摄像头驱动——V4L2框架分析

一、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）

二、如何写字符设备驱动

1、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
　　一般采用register_chrdev的代替方法：分配、设置cdev，cdev_add

2、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我们做好，即在fbmem.c
　　1.构造file_operations（open/ read /write ...）
　　2.注册

　　3.入口、出口

我们做的是硬件相关层，供上层file_operations调用
　　1.分配一个fb_info 结构体
　　2.设置
　　3.注册
　　4.硬件相关的操作

三、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，猜测V4L2  框架 肯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)     
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    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

四、通过vivi.c分析v4l2核心驱动框架

（virtual video driver ）虚拟视频驱动

分析如下：

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
        .*vfd = vivi_template;        //内容设置为vivi_template
              /*最底层的vivi 操作函数*/
              static struct video_device vivi_template = {
                  .name             = "vivi",
                  .fops           = &vivi_fops,
                  .ioctl_ops        = &vivi_ioctl_ops,
                      ...
                  };

        .vfd->v4l2_dev = &dev->v4l2_dev; 

        .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, , , , );
            dev->brightness = v4l2_ctrl_new_std(hdl, &vivi_ctrl_ops,
                    V4L2_CID_BRIGHTNESS, , , , );
            dev->contrast = v4l2_ctrl_new_std(hdl, &vivi_ctrl_ops,
                    V4L2_CID_CONTRAST, , , , );
                ...
                              //    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
. open
app:    open ("/dev/video0",...)
----------------------------------------------
drv:    v4l2_open
            vdev = video_devdata(filp); //根据次设备号从数组中得到video_device
                ret = vdev->fops->open(filp);//调用open函数
                调用vivi.c 里的v4l2_fh_open

. read
app:    read...
----------------------------------------------
drv:    v412_read
            struct video_device *vdev = video_devdata(filp);
            ret = vdev->fops->read(filp, buf, sz, off);

. 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，然后调用__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来获得、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主要完成了以下工作：

1 、初始化 v4l2_device结构体（代表一个 v4l2设备）

　　　v4l2_device_register、 v4l2_device

2、分配video_device结构体

　　　vfd = video_device_alloc()

3、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  ）

4、 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可以通过ioctl来设置（获得）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
  　　　  这些函数就是创建各个属性，并且放入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。