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2011年(17)

分类: LINUX

2011-04-03 00:21:59

基于V4L2的视频驱动开发(2)
 
三、            V4L2 API及数据结构
V4L2是V4L的升级版本,为linux下视频设备程序提供了一套接口规范。包括一套数据结构和底层V4L2驱动接口。
1、常用的结构体在内核目录include/linux/videodev2.h中定义
   struct v4l2_requestbuffers //申请帧缓冲,对应命令VIDIOC_REQBUFS
   struct v4l2_capability //视频设备的功能,对应命令VIDIOC_QUERYCAP
   struct v4l2_input   //视频输入信息,对应命令VIDIOC_ENUMINPUT
   struct v4l2_standard //视频的制式,比如PAL,NTSC,对应命令VIDIOC_ENUMSTD
   struct v4l2_format    //帧的格式,对应命令VIDIOC_G_FMT、VIDIOC_S_FMT等
   struct v4l2_buffer   //驱动中的一帧图像缓存,对应命令VIDIOC_QUERYBUF
   struct v4l2_crop   //视频信号矩形边框
      v4l2_std_id   //视频制式
2、常用的IOCTL接口命令也在include/linux/videodev2.h中定义
 
VIDIOC_REQBUFS //分配内存 
VIDIOC_QUERYBUF //把VIDIOC_REQBUFS中分配的数据缓存转换成物理地址
VIDIOC_QUERYCAP //查询驱动功能
VIDIOC_ENUM_FMT //获取当前驱动支持的视频格式
VIDIOC_S_FMT //设置当前驱动的频捕获格式
VIDIOC_G_FMT //读取当前驱动的频捕获格式
VIDIOC_TRY_FMT //验证当前驱动的显示格式
VIDIOC_CROPCAP //查询驱动的修剪能力
VIDIOC_S_CROP //设置视频信号的矩形边框
VIDIOC_G_CROP //读取视频信号的矩形边框
VIDIOC_QBUF //把数据从缓存中读取出来
VIDIOC_DQBUF //把数据放回缓存队列
VIDIOC_STREAMON //开始视频显示函数
VIDIOC_STREAMOFF //结束视频显示函数
VIDIOC_QUERYSTD //检查当前视频设备支持的标准,例如PAL或NTSC。
 
 

3、操作流程
V4L2提供了很多访问接口,你可以根据具体需要选择操作方法。需要注意的是,很少有驱动完全实现了所有的接口功能。所以在使用时需要参考驱动源码,或仔细阅读驱动提供者的使用说明。
下面列举出一种操作的流程,供参考。
(1)打开设备文件
int fd = open(Devicename,mode);
    Devicename:/dev/video0、/dev/video1 ……
     Mode:O_RDWR [| O_NONBLOCK]
       如果使用非阻塞模式调用视频设备,则当没有可用的视频数据时,不会阻塞,而立刻返回。
(2)取得设备的capability
struct v4l2_capability capability;
              int ret = ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &capability);     
看看设备具有什么功能,比如是否具有视频输入特性。
(3)选择视频输入
struct v4l2_input input;
……初始化input
int ret = ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &input);     
一个视频设备可以有多个视频输入。如果只有一路输入,这个功能可以没有。
(4)检测视频支持的制式
            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)设置视频捕获格式
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_FMT\n");
close(fd);
return -1;
}
(6)向驱动申请帧缓存
     struct v4l2_requestbuffers  req;
if (ioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &req) == -1) {
           return -1;
}
       v4l2_requestbuffers结构中定义了缓存的数量,驱动会据此申请对应数量的视频缓存。多个缓存可以用于建立FIFO,来提高视频采集的效率。
(7)获取每个缓存的信息,并mmap到用户空间
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++) {//映射所有的缓存
    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) {//获取到对应index的缓存信息,此处主要利用length信息及offset信息来完成后面的mmap操作。
        return -1;
    }
 
    buffers[numBufs].length = buf.length;
    // 转换成相对地址
    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)开始采集视频
int buf_type= V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
int ret = ioctl(fd, VIDIOC_STREAMON, &buf_type);
 
(9)取出FIFO缓存中已经采样的帧缓存
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;
}
根据返回的buf.index找到对应的mmap映射好的缓存,取出视频数据。
(10)将刚刚处理完的缓冲重新入队列尾,这样可以循环采集
if (ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf) == -1) {
    return -1;
}
(11)停止视频的采集
int ret = ioctl(fd, VIDIOC_STREAMOFF, &buf_type);
(12)关闭视频设备
close(fd);
 
 
四、            V4L2驱动框架
上述流程的各个操作都需要有底层V4L2驱动的支持。内核中有一些非常完善的例子。
比如:linux-2.6.26内核目录/drivers/media/video//zc301/zc301_core.c 中的ZC301视频驱动代码。上面的V4L2操作流程涉及的功能在其中都有实现。
1、V4L2驱动注册、注销函数
       Video核心层(drivers/media/video/videodev.c)提供了注册函数
int video_register_device(struct video_device *vfd, int type, int nr)
video_device:  要构建的核心数据结构
Type:  表示设备类型,此设备号的基地址受此变量的影响
Nr:    如果end-base>nr>0 :次设备号=base(基准值,受type影响)+nr;
否则:系统自动分配合适的次设备号
       具体驱动只需要构建video_device结构,然后调用注册函数既可。
如:zc301_core.c中的
       err = video_register_device(cam->v4ldev, VFL_TYPE_GRABBER,
                          video_nr[dev_nr]);
       Video核心层(drivers/media/video/videodev.c)提供了注销函数
void video_unregister_device(struct video_device *vfd)
 
2、struct video_device 的构建
              video_device结构包含了视频设备的属性和操作方法。参见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);
       大家发现在这个zc301的驱动中并没有实现struct video_device中的很多操作函数,如:vidioc_querycap、vidioc_g_fmt_cap等。主要原因是struct file_operations zc0301_fops中的zc0301_ioctl实现了前面的所有ioctl操作。所以就不需要在struct video_device再实现struct video_device中的那些操作了。
       另一种实现方法如下:
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中是实现的。video_ioctl2中会根据ioctl不同的cmd来
调用video_device中的操作方法。
3、Video核心层的实现
       参见内核/drivers/media/videodev.c
(1)注册256个视频设备
       static int __init videodev_init(void)
{
int ret;
           if (register_chrdev(VIDEO_MAJOR, VIDEO_NAME, &video_fops)) {
                  return -EIO;
           }
           ret = class_register(&video_class);
……
}
上面的代码注册了256个视频设备,并注册了video_class类。video_fops为这256个设备共同的操作方法。
(2)V4L2驱动注册函数的实现
 
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) //根据不同的type确定设备名称、次设备号
       {
              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: %d\n",
                            __func__, type);
                     return -1;
       }
 
       /* 计算出次设备号 */
       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
                     if (NULL == video_device[i])
                            break;
              if (i == end) {
                     mutex_unlock(&videodev_lock);
                     return -ENFILE;
              }
       }
       video_device[i]=vfd; //保存video_device结构指针到系统的结构数组中,最终的次设备号和i相关。
       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目录下的名称
       ret = device_register(&vfd->class_dev);//结合udev或mdev可以实现自动在/dev下创建设备节点
       ……
}
从上面的注册函数中可以看出V4L2驱动的注册事实上只是完成了设备节点的创建,如:/dev/video0。和video_device结构指针的保存。
(3)视频驱动的打开过程
当用户空间调用open打开对应的视频文件时,如:
int fd = open(/dev/video0, O_RDWR);
对应/dev/video0的文件操作结构是/drivers/media/videodev.c中定义的video_fops。
static const struct file_operations video_fops=
{
       .owner           = THIS_MODULE,
       .llseek            = no_llseek,
       .open             = video_open,
};
奇怪吧,这里只实现了open操作。那么后面的其它操作呢?还是先看看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]; //根据次设备号取出video_device结构
              if (vfl==NULL) {
                     mutex_unlock(&videodev_lock);
                     return -ENODEV;
              }
       }
       old_fops = file->f_op;
       file->f_op = fops_get(vfl->fops);//替换此打开文件的file_operation结构。后面的其它针对此文件的操作都由新的结构来负责了。也就是由每个具体的video_device的fops负责。
       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);
       }
……
}

 
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