last]->memory)  
39.             continue;  
40.         if (q->bufs[last]->map) {  
41.             retval = -EBUSY;  
42.             goto done;  
43.         }  
44.         size += q->bufs[last]->bsize;  
45.         if (size == (vma->vm_end - vma->vm_start))  
46.             break;  
47.     }  
48.     if (VIDEO_MAX_FRAME == last) {  
49.         dprintk(1,"mmap app bug: size invalid [size=0x%lx]\n",  
50.             (vma->vm_end - vma->vm_start));  
51.         goto done;  
52.     }  
53.   
54.     /* create mapping + update buffer list */  
55.     retval = -ENOMEM;  
56.     map = kmalloc(sizeof(struct videobuf_mapping),GFP_KERNEL);  
57.     if (NULL == map)  
58.         goto done;  
59.     for (size = 0, i = first; i <= last; size += q->bufs[i++]->bsize) {  
60.         q->bufs[i]->map   = map;  
61.         q->bufs[i]->baddr = vma->vm_start + size;  
62.     }  
63.     map->count    = 1;  
64.     map->start    = vma->vm_start;  
65.     map->end      = vma->vm_end;  
66.     map->q        = q;  
67.     if(q->buf_type == VIDEOBUF_BUF_LINEAR){  
68.         vma->vm_page_prot = pgprot_writecombine(vma->vm_page_prot);  
69.         if (io_remap_page_range(vma, vma->vm_start,   //建立页表，完成用户空间和物理内存的直接映射  
70.             (vma->vm_pgoff << PAGE_SHIFT),//实际所在的需要映射的物理页地址  
71.             (vma->vm_end - vma->vm_start),  
72.             vma->vm_page_prot)){  
73.             return -EAGAIN;  
74.         }  
75.         vma->vm_flags |= VM_RESERVED | VM_IO;  
76.     }else {  
77.         vma->vm_ops   = &videobuf_vm_ops;  
78.         vma->vm_flags |= VM_DONTEXPAND | VM_RESERVED;  
79.         vma->vm_flags &= ~VM_IO; /* using shared anonymous pages */  
80.     }  
81.     vma->vm_private_data = map;  
82.     dprintk(1,"mmap %p: q=%p %08lx-%08lx pgoff %08lx bufs %d-%d\n",  
83.         map,q,vma->vm_start,vma->vm_end,vma->vm_pgoff,first,last);  
84.     retval = 0;  
85.   
86.  done:  
87.     up(&q->lock);  
88.     return retval;  
89. }  
90.   
91. int videobuf_set_buftype(struct videobuf_queue *q, enum videobuf_buf_type type)  
92. {  
93.     q->buf_type = type;  
94.     return 0;  
95. }  

对于mmap的相关概念理解在这里不做解释，本人也是参考着网上的资料学习而得。整个映射过程简单如图：
 

 

     结合此图和mmap在驱动代码中的实现，我们可以分析出申请的缓存区物理地址的boff偏移量就等于vm_start与文件打开时在用户空间的虚拟首地址的差值，即用户层调用mmap时设置的offset。其实对于普通的文件以及/dev/mem linux内核已经都做好了系统调用的驱动实现。而针对自己需要使用mmap实现设备文件盒物理内存的关联即做映射，则需要自己实现mmap的功能。主要实现的函数io_remap_page_range完成页式的物理内存映射，传入的参数分别为vma这个结构体，文件映射部分在用户空间的首地址addr，以及在物理内存中的实际地址页帧号pfn，即物理地址》4K(一个页的大小），以及整个文件映射部分的大小size。实际上这个pfn参数虽然来自于offset参数，但是整个offset先前已经设置为了我们申请的缓存区在物理内存中的偏移值。换句话说，这个和设备文件做关联的内存并不是凭空产生的，而是先前已经获取。这样的合理设计整个缓存区，是整个V4L2这个视频驱动的重要部分。内存的合理分配也显得格外重要。

      具体后续的缓存区队列的相关操作，我在下一篇博文中进行简单的分析和介绍。