一文带你了解V4L2

1、什么是v4l2

V4L2（Video4Linux的缩写）是Linux下关于视频采集相关设备的驱动框架，为驱动和应用程序提供了一套统一的接口规范。

V4L2支持的设备十分广泛，但是其中只有很少一部分在本质上是真正的视频设备：

•Video capture device ：从摄像头等设备上获取视频数据。对很多人来讲，video capture是V4L2的基本应用。设备名称为/dev/video,主设备号81，子设备号0~63•Video output device ：将视频数据编码为模拟信号输出。与video capture设备名相同。•Video overlay device ：将同步锁相视频数据（如TV）转换为VGA信号，或者将抓取的视频数据直接存放到视频卡的显存中。•Video output overlay device ：也被称为OSD(On-Screen Display)•VBI device ：提供对VBI（Vertical Blanking Interval）数据的控制，发送VBI数据或抓取VBI数据。设备名/dev/vbi0~vbi31,主设备号81,子设备号224~255•Radio device ：FM/AM发送和接收设备。设备名 /dev/radio0~radio63,主设备号81，子设备号64~127

V4L2在Linux系统中的结构图如下： null

2、从应用层看V4L2

从V4L2简单框图可以看出,V4L2是一个字符设备，而V4L2的大部分功能都是通过设备文件的ioctl导出的。

可以将这些ioctl分类如下：

•Query Capability:查询设备支持的功能，只有VIDIOC_QUERY_CAP一个。•优先级相关：包括VIDIOC_G_PRIORITY,VIDIOC_S_PRIORITY,设置优先级。•capture相关：视频捕获相关Ioctl。

capture ioctl list ID 描述

VIDIOC_ENUM_FMT    枚举设备所支持的所有数据格式
VIDIOC_S_FMT    设置数据格式
VIDIOC_G_FMT    获取数据格式
VIDIOC_TRY_FMT    与VIDIOC_S_FMT一样，但不会改变设备的状态
VIDIOC_REQBUFS    向设备请求视频缓冲区，即初始化视频缓冲区
VIDIOC_QUERYBUF    查询缓冲区的状态
VIDIOC_QBUF    从设备获取一帧视频数据
VIDIOC_DQBUF    将视频缓冲区归回给设备，
VIDIOC_OVERLAY    开始或者停止overlay
VIDIOC_G_FBUF    获取video overlay设备或OSD设备的framebuffer参数
VIDIOC_S_FBUF    设置framebuffer参数
VIDIOC_STREAMON    开始流I/O操作，capture or output device
VIDIOC_STREAMOFF    关闭流I/O操作

•TV视频标准：

TV Standard ID 描述 VIDIOC_ENUMSTD 枚举设备支持的所有标准 VIDIOC_G_STD 获取当前正在使用的标准 VIDIOC_S_STD 设置视频标准 VIDIOC_QUERYSTD 有的设备支持自动侦测输入源的视频标准，此时使用此ioctl查询侦测到的视频标准

•input/output：

Input / Output ID 描述

VIDIOC_ENUMINPUT    枚举所有input端口
VIDIOC_G_INPUT    获取当前正在使用的input端口
VIDIOC_S_INPUT    设置将要使用的input端口
VIDIOC_ENUMOUTPUT    枚举所有output端口
VIDIOC_G_OUTPUT    获取当前正在使用的output端口
VIDIOC_S_OUTPUT    设置将要使用的output端口
VIDIOC_ENUMAUDIO    枚举所有audio input端口
VIDIOC_G_AUDIO    获取当前正在使用的audio input端口
VIDIOC_S_AUDIO    设置将要使用的audio input端口
VIDIOC_ENUMAUDOUT    枚举所有audio output端口
VIDIOC_G_AUDOUT    获取当前正在使用的audio output端口
VIDIOC_S_AUDOUT    设置将要使用的audio output端口

•controls：设备特定的控制，例如设置对比度，亮度•controls ID 描述*

VIDIOC_QUERYCTRL    查询指定control的详细信息
VIDIOC_G_CTRL    获取指定control的值
VIDIOC_S_CTRL    设置指定control的值
VIDIOC_G_EXT_CTRLS    获取多个control的值
VIDIOC_S_EXT_CTRLS    设置多个control的值
VIDIOC_TRY_EXT_CTRLS    与VIDIOC_S_EXT_CTRLS相同，但是不改变设备状态
VIDIOC_QUERYMENU    查询menu

•其他杂项：•controls ID 描述*

VIDIOC_G_MODULATOR     
VIDIOC_S_MODULATOR     
VIDIOC_G_CROP     
VIDIOC_S_CROP     
VIDIOC_G_SELECTION     
VIDIOC_S_SELECTION     
VIDIOC_CROPCAP     
VIDIOC_G_ENC_INDEX     
VIDIOC_ENCODER_CMD     
VIDIOC_TRY_ENCODER_CMD     
VIDIOC_DECODER_CMD     
VIDIOC_TRY_DECODER_CMD     
VIDIOC_G_PARM     
VIDIOC_S_PARM     
VIDIOC_G_TUNER     
VIDIOC_S_TUNER     
VIDIOC_G_FREQUENCY     
VIDIOC_S_FREQUENCY     
VIDIOC_G_SLICED_VBI_CAP     
VIDIOC_LOG_STATUS     
VIDIOC_DBG_G_CHIP_IDENT     
VIDIOC_S_HW_FREQ_SEEK     
VIDIOC_ENUM_FRAMESIZES     
VIDIOC_ENUM_FRAMEINTERVALS     
VIDIOC_ENUM_DV_PRESETS     
VIDIOC_S_DV_PRESET     
VIDIOC_G_DV_PRESET     
VIDIOC_QUERY_DV_PRESET     
VIDIOC_S_DV_TIMINGS     
VIDIOC_G_DV_TIMINGS     
VIDIOC_DQEVENT     
VIDIOC_SUBSCRIBE_EVENT     
VIDIOC_UNSUBSCRIBE_EVENT     
VIDIOC_CREATE_BUFS     
VIDIOC_PREPARE_BUF

v4l2设备的基本操作流程如下

1、打开设备，例如 fd = open("/dev/video0",0)

2、查询设备能力. 例如:

struct capability cap;
ioctl(fd,VIDIOC_QUERYCAP,&cap)

3、设置优先级(可选)

4、配置设备。

包括：

•视频输入源的视频标准，VIDIOC_*_STD•视频数据的格式 , VIDIOC_*_FMT•视频输入端口, VIDIOC_*_INPUT•视频输出端口，VIDIOC_*_OUTPUT

5、启动设备开始I/O操作。V4L2支持一下三种I/O方式：

•Read/Write：通过调用设备节点文件的Read/Write函数，与设备交互数据。打开设备后，默认使用的是此方法。•Stream I/O：流操作，只传递数据缓冲区指针，不拷贝数据。使用此方法，需要调用VIDIOC_REQBUFS ioctl来通知设备。流操作I/O有两种方式memory map和user buffer。（具体区别后面章节介绍）•overlay ：也可以理解为memory to memory 传输。将数据从内存拷贝到显存中。overlay设备独有的。

对于Capture device可以以如下方式启动设备：

•调用VIDIOC_REQBUFS ioctl来分配缓冲区队列；•调用VIDIOC_STREAMON ioctl通知设备开始stream IO•调用VIDIOC_QBUF ioctl从设备获取一帧视频数据；•使用完数据后，调用VIDIOC_DQBUF将缓冲区还给设备，以便设备填充下一帧数据。

6、释放资源并关闭设备。

1.3、从驱动层看V4L2

在驱动层，V4L2为驱动编写者做了很多工作。只需要实现硬件相关的代码，并且注册相关设备即可。

硬件相关代码的编写，除了编写具体硬件的控制代码外，最主要的就是将代码与V4L2框架绑定。绑定主要分为以下两个部分：

•关系绑定：也就是要将我们自己的结构体，与V4L2框架中相关连的结构体绑定在一起。•iocontrol等函数绑定：将V4L2所定义的空的函数指针，与自己的函数绑定在一起。

3.1 关系绑定

提到关系绑定，就必须介绍下V4L2几个重要结构体。

•struct video_device：主要的任务就是负责向内核注册字符设备•struct v4l2_device：一个硬件设备可能包含多个子设备，比如一个电视卡除了有capture设备，可能还有VBI设备或者FM tunner。而v4l2_device就是所有这些设备的根节点，负责管理所有的子设备。•struct v4l2_subdev：子设备，负责实现具体的功能。

v4l2_device,v4l2_subdev可以看作所有设备和子设备的基类。我们在编写自己的驱动时，往往需要继承这些设备基类，添加一些自己的数据成员。例如第三章要讲到的soc_camera_host结构体，就是继承v4l2_device，并添加了互斥锁、子设备列表等成员变量。

null

绑定的基本流程

根据需要”重载”v4l2_device或v4l2_subdev结构体，添加需要的结构体成员。例如：

•linux/include/media/soc_camera.h文件中soc_camera_host重载了v4l2_device：

struct soc_camera_host {
struct v4l2_device v4l2_dev;
struct list_head list;
struct mutex host_lock;         /* Protect during probing */
unsigned char nr;               /* Host number */
void *priv;
const char *drv_name;
struct soc_camera_host_ops *ops;
};

•linux/drivers/media/video/Ml86v7667.c中ml86v7667_priv结构体”重载”了v4l2_subdev：

struct ml86v7667_priv {struct v4l2_subdev                sd;struct v4l2_ctrl_handler  hdl;v4l2_std_id                       std;
};

v4l2_device与V4L2框架的绑定：通过调用v4l2_device_register函数实现。例如，上面提到的soc_camera_host的绑定：

int soc_camera_host_register(struct soc_camera_host *ici)
{struct soc_camera_host *ix;int ret;if (!ici || !ici->ops ||!ici->ops->try_fmt ||!ici->ops->set_fmt ||!ici->ops->set_bus_param ||!ici->ops->querycap ||((!ici->ops->init_videobuf ||!ici->ops->reqbufs) &&!ici->ops->init_videobuf2) ||!ici->ops->add ||!ici->ops->remove ||!ici->ops->poll ||!ici->v4l2_dev.dev)return -EINVAL;if (!ici->ops->set_crop)ici->ops->set_crop = default_s_crop;if (!ici->ops->get_crop)ici->ops->get_crop = default_g_crop;if (!ici->ops->cropcap)ici->ops->cropcap = default_cropcap;if (!ici->ops->set_parm)ici->ops->set_parm = default_s_parm;if (!ici->ops->get_parm)ici->ops->get_parm = default_g_parm;if (!ici->ops->enum_fsizes)ici->ops->enum_fsizes = default_enum_fsizes;mutex_lock(&list_lock);list_for_each_entry(ix, &hosts, list) {if (ix->nr == ici->nr) {ret = -EBUSY;goto edevreg;}}ret = v4l2_device_register(ici->v4l2_dev.dev, &ici->v4l2_dev);if (ret < 0)goto edevreg;list_add_tail(&ici->list, &hosts);mutex_unlock(&list_lock);mutex_init(&ici->host_lock);scan_add_host(ici);return 0;edevreg:mutex_unlock(&list_lock);return ret;}

v4l2_subdev与v4l2_device的绑定：通过v4l2_device_register_subdev函数，将subdev注册到根节点上。例如：

static int soc_camera_platform_probe(struct platform_device *pdev)
{struct soc_camera_host *ici;struct soc_camera_platform_priv *priv;struct soc_camera_platform_info *p = pdev->dev.platform_data;struct soc_camera_device *icd;int ret;if (!p)return -EINVAL;if (!p->icd) {dev_err(&pdev->dev,"Platform has not set soc_camera_device pointer!\n");return -EINVAL;}priv = kzalloc(sizeof(*priv), GFP_KERNEL);if (!priv)return -ENOMEM;icd = p->icd;/* soc-camera convention: control's drvdata points to the subdev */platform_set_drvdata(pdev, &priv->subdev);/* Set the control device reference */icd->control = &pdev->dev;ici = to_soc_camera_host(icd->parent);v4l2_subdev_init(&priv->subdev, &platform_subdev_ops);v4l2_set_subdevdata(&priv->subdev, p);strncpy(priv->subdev.name, dev_name(&pdev->dev), V4L2_SUBDEV_NAME_SIZE);ret = v4l2_device_register_subdev(&ici->v4l2_dev, &priv->subdev);if (ret)goto evdrs;return ret;evdrs:platform_set_drvdata(pdev, NULL);kfree(priv);return ret;
}

video_device与v4l2_device的绑定：将v4l2_device的地址赋值给video_device的v4l2_dev即可。

3.2 函数绑定

在v4l2 framework 简略版图中，绿色的方框都是需要我们绑定并实现的。

其中v4l2_file_operations和v4l2_ioctl_ops是必须实现的。而v4l2_subdev_ops下的八类ops中，v4l2_subdev_core_ops是必须实现的，其余需要根据设备类型选择实现的。比如video capture类设备需要实现v4l2_subdev_core_ops, v4l2_subdev_video_ops。

•v4l2_file_operations：实现文件类操作，比如open,close,read,write,mmap等。但是ioctl是不需要实现的，一般都是用video_ioctl2代替。例如linux/drivers/media/video/soc_camera.c文件中soc_camera_fops的实现：

static struct v4l2_file_operations soc_camera_fops = {.owner          = THIS_MODULE,.open           = soc_camera_open,.release        = soc_camera_close,.unlocked_ioctl = video_ioctl2,.read           = soc_camera_read,.mmap           = soc_camera_mmap,.poll           = soc_camera_poll,
};

•v4l2_ioctl_ops：V4L2导出给应用层使用的所有ioctl都是在这个地方实现的。但不必全部实现，只实现自己相关的ioctl即可。例如linux/drivers/media/video/soc_camera.c中soc_camera_ioctl_ops的实现：

static const struct v4l2_ioctl_ops soc_camera_ioctl_ops = {.vidioc_querycap         = soc_camera_querycap,.vidioc_try_fmt_vid_cap  = soc_camera_try_fmt_vid_cap,.vidioc_g_fmt_vid_cap    = soc_camera_g_fmt_vid_cap,.vidioc_s_fmt_vid_cap    = soc_camera_s_fmt_vid_cap,.vidioc_enum_fmt_vid_cap = soc_camera_enum_fmt_vid_cap,.vidioc_enum_input       = soc_camera_enum_input,.vidioc_g_input          = soc_camera_g_input,.vidioc_s_input          = soc_camera_s_input,.vidioc_s_std            = soc_camera_s_std,.vidioc_g_std            = soc_camera_g_std,.vidioc_enum_framesizes  = soc_camera_enum_fsizes,.vidioc_reqbufs          = soc_camera_reqbufs,.vidioc_querybuf         = soc_camera_querybuf,.vidioc_qbuf             = soc_camera_qbuf,.vidioc_dqbuf            = soc_camera_dqbuf,.vidioc_create_bufs      = soc_camera_create_bufs,.vidioc_prepare_buf      = soc_camera_prepare_buf,.vidioc_streamon         = soc_camera_streamon,.vidioc_streamoff        = soc_camera_streamoff,.vidioc_cropcap          = soc_camera_cropcap,.vidioc_g_crop           = soc_camera_g_crop,.vidioc_s_crop           = soc_camera_s_crop,.vidioc_g_parm           = soc_camera_g_parm,.vidioc_s_parm           = soc_camera_s_parm,.vidioc_g_chip_ident     = soc_camera_g_chip_ident,
#ifdef CONFIG_VIDEO_ADV_DEBUG.vidioc_g_register       = soc_camera_g_register,.vidioc_s_register       = soc_camera_s_register,
#endif
};

•v4l2_subdev_ops：v4l2_subdev有可能需要实现的ops的总合。分为8类，core,audio,video,vbi,tuner......等。例如， linuxdriversmediavideosoc_camera_platform.c中platform_subdev_ops的实现

static struct v4l2_subdev_video_ops platform_subdev_video_ops = {.s_stream       = soc_camera_platform_s_stream,.enum_mbus_fmt  = soc_camera_platform_enum_fmt,.cropcap        = soc_camera_platform_cropcap,.g_crop         = soc_camera_platform_g_crop,.try_mbus_fmt   = soc_camera_platform_fill_fmt,.g_mbus_fmt     = soc_camera_platform_fill_fmt,.s_mbus_fmt     = soc_camera_platform_fill_fmt,.g_mbus_config  = soc_camera_platform_g_mbus_config,
};static struct v4l2_subdev_ops platform_subdev_ops = {.core   = &platform_subdev_core_ops,.video  = &platform_subdev_video_ops,
};

函数绑定只是将驱动所实现的函数赋值给相关的变量即可。