NO.3 V4L2的API和數據結構
V4L2是V4L的升級版本，為linux下視頻設備程序提供了一套接口規范。包括一套數據結構和底層V4L2驅動接口。
1、常用的結構體在內核目錄include/linux/videodev2.h中定義
struct v4l2_requestbuffers //申請幀緩沖，對應命令VIDIOC_REQBUFS
struct v4l2_capability //視頻設備的功能，對應命令VIDIOC_QUERYCAP
struct v4l2_input //視頻輸入信息，對應命令VIDIOC_ENUMINPUT
struct v4l2_standard //視頻的制式，比如PAL，NTSC，對應命令VIDIOC_ENUMSTD
struct v4l2_format //幀的格式，對應命令VIDIOC_G_FMT、VIDIOC_S_FMT等
struct v4l2_buffer //驅動中的一幀圖像緩存，對應命令VIDIOC_QUERYBUF
struct v4l2_crop //視頻信號矩形邊框
v4l2_std_id //視頻制式
2、常用的IOCTL接口命令也在include/linux/videodev2.h中定義
VIDIOC_REQBUFS //分配內存
VIDIOC_QUERYBUF //把VIDIOC_REQBUFS中分配的數據緩存轉換成物理地址
VIDIOC_QUERYCAP //查詢驅動功能
VIDIOC_ENUM_FMT //獲取當前驅動支持的視頻格式
VIDIOC_S_FMT //設置當前驅動的頻捕獲格式
VIDIOC_G_FMT //讀取當前驅動的頻捕獲格式
VIDIOC_TRY_FMT //驗證當前驅動的顯示格式
VIDIOC_CROPCAP //查詢驅動的修剪能力
VIDIOC_S_CROP //設置視頻信號的矩形邊框
VIDIOC_G_CROP //讀取視頻信號的矩形邊框
VIDIOC_QBUF //把數據從緩存中讀取出來
VIDIOC_DQBUF //把數據放回緩存隊列
VIDIOC_STREAMON //開始視頻顯示函數
VIDIOC_STREAMOFF //結束視頻顯示函數
VIDIOC_QUERYSTD //檢查當前視頻設備支持的標准，例如PAL或NTSC。
3、操作流程
V4L2提供了很多訪問接口，你可以根據具體需要選擇操作方法。需要注意的是，很少有驅動完全實現了所有的接口功能。所以在使用時需要參考驅動源碼，或仔細閱讀驅動提供者的使用說明。
下面列舉出一種操作的流程，供參考。
（1）打開設備文件
int fd = open(Devicename,mode);
Devicename：/dev/video0、/dev/video1 ……
Mode：O_RDWR [| O_NONBLOCK]
如果使用非阻塞模式調用視頻設備，則當沒有可用的視頻數據時，不會阻塞，而立刻返回。
（2）取得設備的capability
struct v4l2_capability capability；
int ret = ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &capability);
看看設備具有什么功能，比如是否具有視頻輸入特性。
（3）選擇視頻輸入
struct v4l2_input input；
……初始化input
int ret = ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &input);
一個視頻設備可以有多個視頻輸入。如果只有一路輸入，這個功能可以沒有。
（4）檢測視頻支持的制式
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）設置視頻捕獲格式
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）向驅動申請幀緩存
struct v4l2_requestbuffers req;
if (ioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &req) == -1) {
return -1;
}
v4l2_requestbuffers結構中定義了緩存的數量，驅動會據此申請對應數量的視頻緩存。多個緩存可以用於建立FIFO，來提高視頻采集的效率。
（7）獲取每個緩存的信息，並mmap到用戶空間
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++) {//映射所有的緩存 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) {//獲取到對應index的緩存信息，此處主要利用length信息及offset信息來完成后面的mmap操作。 return -1; } buffers[numBufs].length = buf.length; // 轉換成相對地址 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）開始采集視頻
int buf_type= V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE；
int ret = ioctl(fd, VIDIOC_STREAMON, &buf_type);
（9）取出FIFO緩存中已經采樣的幀緩存
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;
}
根據返回的buf.index找到對應的mmap映射好的緩存，取出視頻數據。
（10）將剛剛處理完的緩沖重新入隊列尾，這樣可以循環采集
if (ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf) == -1) {
return -1;
}
（11）停止視頻的采集
int ret = ioctl(fd, VIDIOC_STREAMOFF, &buf_type);
（12）關閉視頻設備
close(fd);
NO.4 V4L2的驅動架構
上述流程的各個操作都需要有底層V4L2驅動的支持。內核中有一些非常完善的例子。
比如：linux-2.6.26內核目錄/drivers/media/video//zc301/zc301_core.c 中的ZC301視頻驅動代碼。上面的V4L2操作流程涉及的功能在其中都有實現。
1、V4L2驅動注冊、注銷函數
Video核心層（drivers/media/video/videodev.c）提供了注冊函數
int video_register_device(struct video_device *vfd, int type, int nr)
video_device: 要構建的核心數據結構
Type: 表示設備類型，此設備號的基地址受此變量的影響
Nr: 如果end-base>nr>0 ：次設備號=base（基准值，受type影響）+nr；
否則：系統自動分配合適的次設備號
具體驅動只需要構建video_device結構，然后調用注冊函數既可。
如：zc301_core.c中的
err = video_register_device(cam->v4ldev, VFL_TYPE_GRABBER,
video_nr[dev_nr]);
Video核心層（drivers/media/video/videodev.c）提供了注銷函數
void video_unregister_device(struct video_device *vfd)
2、struct video_device 的構建
video_device結構包含了視頻設備的屬性和操作方法。參見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);
大家發現在這個zc301的驅動中並沒有實現struct video_device中的很多操作函數，如：vidioc_querycap、vidioc_g_fmt_cap等。主要原因是struct file_operations zc0301_fops中的zc0301_ioctl實現了前面的所有ioctl操作。所以就不需要在struct video_device再實現struct video_device中的那些操作了。
另一種實現方法如下：
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中是實現的。video_ioctl2中會根據ioctl不同的cmd來
調用video_device中的操作方法。
3、Video核心層的實現
參見內核/drivers/media/videodev.c
（1）注冊256個視頻設備
static int __init videodev_init(void) { int ret; if (register_chrdev(VIDEO_MAJOR, VIDEO_NAME, &video_fops)) { return -EIO; } ret = class_register(&video_class); …… }
上面的代碼注冊了256個視頻設備，並注冊了video_class類。video_fops為這256個設備共同的操作方法。
（2）V4L2驅動注冊函數的實現
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) //根據不同的type確定設備名稱、次設備號 { 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; } /* 計算出次設備號 */ 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<end;i++) if (NULL == video_device[i]) break; if (i == end) { mutex_unlock(&videodev_lock); return -ENFILE; } } video_device[i]=vfd; //保存video_device結構指針到系統的結構數組中，最終的次設備號和i相關。 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目錄下的名稱 ret = device_register(&vfd->class_dev);//結合udev或mdev可以實現自動在/dev下創建設備節點 …… }
從上面的注冊函數中可以看出V4L2驅動的注冊事實上只是完成了設備節點的創建，如：/dev/video0。和video_device結構指針的保存。
（3）視頻驅動的打開過程
當用戶空間調用open打開對應的視頻文件時，如：
int fd = open(/dev/video0, O_RDWR);
對應/dev/video0的文件操作結構是/drivers/media/videodev.c中定義的video_fops。
static const struct file_operations video_fops=
{
.owner = THIS_MODULE,
.llseek = no_llseek,
.open = video_open,
};
奇怪吧，這里只實現了open操作。那么后面的其它操作呢？還是先看看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]; //根據次設備號取出video_device結構 if (vfl==NULL) { mutex_unlock(&videodev_lock); return -ENODEV; } } old_fops = file->f_op; file->f_op = fops_get(vfl->fops);//替換此打開文件的file_operation結構。后面的其它針對此文件的操作都由新的結構來負責了。也就是由每個具體的video_device的fops負責。 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); } …… }