v4l2 编程接口(二) — driver

转载于：http://blog.csdn.net/g_salamander/article/details/8189893

V4L2 驱动随着硬件的变化也越来越复杂，现在大部分设备有里面包含了多个IC， 在/dev目录下不仅要建立 V4L2 的节点，而且还需要建立如：DVB、ALSA、FB、I2C、input等设备节点。事实上 V4L2 驱动需要支持音频/视频的混音/编码/解码等IC所以比其他驱动都要复杂很多，通常这些IC通过 i2c 总线连接到主板，这些设备都统称为sub-devices。在很长的一段时间里 V4L2 被限制只能在 video_device 结构体里面创建，并且用video_buf 控制视频缓存，这意味着所有的驱动创建自己的实例都将连接到自己的sub-devices，这些工作通常很复杂并经常引起错误，许多常见的代码因为缺乏一个框架而无法重构。因此这个框架建立起了基本的机制，所有的驱动都需要和这个框架结合以便共用其中的函数。因此 V4L2  框架作了相应的优化：它有一个 v4l2_device 结构作为设备实例，一个v4l2_subdev结构作为子设备实例，video_device 结构包含了v4l2_device 节点，以后将会有一个 v4l2_fh 的结构作为与文件句柄的实例。每个设备都采用 v4l2_device 结构来表示。非常简单的设备都可以申请这个结构，但通常会将这个结构嵌入一个更大的结构中。

1、 video_device

在 v4l2 中用 struct video_device 代表一个视频设备，该结构说明如下：

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1. struct video_device  
2. {  
3.     /* 设备操作合集 */  
4.     const struct v4l2_file_operations *fops;  
5.   
6.     /* sysfs节点 */  
7.     struct device dev;      /* v4l device */  
8.     struct cdev *cdev;      /* 字符设备节点 */  
9.   
10.     /* Set either parent or v4l2_dev if your driver uses v4l2_device */  
11.     struct device *parent;      /* 父设备 */  
12.     struct v4l2_device *v4l2_dev;   /* v4l2_device parent */  
13.   
14.     /* 设备信息 */  
15.     char name[32];  
16.     int vfl_type;  
17.     /* 如果注册失败 minor 将被设置为 -1 */  
18.     int minor;  
19.     u16 num;  
20.     /* 需要用位操作 flags */  
21.     unsigned long flags;  
22.     /* attribute to differentiate multiple indices on one physical device */  
23.     int index;  
24.   
25.     int debug;          /* Activates debug level*/  
26.   
27.     /* Video standard vars */  
28.     v4l2_std_id tvnorms;        /* Supported tv norms */  
29.     v4l2_std_id current_norm;   /* Current tvnorm */  
30.   
31.     /* 释放设备的回调函数 */  
32.     void (*release)(struct video_device *vdev);  
33.   
34.     /* ioctl 回调函数 */  
35.     const struct v4l2_ioctl_ops *ioctl_ops;  
36. };  
37. 其中  
38. struct cdev {  
39.     struct kobject kobj;    /* 内核对象 */  
40.     struct module *owner;  
41.     const struct file_operations *ops;  /* 设备操作合集 */  
42.     struct list_head list;  
43.     dev_t dev;  
44.     unsigned int count;  
45. };  
46.   
47. struct v4l2_file_operations {  
48.     struct module *owner;  
49.     ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);        /* 读数据 */  
50.     ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *); /* 写数据 */  
51.     unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);        /* 同步操作 */  
52.     long (*ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);              /* 特殊命令 */  
53.     long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);  
54.     unsigned long (*get_unmapped_area) (struct file *, unsigned long,  
55.                 unsigned long, unsigned long, unsigned long);  
56.     int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);                    /* 内存映射 */  
57.     int (*open) (struct file *);                                             /* 打开设备 */  
58.     int (*release) (struct file *);                                          /* 释放设备 */  
59. };  

视频设备在 linux 中作为字符设备出现，域 cdev 与 /dev/videox 节点关联，打开节点就相当于执行cdev 的 open 函数，cdev 的 ops 域即 file_operations 的一些接口在经过一定的参数过滤后最终都调用了video_device 的 fops 域即v4l2_file_operations的成员，所以在编写驱动程序的时候需要实现 v4l2_file_operations 的接口：其中 open 用于打开视频设备， read 接口用于读取视频数据，poll 接口用于视频流的同步，mmap 将视频设备的保存数据的内存空间的物理地址映射到用户空间，ioctl 用于向视频设备发送命令并查询相关信息（ioctl 一般设置为 v4l2 提供的 video_ioctl2 函数，并最终调用 video_device 的 ioctl_ops 域即 v4l2_ioctl_ops），通常需要实现的 ioctl 接口如下：

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1. static const struct v4l2_ioctl_ops xxx_cam_ioctl_ops = {  
2.     .vidioc_querycap         = vidioc_querycap,  
3.     .vidioc_enum_input       = vidioc_enum_input,  
4.     .vidioc_g_input          = vidioc_g_input,  
5.     .vidioc_s_input          = vidioc_s_input,  
6.     .vidioc_queryctrl        = vidioc_queryctrl,  
7.     .vidioc_s_ctrl           = vidioc_s_ctrl,  
8.     .vidioc_g_ctrl           = vidioc_g_ctrl,  
9.     .vidioc_enum_fmt_vid_cap = vidioc_enum_fmt_vid_cap,  
10.     .vidioc_try_fmt_vid_cap  = vidioc_try_fmt_vid_cap,  
11.     .vidioc_g_fmt_vid_cap    = vidioc_g_fmt_vid_cap,  
12.     .vidioc_s_fmt_vid_cap    = vidioc_s_fmt_vid_cap,  
13.     .vidioc_reqbufs          = vidioc_reqbufs,  
14.     .vidioc_querybuf         = vidioc_querybuf,  
15.     .vidioc_qbuf             = vidioc_qbuf,  
16.     .vidioc_dqbuf            = vidioc_dqbuf,  
17.     .vidioc_streamon         = vidioc_streamon,  
18.     .vidioc_streamoff        = vidioc_streamoff,  
19.     .vidioc_default          = vidioc_default,  
20. };  

该结构各域的作用如上篇文章所述。video_device 通过 video_register_device 函数注册，函数原型如下：

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1. /** 
2.  *  video_register_device - 注册一个 v4l2 设备 
3.  *  @vdev: video_device 结构 
4.  *  @type: v4l2 设备的类型 
5.  *  @nr:   从设备号(0 == /dev/video0, 1 == /dev/video1, -1 == first free) 
6.  * 
7.  *  注册代码将会根据注册设备的类型指派从设备号,如果没有合适的从设备号将会返回错误值. 
8.  * 
9.  *  通常有如下几种设备类型 
10.  * 
11.  *  %VFL_TYPE_GRABBER - 视频采集设备 
12.  * 
13.  *  %VFL_TYPE_VTX     - 图文电视设备 
14.  * 
15.  *  %VFL_TYPE_VBI     - 场消隐区解码设备(undecoded) 
16.  * 
17.  *  %VFL_TYPE_RADIO   - 无线设备 
18.  */  
19. int video_register_device(struct video_device *vdev, int type, int nr)  
20. {  
21.     return __video_register_device(vdev, type, nr, 1);  
22. }  
23. EXPORT_SYMBOL(video_register_device);  

该函数注册流程较简单：首先会根据设备类型确定在 /dev 目录下的节点名称以及从设备号的偏移和值，然后为 cdev 申请内存空间并注册，将 vdev->cdev->ops 设置为内核提供的 v4l2_fops，最后将 vdev->dev 注册到 sysfs 中。

2、v4l2_subdev

许多驱动需要与子设备通信，这些设备做的任务比较常见的是音视频处理、编解码等， 网络摄像头比较常见的子设备是传感器和摄像头控制器。为了提供一个统一的接口给这些子设备，内核将涉及到子设备控制的那部分（如 vidioc_s_ctrl、vidioc_s_frequency 等）独立了出来，用 struct v4l2_subdev 来表示以方便用户实现 v4l2 驱动程序：

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1. struct v4l2_subdev {  
2.     struct list_head list;              /* 链接至 v4l2_device */  
3.     struct module *owner;  
4.     u32 flags;  
5.     struct v4l2_device *v4l2_dev;       /* 指向 v4l2_device */  
6.     const struct v4l2_subdev_ops *ops;  /* subdev 操作合集 */  
7.     /* name must be unique */  
8.     char name[V4L2_SUBDEV_NAME_SIZE];  
9.     /* can be used to group similar subdevs, value is driver-specific */  
10.     u32 grp_id;  
11.     /* 私有数据 */  
12.     void *priv;  
13. };  

其中 list 域作为链表节点链接至 v4l2_dev 指向的  v4l2_device 结构中，这个结构中最重要的成员就是 struct v4l2_subdev_ops *ops，该域包含了 v4l2 设备支持的所有操作，定义如下：

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1. struct v4l2_subdev_ops {  
2.     const struct v4l2_subdev_core_ops  *core;   /* 通用操作合集 */  
3.     const struct v4l2_subdev_tuner_ops *tuner;  /* 调谐器操作合集 */  
4.     const struct v4l2_subdev_audio_ops *audio;  /* 音频操作合集 */  
5.     const struct v4l2_subdev_video_ops *video;  /* 视频操作合集 */  
6. };  

v4l2_subdev_core_ops 包含的操作合集是各种类型设备通用的：

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1. struct v4l2_subdev_core_ops {  
2.     int (*g_chip_ident)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_dbg_chip_ident *chip);  /* 获取设备id */  
3.     int (*log_status)(struct v4l2_subdev *sd);                                      /* 状态消息 */  
4.     int (*s_config)(struct v4l2_subdev *sd, int irq, void *platform_data);          /* 设置配置信息 */  
5.     int (*init)(struct v4l2_subdev *sd, u32 val);                                   /* 初始化设备 */  
6.     int (*load_fw)(struct v4l2_subdev *sd);                                         /* 加载firmware */  
7.     int (*reset)(struct v4l2_subdev *sd, u32 val);                                  /* 重置设备 */  
8.     int (*s_gpio)(struct v4l2_subdev *sd, u32 val);                                 /* 设置gpio */  
9.     int (*queryctrl)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_queryctrl *qc);            /* 查询设备支持的操作 */  
10.     int (*g_ctrl)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_control *ctrl);               /* 获取当前命令值 */  
11.     int (*s_ctrl)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_control *ctrl);               /* 设置当前命令值 */  
12.     int (*g_ext_ctrls)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_ext_controls *ctrls);    /* 获取外置命令值 */  
13.     int (*s_ext_ctrls)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_ext_controls *ctrls);    /* 设置外置命令值 */  
14.     int (*try_ext_ctrls)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_ext_controls *ctrls);  
15.     int (*querymenu)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_querymenu *qm);            /* 查询操作菜单 */  
16.     int (*s_std)(struct v4l2_subdev *sd, v4l2_std_id norm);                         /* 设置数据标准 */  
17.     long (*ioctl)(struct v4l2_subdev *sd, unsigned int cmd, void *arg);             /* 处理特殊命令 */  
18. #ifdef CONFIG_VIDEO_ADV_DEBUG  
19.     int (*g_register)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_dbg_register *reg);       /* 获取寄存器值 */  
20.     int (*s_register)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_dbg_register *reg);       /* 设置寄存器值 */  
21. #endif  
22. };  

v4l2_subdev_tuner_ops 包含的操作合集则是调谐器独有的：

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1. struct v4l2_subdev_tuner_ops {  
2.     int (*s_mode)(struct v4l2_subdev *sd, enum v4l2_tuner_type);               /* 设置调谐器模式 */  
3.     int (*s_radio)(struct v4l2_subdev *sd);                                    /* 设置无线设备信息 */  
4.     int (*s_frequency)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_frequency *freq);   /* 设置频率 */  
5.     int (*g_frequency)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_frequency *freq);   /* 获取频率 */  
6.     int (*g_tuner)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_tuner *vt);             /* 获取调谐器信息 */  
7.     int (*s_tuner)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_tuner *vt);             /* 设置调谐器信息 */  
8.     int (*g_modulator)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_modulator *vm);     /* 获取调幅器信息 */  
9.     int (*s_modulator)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_modulator *vm);     /* 设置调幅器信息 */  
10.     int (*s_type_addr)(struct v4l2_subdev *sd, struct tuner_setup *type);      /* 安装调谐器 */  
11.     int (*s_config)(struct v4l2_subdev *sd, const struct v4l2_priv_tun_config *config);   /* 设置配置信息 */  
12.     int (*s_standby)(struct v4l2_subdev *sd);                                  /* 设置标准 */  
13. };  

v4l2_subdev_audio_ops 包含的操作合集则是音频部分独有的：

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1. struct v4l2_subdev_audio_ops {  
2.     int (*s_clock_freq)(struct v4l2_subdev *sd, u32 freq);       /* 设置音频设备频率 */  
3.     int (*s_i2s_clock_freq)(struct v4l2_subdev *sd, u32 freq);   /* 设置i2s总线频率 */  
4.     int (*s_routing)(struct v4l2_subdev *sd, u32 input, u32 output, u32 config);   /* 设置音频路由 */  
5. };  

v4l2_subdev_video_ops 包含的操作合集则是视频部分独有的：

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1. struct v4l2_subdev_video_ops {  
2.     int (*s_routing)(struct v4l2_subdev *sd, u32 input, u32 output, u32 config);             /* 设置视频路由 */  
3.     int (*s_crystal_freq)(struct v4l2_subdev *sd, u32 freq, u32 flags);                      /* 设置设备频率 */  
4.     int (*decode_vbi_line)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_decode_vbi_line *vbi_line);   /* 消隐区信息解码 */  
5.     int (*s_vbi_data)(struct v4l2_subdev *sd, const struct v4l2_sliced_vbi_data *vbi_data);  /* 设置消隐区数据 */  
6.     int (*g_vbi_data)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_sliced_vbi_data *vbi_data);        /* 获取消隐区数据 */  
7.     int (*g_sliced_vbi_cap)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_sliced_vbi_cap *cap);  
8.     int (*s_std_output)(struct v4l2_subdev *sd, v4l2_std_id std);                            /* 设置标准输出 */  
9.     int (*querystd)(struct v4l2_subdev *sd, v4l2_std_id *std);                               /* 查询标准 */  
10.     int (*g_input_status)(struct v4l2_subdev *sd, u32 *status);                              /* 获取输入状态 */  
11.     int (*s_stream)(struct v4l2_subdev *sd, int enable);                                     /* 设置数据流 */  
12.     int (*enum_fmt)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_fmtdesc *fmtdesc);                   /* 枚举视频格式 */  
13.     int (*g_fmt)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_format *fmt);                           /* 获取视频格式 */  
14.     int (*try_fmt)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_format *fmt);                         /* 尝试设置视频格式 */  
15.     int (*s_fmt)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_format *fmt);                           /* 设置视频格式 */  
16.     int (*cropcap)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_cropcap *cc);                         /* 视频剪辑功能 */  
17.     int (*g_crop)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_crop *crop);                           /* 获取剪辑功能 */  
18.     int (*s_crop)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_crop *crop);                           /* 设置剪辑功能 */  
19.     int (*g_parm)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_streamparm *param);                    /* 获取参数 */  
20.     int (*s_parm)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_streamparm *param);                    /* 设置参数 */  
21.     int (*enum_framesizes)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_frmsizeenum *fsize);          /* 枚举帧大小 */  
22.     int (*enum_frameintervals)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_frmivalenum *fival);      /* 枚举帧间隔 */  
23. };  

因为 v4l2 设备一般用 i2c 总线通信，所以注册函数需要提供 i2c_client，函数原型如下：

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1. /** 
2.  *  v4l2_i2c_subdev_init - 注册一个 v4l2_subdev 
3.  *  @sd: v4l2_subdev 结构 
4.  *  @client: 通信用的i2c设备 
5.  *  @ops: v4l2_subdev_ops 操作合集 
6.  */  
7. void v4l2_i2c_subdev_init(struct v4l2_subdev *sd, struct i2c_client *client, const struct v4l2_subdev_ops *ops)  

当 video_device 中的接口需要调用 v4l2_subdev 的成员函数时一般采用如下宏定义：

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1. /* 调用成员函数之前需要先检查成员函数是否被设置 
2.  *  v4l2_subdev_call - 调用 v4l2_subdev 成员函数 
3.  *  @sd: v4l2_subdev 结构 
4.  *  @o:  v4l2_subdev_ops 成员名称 
5.  *  @f:  v4l2_subdev 成员函数 
6.  *  @args:  v4l2_subdev 成员函数的参数 
7.  
8.    使用示例: err = v4l2_subdev_call(sd, core, g_chip_ident, &chip); 
9.  */  
10. #define v4l2_subdev_call(sd, o, f, args...)             \  
11.     (!(sd) ? -ENODEV : (((sd) && (sd)->ops->o && (sd)->ops->o->f) ?  \  
12.         (sd)->ops->o->f((sd) , ##args) : -ENOIOCTLCMD))