V4L2框架分析

       V4L2是Video for linux2的简称,为linux中关于视频设备的内核驱动。v4L2是针对uvc（USB Video Class）免驱usb设备的编程框架，主要用于采集usb摄像头等。

      下图是V4L2的框架，首先系统核心层分配设置注册一个名为cdev结构体变量（cdev结构体是video_device结构体里的一部分），并设置cdev->ops = v4l2_fops；在硬件层我们分配设置注册了一个名为vfd结构体变量（video_device结构体），并设置vfd->fops = &vivi_fops，vfd->ioctl_ops  = &vivi_ioctl_ops；当应用程序（APP）调用read、open等函数时，会调用到v4l2_fops里的read、open函数，然后v4l2_fops里的read、open函数会再调用到硬件层相关的vfd->fops里的read、open函数。ioctl函数也类似。

        下面我们从程序入手来分析V4L2的框架，本文借助Linux内核目录下的drivers\medio\video里的虚拟视频驱动程序vivi.c(这段代码使用v4l2 api模拟真实的视频设备)来分析V4L2的框架。它的总体框架如下所示：

vivi_initvivi_create_instancev4l2_device_register   // 不是主要, 只是用于初始化一些东西，比如自旋锁、引用计数video_device_alloc// 设置1. vfd:.fops           = &vivi_fops,.ioctl_ops 	= &vivi_ioctl_ops,.release	= video_device_release,2.vfd->v4l2_dev = &dev->v4l2_dev;3. 设置"ctrl属性"(用于APP的ioctl)：v4l2_ctrl_handler_init(hdl, 11);dev->volume = v4l2_ctrl_new_std(hdl, &vivi_ctrl_ops,V4L2_CID_AUDIO_VOLUME, 0, 255, 1, 200);dev->brightness = v4l2_ctrl_new_std(hdl, &vivi_ctrl_ops,V4L2_CID_BRIGHTNESS, 0, 255, 1, 127);dev->contrast = v4l2_ctrl_new_std(hdl, &vivi_ctrl_ops,V4L2_CID_CONTRAST, 0, 255, 1, 16);                        video_register_device(video_device, type:VFL_TYPE_GRABBER, nr)__video_register_devicevdev->cdev = cdev_alloc();vdev->cdev->ops = &v4l2_fops;cdev_addvideo_device[vdev->minor] = vdev;if (vdev->ctrl_handler == NULL)vdev->ctrl_handler = vdev->v4l2_dev->ctrl_handler;

①我们从vivi.c里的vivi_init函数入手发现它调用了v4l2_device_register，该函数用于初始化一些东西，比如自旋锁、引用计数，这个并不是必需的；②调用了video_device_alloc分配video_device结构体并对其进行相应的设置，例如

.fops             = &vivi_fops,
.ioctl_ops     = &vivi_ioctl_ops,
.release       = video_device_release,

等设置，然后video_register_device注册该结构体；

③video_register_device函数调用了__video_register_device实现了如下操作：

vdev->cdev = cdev_alloc();
vdev->cdev->ops = &v4l2_fops;
cdev_add
                
video_device[vdev->minor] = vdev;

if (vdev->ctrl_handler == NULL)
    vdev->ctrl_handler = vdev->v4l2_dev->ctrl_handler;

 

 

上图是vivi_create_instance函数的一部分，首先分配一个video_device结构体的变量vfd，然后设置*vfd = vivi_template;其中vivi_template是一个video_device的结构体变量，它本身设置好了一些如.fops之类信息（如下图），此操作便相当于设置

 1. vfd:

.fops             = &vivi_fops,
.ioctl_ops     = &vivi_ioctl_ops,
.release       = video_device_release,

static struct video_device vivi_template = {.name		= "vivi",.fops           = &vivi_fops,.ioctl_ops 	= &vivi_ioctl_ops,.release	= video_device_release,.tvnorms              = V4L2_STD_525_60,.current_norm         = V4L2_STD_NTSC_M,
};

然后进入video_register_device函数，下面是video_register_device里的一部分源码，首先分配一个cdev结构体

然后设置cdev->ops = &v4l2_fops;v4l2_fops本身指向了一些函数（如下图），这样cdev便也指向了这些函数，当APP调用read函数时，便会调用cdev里面的read函数

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,.unlocked_ioctl = v4l2_ioctl,
#ifdef CONFIG_COMPAT.compat_ioctl = v4l2_compat_ioctl32,
#endif.release = v4l2_release,.poll = v4l2_poll,.llseek = no_llseek,
};

cdev里面的read函数如下图，首先根据filp获取到video_device结构体，然后判断该video_device结构体里的read函数是否存在，若存在则调用它，所以最后便调用到了前面我们设置的vfd.fops里的read函数。

 

 

 

 

相比open、read函数，ioctl的调用过程更复杂一些，下面我们来看一下（我们以VIDIOC_QUERYCAP为例）。下图是v4l2_fops里的.unlocked_ioctl指向的v4l2_ioctl函数。

它调用了前面vivi_template的fops里面的ioctl。

vivi_template的fops里面的ioctl里调用到下图的__video_do_ioctl函数，该函数最终调用到vfd里的ioctl_ops成员里面的函数，即vivi_ioctl_ops里的函数

比如调用的是 VIDIOC_QUERYCAP，则最终会调用到下面的函数。

/* ------------------------------------------------------------------IOCTL vidioc handling------------------------------------------------------------------*/
static int vidioc_querycap(struct file *file, void  *priv,struct v4l2_capability *cap)
{struct vivi_dev *dev = video_drvdata(file);strcpy(cap->driver, "vivi");strcpy(cap->card, "vivi");strlcpy(cap->bus_info, dev->v4l2_dev.name, sizeof(cap->bus_info));cap->version = VIVI_VERSION;cap->capabilities = V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE | V4L2_CAP_STREAMING | \V4L2_CAP_READWRITE;return 0;
}

 

 

总结：ioctl的调用比open、read多了一层，当APP调用ioctl函数时，便会调用cdev里面的ioctl函数，然后调用到了前面我们设置的vfd.fops里的ioctl函数，即和read、open函数同一结构体里的v4l2_ioctl，然后最终再去调用到和  

.fops           = &vivi_fops,同一结构体里的
.ioctl_ops     = &vivi_ioctl_ops,里对应的函数。

 

 

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