摄像头驱动——V4L2框架分析

1、概述

Video for Linux 2，简称V4l2，是Linux内核中关于视频设备的内核驱动框架，为上层的访问底层的视频设备提供了统一的接口。

摄像头驱动是属于字符设备驱动程序。（分析linux3.4.2内核）

2、如何写字符设备驱动

一、对于简单的驱动：

　　1）.构造一个file_operations:.open=drv_open .read=drv_read
　　2）.告诉内核：register_chrdev(主设备号，名字，&file_operations)
　　3）.入口函数：调用register_chrdev
　　4）.出口函数：卸载
　　通常采用register_chrdev的代替方法：分配、设置cdev，cdev_add

二、对于稍复杂的驱动程序采用分层思想

例如LCD驱动中分为两层：上层通用的核心层内核已经帮咱们作好，即在fbmem.c
　　1.构造file_operations（open/ read /write ...）
　　2.注册 

 　　3.入口、出口

咱们作的是硬件相关层，供上层file_operations调用
　　1.分配一个fb_info 结构体
　　2.设置
　　3.注册
　　4.硬件相关的操做

3、分析V4L2框架

把usb设备接到系统前台，会有打印信息，根据打印信息在内核里找出驱动，用dmsg命令查看；
grep "Found UVC" * -nR 搜索 在uvc_driver.c里，这是个硬件相关的驱动。

分析代码，猜想V4L2  框架 确定也是分为至少两层  。

 

应用层：

/*调用 open read write -->调用 v4l2_fops 里的 open read write->调用硬件相关层的video_device 里提供的函数*/
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核心层：v4l2-dev.c   __video_register_device  
   　　 构造：v4l2_fops（

　　　　　　　　.read = v4l2_read,
    　　　　　　   .write = v4l2_write,
                             .open = v4l2_open, ...）
    　　注册：
   　　　　 vdev->cdev = cdev_alloc();     //1.字符设备cdev_alloc
  　　　　  vdev->cdev->ops = &v4l2_fops;   //2.设置fops
    　　　　cdev_add(vdev->cdev, MKDEV(VIDEO_MAJOR, vdev->minor), 1);  //3.cdev_add

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硬件相关层：如uvc_driver.c   Found UVC

　　     ->v4l2_device_register(这个不重要)
   　　 ->video_device_alloc->video_register_device(向核心层注册) 
           ->v4l2-dev.h->__video_register_device(v4l2-dev.c)     
---------------------------------------------------------------------------------------------------------    
    即分配结构体  video_device （里面的函数供上层v4l2_fops调用）   
    设置  注册video_register_device            

 

4、经过vivi.c分析v4l2核心驱动框架

（virtual video driver ）虚拟视频驱动

 分析以下：

vivi_init （入口函数） vivi_create_instance(i); v4l2_device_register //非主要,仅初始化一些锁等，实际未注册啥
            spin_lock_init(&v4l2_dev->lock); ... get_device(dev); v4l2_dev->dev = dev; vfd = video_device_alloc(); //分配video_device //设置
        1.*vfd = vivi_template;        //内容设置为vivi_template
              /*最底层的vivi 操做函数*/
              static struct video_device vivi_template = { .name = "vivi", .fops           = &vivi_fops, .ioctl_ops = &vivi_ioctl_ops, ... }; 2.vfd->v4l2_dev = &dev->v4l2_dev; 3.设置“Ctrl属性”（用于APP的ioctl），音量、亮度、增益等 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); ... // 结构体vfd 类型 number
        video_register_device(video_device, VFL_TYPE_GRABBER, nr); //向上注册
 __video_register_device /* Part 1: check device type */ 检验设备类型 ... /* Part 2: find a free minor, device node number and device index. */ ... 互斥锁相关 /* Part 3: Initialize the character device */ 初始化字符设备 vdev->cdev = cdev_alloc(); vdev->cdev->ops = &v4l2_fops; cdev_add ... /* Part 6: Activate this minor. The char device can now be used. */ video_device[vdev->minor] = vdev; //以次设备号为下标，将vdev存入数组


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 分析vivi.c的open、read、write、ioctl过程 1. open app: open ("/dev/video0",...) ---------------------------------------------- drv: v4l2_open vdev = video_devdata(filp); //根据次设备号从数组中获得video_device
                ret = vdev->fops->open(filp);//调用open函数
 调用vivi.c 里的v4l2_fh_open 2. read app: read... ---------------------------------------------- drv: v412_read struct video_device *vdev = video_devdata(filp); ret = vdev->fops->read(filp, buf, sz, off); 3. ioctl app: ioctl ---------------------------------------------- drv: v4l2_fops.unlocked_ioctl v4l2_ioctl struct video_device *vdev = video_devdata(filp); ret = vdev->fops->unlocked_ioctl(filp, cmd, arg); 调用vivi.c 里的video_ioctl2 /*把用户空间的参数复制进来，而后调用__video_do_ioctl*/ video_usercopy(file, cmd, arg, __video_do_ioctl); __video_do_ioctl *vdev = video_devdata(filp) 根据APP传入的cmd来得到、设置某些属性
　　　　　　　　　　　　　　　　 /*在vivi.c 里一开始的vivi_create_instance里设置*/

 由上分析可知vivi.c主要完成了如下工做：

1 、初始化 v4l2_device结构体（表明一个 v4l2设备） 

　　　v4l2_device_register、 v4l2_device

二、分配video_device结构体

　　　vfd = video_device_alloc()

三、设置video_device结构

　　　a、 .vfd->v4l2_dev

　　　b、vfd：

　　　　　　.fops    设置vfd的fops 里的open、read、write 被上层调用

　　　　　　.ioctl_ops   最终会调用到ioctl（设置属性被上层调用  ）

四、 注册video_device结构体

　　（video_device 是内核对 v4l2_device的官方封装，用于管理v4l2_device数据），向上层用户提供访问接口
　　  video_register_device

 

问：APP能够经过ioctl来设置（得到）亮度等信息，在驱动程序里，谁来接收、存储、设置到硬件（提供这些信息）？

答：在驱动程序中抽象出来一个结构体v4l2_ctrl, 每一个Ctrl对应其中的一项（音量、亮度等等）；
       由v4l2_ctrl_handler来管理他们

　　1.初始化
  　　　  v4l2_ctrl_handler_init 
 　   2.设置
   　　　 v4l2_ctrl_new_std
    　　　v4l2_ctrl_new_custom
  　　　  这些函数就是建立各个属性，而且放入v4l2_ctrl_handler的链表
 　   3.跟vdev关联
    　　　dev->v4l2_dev.ctrl_handler = hdl;

小结：

v4l2框架并未脱离字符设备驱动框架，只是ioctl的实现较为复杂。