UVC 设备框架在 Linux 4.15 内核的演变

1. 概述

发现之前的uvc框架和现在的还是有一些差别的（比如从videobuf 过渡到videobuf2），写个blog记录一下，方便以后查询，我的内核版本：Linux 4.15

  • UVC（USB Video Class）设备框架是建立在V4L2（Video4Linux version 2）子系统之上的。UVC框架主要负责管理通过USB接口连接的视频捕获设备，如网络摄像头。

2. 流程分析

  • 打开设备文件 ： 应用程序通过文件I/O打开设备时，内核创建一个uvc_fh 文件句柄实例，将其关联到特定的视频流
  • 缓冲区队列操作：uvc_fh通过它的视频流uvc_streaming 结构体间接操作vb2_queue ，以执行如缓冲区排队（qbuf），和缓冲区准备（reqbufs）等操作
  • 数据流传输： 视频数据通过 vb2_buffer 结构体在用户空间和UVC硬件之间传输

3. 主要的内核结构体

图1
可以看出当前版本下的UVC驱动和V4L2之间的交互非常密切。V4L2是Linux内核中用于处理视频捕获和输出设备的一个标准API框架，而UVC驱动则是V4L2框架下用于支持符合USB视频类规范的摄像头和其他视频设备的一个具体实现

3.1 UVC驱动和V4L2之间主要的交互方式：

  1. 设备注册和初始化
    UVC驱动在系统启动或USB视频设备插入时，会被初始化并注册为V4L2设备。这一过程包括设置设备的V4L2能力、支持的格式、控制操作等，确保UVC设备能够通过V4L2接口与用户空间应用程序交互。
  2. 控制查询和设置
    UVC驱动实现了一系列V4L2控制类（control class）接口，允许用户空间应用程序查询和设置视频设备的参数，如亮度、对比度、饱和度等。这些控制操作通过UVC驱动转换为USB传输，与硬件设备交互。
  3. 缓冲区管理
    UVC驱动使用V4L2提供的videobuf2 API来管理视频帧的缓冲区。这包括缓冲区的分配、队列管理、数据传输等。Videobuf2作为V4L2的一部分，提供了一个高效的机制来处理视频数据的缓冲和流转。
  4. 数据流控制
    用户空间应用程序可以通过V4L2接口来启动和停止视频流。UVC驱动响应这些请求，通过USB接口与硬件设备进行交互，控制视频数据的捕获和传输。
  5. 事件处理
    UVC驱动能够处理来自硬件的事件，比如状态变化、错误报告等，并通过V4L2框架将这些事件上报给用户空间应用程序，使得应用程序能够对特定的硬件事件做出响应。
  6. 格式协商
    在视频捕获或输出过程中，UVC驱动和用户空间应用程序会通过V4L2接口进行格式协商，确定视频数据的格式、分辨率、帧率等参数。UVC驱动根据这些协商结果配置USB视频设备，以满足应用程序的需求。

4. UVC_Driver 驱动入口出口函数

static int __init uvc_init(void)
{
...ret = usb_register(&uvc_driver.driver);return 0;
...
}static void __exit uvc_cleanup(void)
{usb_deregister(&uvc_driver.driver);
}
module_init(uvc_init);
module_exit(uvc_cleanup);

接下里就是关于uvc_driver 结构体

struct uvc_driver uvc_driver = {.driver = {.name		= "uvcvideo",.probe		= uvc_probe,.disconnect	= uvc_disconnect,.suspend	= uvc_suspend,.resume		= uvc_resume,.reset_resume	= uvc_reset_resume,.id_table	= uvc_ids,.supports_autosuspend = 1,},
};

4.1 uvc_probe

这里主要是分配 设置 设置结构体，以及一些其他的操作

4.1.1 分配 uvc_device

if ((dev = kzalloc(sizeof *dev, GFP_KERNEL)) == NULL)INIT_LIST_HEAD(&dev->entities); INIT_LIST_HEAD(&dev->chains);  INIT_LIST_HEAD(&dev->streams);
  • entities： 指的也就是摄像头、输入终端（ITT）、输出终端（OTT）、处理单元（PU）和扩展单元（XU）等。每个实体代表设备的一个功能部分，可能是视频捕获的源头（例如摄像头），或是对视频数据进行处理的模块（例如编码器）。
  • chains： 视频链是由一系列实体（entities）连接而成的路径，从视频捕获的源头开始，经过一系列处理，最终到达输出。每个视频链代表了一种特定的视频流处理流程
  • streams ：视频流可以理解为通过一个特定视频链（chains）实现的数据流，包含实际的视频帧数据
    在这里插入图片描述

解析设备接口描述符 并将信息储存到 uvc_device *dev; 以便后面使用

uvc_parse_control(dev)

4.1.2 分配 uvc_device注册 video 设备节点

  1. 注册uvc设备到V4L2框架下， 将V4L2设备结构体 v4l2_device 与内核结构体device 关联起来使其成为一个可以由用户空间访问和控制的设备
if (v4l2_device_register(&intf->dev, &dev->vdev) < 0)goto error;
  1. 初始化uvc设备的控制项
if (uvc_ctrl_init_device(dev) < 0)goto error;
/* 
uvc_ctrl_init_device 主要就是
1.. 遍历所有与设备管理的实体（比如处理单元PU，控制单元CU等），并且为每
个实体分配了一个 struct uvc_control *ctrl 的结构体
3. 对于每个支持的控制项，函数设置控制的索引，并调用uvc_ctrl_init_ctrl 来进一步初始化控制项。
*/
  1. 扫描设备实体（entities） 并注册成 视频链 （chains）
if (uvc_scan_device(dev) < 0)goto error;
/* 1.遍历所有实体 从输出端OT 反向扫描2.为没用分配到的实体分配视频链结构体3.初始化视频链:4.设置默认标志:
*/
  1. 为识别到的视频链注册到video_device 设备节点
uvc_register_chains(dev)	uvc_register_terms(dev, chain);uvc_register_video(dev, stream);//根据传输终端的 ID 查找视频流并将其注册为设备节点 dev/video x

接下来分析一下uvc_register_video 这里面的函数

a. 首先对uvc_queue 进行初始化， 设置它的队列的类型，以及是否丢帧行为 （uvc_no_drop_param），根据内核结构体那张图，我们还需要将其初始化到vb2_queue 里面去

	ret = uvc_queue_init(&stream->queue, stream->type, !uvc_no_drop_param);if (ret)return ret;
/*
ret = vb2_queue_init(&queue->queue);if (ret)return ret;
*/

可以看出在UVC驱动中，主要是使用videobuf2来管理视频流的数据传输，主要包括以下几个步骤：

  • 初始化队列：UVC驱动在初始化视频流时，会创建并初始化一个vb2_queue结构体实例。这个过程包括指定队列操作的回调函数和设置缓冲区的类型（捕获或输出）。

  • 缓冲区操作：UVC驱动会使用videobuf2提供的API来执行缓冲区的排队（queue）和出队（dequeue）操作

  • 数据处理：当缓冲区准备好数据后（例如，捕获了一帧视频数据），videobuf2框架会通知UVC驱动，驱动随后可以处理这些数据，比如将其传输给用户空间。

  • 与用户空间的交互：videobuf2还处理与用户空间应用程序的交互，包括应用程序对缓冲区的请求、查询和映射操作。

b .初始化视频流 :确保视频流在开始传输数据之前已经正确配置，包括分辨率、帧率等参数

ret = uvc_video_init(stream);if (ret < 0) {uvc_printk(KERN_ERR, "Failed to initialize the device ""(%d).\n", ret);return ret;}

c. 注册视频设备

	/*设置相关的参数*/vdev->v4l2_dev = &dev->vdev;vdev->fops = &uvc_fops;vdev->ioctl_ops = &uvc_ioctl_ops;vdev->release = uvc_release;vdev->prio = &stream->chain->prio;if (stream->type == V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT)vdev->vfl_dir = VFL_DIR_TX;strlcpy(vdev->name, dev->name, sizeof vdev->name);//设置视频设备的私有数据，确保在设备操作中可以访问到关联的 uvc_streaming 结构video_set_drvdata(vdev, stream);ret = video_register_device(vdev, VFL_TYPE_GRABBER, -1);if (ret < 0) {return ret;}

c. 更新视频流和链的能力

	if (stream->type == V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE)stream->chain->caps |= V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE;elsestream->chain->caps |= V4L2_CAP_VIDEO_OUTPUT;atomic_inc(&dev->nstreams); /*更新活跃视频流的计数*/
  1. 将数据指针保存在数据接口中
usb_set_intfdata(intf, dev);
  1. 初始化中断 URB。
if ((ret = uvc_status_init(dev)) < 0) {uvc_printk(KERN_INFO, "Unable to initialize the status ""endpoint (%d), status interrupt will not be ""supported.\n", ret);}

5. UVC驱动的调用过程详解

UVC驱动通过一系列文件操作和IO控制操作（ioctl）来管理视频捕获和控制流程

5.1 核心操作集合

uvc驱动的调用过程主要是涉及之前注册时候设置的

    vdev->fops = &uvc_fops; //文件操作vdev->ioctl_ops = &uvc_ioctl_ops; //ioctl操作

文件操作（uvc_fops）

const struct v4l2_file_operations uvc_fops = {.owner		= THIS_MODULE,.open		= uvc_v4l2_open,.release	= uvc_v4l2_release,.unlocked_ioctl	= video_ioctl2,
#ifdef CONFIG_COMPAT.compat_ioctl32	= uvc_v4l2_compat_ioctl32,
#endif.read		= uvc_v4l2_read,.mmap		= uvc_v4l2_mmap,.poll		= uvc_v4l2_poll,
#ifndef CONFIG_MMU.get_unmapped_area = uvc_v4l2_get_unmapped_area,
#endif
};

IOCTL操作（uvc_ioctl_ops）

const struct v4l2_ioctl_ops uvc_ioctl_ops = {/*最基本的几个参数*/.vidioc_querycap = uvc_ioctl_querycap,.vidioc_enum_fmt_vid_cap = uvc_ioctl_enum_fmt_vid_cap,.vidioc_g_fmt_vid_cap = uvc_ioctl_g_fmt_vid_cap,.vidioc_s_fmt_vid_cap = uvc_ioctl_s_fmt_vid_cap,.vidioc_try_fmt_vid_cap = uvc_ioctl_try_fmt_vid_cap,.vidioc_reqbufs = uvc_ioctl_reqbufs,.vidioc_querybuf = uvc_ioctl_querybuf,.vidioc_qbuf = uvc_ioctl_qbuf,.vidioc_dqbuf = uvc_ioctl_dqbuf,.vidioc_streamon = uvc_ioctl_streamon,/* uvc_ioctl_streamon*1.向USB摄像头设置参数 比如使用那个format 使用这个format下的那个frame（分辨率）*1.1 根据一个uvc_streaming_control 设置数据包，可以手工设置也可以读出*1.2 调用usb_control_msg 发出数据包*2.分配设置URB*3.提交URB以接受数据*/.vidioc_streamoff = uvc_ioctl_streamoff,.vidioc_enum_fmt_vid_out = uvc_ioctl_enum_fmt_vid_out,.vidioc_g_fmt_vid_out = uvc_ioctl_g_fmt_vid_out,.vidioc_s_fmt_vid_out = uvc_ioctl_s_fmt_vid_out,.vidioc_try_fmt_vid_cap = uvc_ioctl_try_fmt_vid_cap,.vidioc_try_fmt_vid_out = uvc_ioctl_try_fmt_vid_out,.vidioc_create_bufs = uvc_ioctl_create_bufs,.vidioc_enum_input = uvc_ioctl_enum_input,.vidioc_g_input = uvc_ioctl_g_input,.vidioc_s_input = uvc_ioctl_s_input,/*查询 查询额外属性 获得 设置属性*/.vidioc_queryctrl = uvc_ioctl_queryctrl,.vidioc_query_ext_ctrl = uvc_ioctl_query_ext_ctrl,.vidioc_g_ctrl = uvc_ioctl_g_ctrl,.vidioc_s_ctrl = uvc_ioctl_s_ctrl,.vidioc_g_ext_ctrls = uvc_ioctl_g_ext_ctrls,.vidioc_s_ext_ctrls = uvc_ioctl_s_ext_ctrls,.vidioc_try_ext_ctrls = uvc_ioctl_try_ext_ctrls,.vidioc_querymenu = uvc_ioctl_querymenu,.vidioc_g_selection = uvc_ioctl_g_selection,/*设置帧间隔*/.vidioc_g_parm = uvc_ioctl _g_parm,.vidioc_s_parm = uvc_ioctl_s_parm,/*枚举支持的分辨率 帧间隔参数*/.vidioc_enum_framesizes = uvc_ioctl_enum_framesizes,.vidioc_enum_frameintervals = uvc_ioctl_enum_frameintervals,.vidioc_subscribe_event = uvc_ioctl_subscribe_event,.vidioc_unsubscribe_event = v4l2_event_unsubscribe,.vidioc_default = uvc_ioctl_default,
};

5.2 主要的调用过程

5.2.1 open

内核创建一个uvc_fh 文件句柄实例，将其关联到特定的视频流，以及初始化V4L2文件句柄

static int uvc_v4l2_open(struct file *file)

5.2.2 VIDIOC_QUERYCAP 查询设备的功能

static int uvc_ioctl_querycap(struct file *file, void *fh,struct v4l2_capability *cap)
{
...usb_make_path(stream->dev->udev, cap->bus_info, sizeof(cap->bus_info));cap->capabilities = V4L2_CAP_DEVICE_CAPS | V4L2_CAP_STREAMING| chain->caps;if (stream->type == V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE)cap->device_caps = V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE | V4L2_CAP_STREAMING;elsecap->device_caps = V4L2_CAP_VIDEO_OUTPUT | V4L2_CAP_STREAMING;return 0;
}

5.2.3 VIDIOC_ENUM_FMT 枚举设备支持的格式

枚举设备支持的格式 ,比如MJPEG或H264等 填充到v4l2_fmtdesc *fmt

static int uvc_ioctl_enum_fmt(struct uvc_streaming *stream,struct v4l2_fmtdesc *fmt)
{struct uvc_format *format;enum v4l2_buf_type type = fmt->type;__u32 index = fmt->index;if (fmt->type != stream->type || fmt->index >= stream->nformats)return -EINVAL;memset(fmt, 0, sizeof(*fmt)); //将fmt结构内存清0 fmt->index = index;fmt->type = type;format = &stream->format[fmt->index];fmt->flags = 0;if (format->flags & UVC_FMT_FLAG_COMPRESSED)fmt->flags |= V4L2_FMT_FLAG_COMPRESSED;strlcpy(fmt->description, format->name, sizeof(fmt->description));fmt->description[sizeof(fmt->description) - 1] = 0;fmt->pixelformat = format->fcc;return 0;
}

5.2.4 VIDIOC_G_FMT 得到当前的支持的格式 比如分辨率等

int uvc_ioctl_g_fmt_vid_cap(struct file *file, void *fh, struct v4l2_format *fmt)
--------->	uvc_v4l2_get_format(stream, fmt); /*跳转到v4l2框架下的函数来进行*/

static int uvc_v4l2_get_format(struct uvc_streaming *stream,struct v4l2_format *fmt)
{
...fmt->fmt.pix.pixelformat = format->fcc;fmt->fmt.pix.width = frame->wWidth;fmt->fmt.pix.height = frame->wHeight;fmt->fmt.pix.field = V4L2_FIELD_NONE; //逐行扫描fmt->fmt.pix.bytesperline = format->bpp * frame->wWidth / 8;fmt->fmt.pix.sizeimage = stream->ctrl.dwMaxVideoFrameSize;fmt->fmt.pix.colorspace = format->colorspace;//色彩空间fmt->fmt.pix.priv = 0;return ret;
...
}

5.2.5 VIDIOC_S_FMT 更新UVC视频流的当前格式和帧大小 以匹配应用程序的请求配置

static int uvc_ioctl_s_fmt_vid_cap(struct file *file, void *fh, struct v4l2_format *fmt)
-------> uvc_v4l2_set_format(stream, fmt);

/*
struct uvc_streaming *stream: 视频流对象的指针。
struct v4l2_format *fmt: 应用程序请求的视频格式信息。
*/
static int uvc_v4l2_set_format(struct uvc_streaming *stream,struct v4l2_format *fmt)
{/*尝试匹配和调整应用请求的格式*/ret = uvc_v4l2_try_format(stream, fmt, &probe, &format, &frame);mutex_lock(&stream->mutex);if (uvc_queue_allocated(&stream->queue)) {/*如果视频流帧缓冲区已经分配，此时不能修改格式*/ret = -EBUSY;}
}

5.2.6 VIDIOC_TRY_FMT 检查格式是否匹配

static int uvc_ioctl_try_fmt_vid_cap(struct file *file, void *fh, struct v4l2_format *fmt)
-------> uvc_v4l2_try_format(stream, fmt, &probe, NULL, NULL);

5.2.3 VIDIOC_REQBUF

static int uvc_ioctl_reqbufs(struct file *file, void *fh, struct v4l2_requestbuffers *rb)
-------> uvc_request_buffers(&stream->queue, rb);
--------->vb2_reqbufs(&queue->queue, rb); //跳转到video_buf2
-----------> __reqbufs(q, req)
--------------> __vb2_queue_alloc(q, req->memory, num_buffers, num_planes)

/*
struct vb2_queue *q: 指向视频缓冲区vb2队列对象的指针。
struct v4l2_requestbuffers *req: 包含了请求分配缓冲区的信息。
*/int vb2_reqbufs(struct vb2_queue *q, struct v4l2_requestbuffers *req)
{/*验证请求的内存类型和视频流的类型是否匹配*/int ret = __verify_memory_type(q, req->memory, req->type);return ret ? ret : __reqbufs(q, req);
}
__reqbufs() 启动流式传输

应从驱动程序的 vidioc_reqbufs ioctl 处理程序中调用。
该函数

  1. 验证从用户空间传递的流参数、
  2. 设置队列、
  3. 与驱动程序协商缓冲区数量和每个缓冲区的平面数
  4. 根据商定的参数分配内部缓冲区结构（struct vb2_buffer）。
  5. 对于 MMAP 内存类型，使用队列初始化过程中提供的内存处理/分配例程分配实际视频内存

如果 req->count 为 0，则释放所有内存。
如果队列之前已被分配（通过之前的 vb2_reqbufs）调用
且队列不忙，内存将被重新分配。

该函数的返回值可直接从 从驱动程序中的 vidioc_reqbufs 处理程序直接返回。

static int __reqbufs(struct vb2_queue *q, struct v4l2_requestbuffers *req)
{unsigned int num_buffers, allocated_buffers, num_planes = 0;int ret;if (q->streaming) {dprintk(1, "streaming active\n");return -EBUSY;}if (req->count == 0 || q->num_buffers != 0 || q->memory != req->memory) {/** We already have buffers allocated, so first check if they* are not in use and can be freed.*/mutex_lock(&q->mmap_lock);if (q->memory == V4L2_MEMORY_MMAP && __buffers_in_use(q)) {mutex_unlock(&q->mmap_lock);dprintk(1, "memory in use, cannot free\n");return -EBUSY;}/** Call queue_cancel to clean up any buffers in the PREPARED or* QUEUED state which is possible if buffers were prepared or* queued without ever calling STREAMON.*/__vb2_queue_cancel(q);ret = __vb2_queue_free(q, q->num_buffers);mutex_unlock(&q->mmap_lock);if (ret)return ret;/** In case of REQBUFS(0) return immediately without calling* driver's queue_setup() callback and allocating resources.*/if (req->count == 0)return 0;}/** Make sure the requested values and current defaults are sane.*/num_buffers = min_t(unsigned int, req->count, VIDEO_MAX_FRAME);num_buffers = max_t(unsigned int, num_buffers, q->min_buffers_needed);memset(q->plane_sizes, 0, sizeof(q->plane_sizes));memset(q->alloc_ctx, 0, sizeof(q->alloc_ctx));q->memory = req->memory;/** Ask the driver how many buffers and planes per buffer it requires.* Driver also sets the size and allocator context for each plane.*/ret = call_qop(q, queue_setup, q, NULL, &num_buffers, &num_planes,q->plane_sizes, q->alloc_ctx);if (ret)return ret;/* Finally, allocate buffers and video memory */allocated_buffers = __vb2_queue_alloc(q, req->memory, num_buffers, num_planes);if (allocated_buffers == 0) {dprintk(1, "memory allocation failed\n");return -ENOMEM;}/** There is no point in continuing if we can't allocate the minimum* number of buffers needed by this vb2_queue.*/if (allocated_buffers < q->min_buffers_needed)ret = -ENOMEM;/** Check if driver can handle the allocated number of buffers.*/if (!ret && allocated_buffers < num_buffers) {num_buffers = allocated_buffers;ret = call_qop(q, queue_setup, q, NULL, &num_buffers,&num_planes, q->plane_sizes, q->alloc_ctx);if (!ret && allocated_buffers < num_buffers)ret = -ENOMEM;/** Either the driver has accepted a smaller number of buffers,* or .queue_setup() returned an error*/}mutex_lock(&q->mmap_lock);q->num_buffers = allocated_buffers;if (ret < 0) {/** Note: __vb2_queue_free() will subtract 'allocated_buffers'* from q->num_buffers.*/__vb2_queue_free(q, allocated_buffers);mutex_unlock(&q->mmap_lock);return ret;}mutex_unlock(&q->mmap_lock);/** Return the number of successfully allocated buffers* to the userspace.*/req->count = allocated_buffers;q->waiting_for_buffers = !V4L2_TYPE_IS_OUTPUT(q->type);return 0;
}
__vb2_queue_alloc -----分配videobuf 结构体

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文章目录 一、qgis_analysis.h介绍二、信息分析三、qgis_analysis.h生成一、qgis_analysis.h介绍 qgis_analysis.h 是 QGIS（Quantum GIS）软件中的一个头文件，主要用于服务于QGIS_Analysis库的编译，包含导入、导出宏信息的定义。 二、信息分析 在qgis\src\analysis目录，CM…
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