1.概述
V4L2 是专门为linux 设备设计的一套视频框架，其主体框架在linux内核，可以理解为是整个linux系统上面的视频源捕获驱动框架。
相机驱动层位于HAL Moudle 与硬件层之间，借助linux 内核驱动框架，以文件节点的方式暴露接口给用户空间，让hal Module 通过标准的文件访问接口，从而能够将请求顺利下发到内核中。
按照v4l2标准，他将一个数据流设备抽象成一个videoX节点，从属的子设备都对应着各自的v4l2_subdev实现，并且通过media controller 进行统一管理，整个流程复杂但高效。
而对高通平台而言，高通整个内核相机驱动是建立在v4l2框架上的，并且对其进行了相应的扩展，创建了一个整体相机控制者的CRM，它以节点video0暴露给用户空间，主要用于管理内核中的Session、Request以及与子设备，同时各个子模块都实现了各自的v4l2_subdev设备，并且以v4l2_subdev节点暴露给用户空间，与此同时，高通还创建了另一个video1设备Camera SYNC，该设备主要用于同步数据流，保证用户空间和内核空间的buffer能够高效得进行传递。
2.v4l2框架编写一个摄像头采集程序的流程
1.打开video 设备
在需要进行视频数据流的操作之前，首先要通过标准的字符设备操作接口open方法来打开一个video设备，并且将返回的字符句柄存在本地，之后的一系列操作都是基于该句柄，而在打开的过程中，会去给每一个子设备的上电，并完成各自的一系列初始化操作。
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
…
int camera_fd;
camera_fd = open("/dev/video0", O_RDWR); // 阻塞打开
…
camera_fd = open("/dev/video0", O_RDWR | O_NONBLOCK); // 非阻塞打开`
2.查看并设置设备VIDIOC_QUERYCAP
在打开设备获取其文件句柄之后，就需要查询设备的属性，该动作主要通过ioctl传入VIDIOC_QUERYCAP参数来完成，其中该系列属性通过v4l2_capability结构体来表达
#include <sys/ioctl.h>
#include <linux/videodev2.h>
…
struct v4l2_capability cap = {0};
int ret = ioctl(camera_fd, VIDIOC_QUERYCAP, & capability);
…
// 判断是否支持某些功能
if(cap.capabilities & V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE)
printf(“v4l2 device support video capture\n”);
if(cap.capabilities & V4L2_CAP_VIDEO_OUTPUT)
printf(“v4l2 device support video output\n”);
3.判断是否支持捕获功能 V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE
4.VIDIOC_ENUM_FMT来枚举支持的数据格式
#include <sys/ioctl.h>
#include <linux/videodev2.h>
struct v4l2_fmtdesc fmtdesc = {0};
…
// 获取支持的像素格式
while (!ioctl(camera_fd, VIDIOC_ENUM_FMT, &fmtdesc)) {undefined
printf(“fmt: %s\n”, fmtdesc.description);
fmtdesc.index++;
}
…5.VIDIOC_G_FMT/VIDIOC_S_FMT来分别获取和获取当前的数据格式，通过传入VIDIOC_G_PARM/VIDIOC_S_PARM来分别获取和设置参数。
6.申请帧缓冲区VIDIOC_REQBUFS
完成设备的配置之后，便可以开始向设备申请多个用于盛装图像数据的帧缓冲区，该动作通过调用ioctl并且传入VIDIOC_REQBUFS命令来完成，最后将缓冲区通过mmap方式映射到用户空间。
7.将帧缓冲区入队VIDIOC_QBUF
申请好帧缓冲区之后，通过调用ioctl方法传入VIDIOC_QBUF命令来将帧缓冲区加入到v4l2 框架中的缓冲区队列中，静等硬件模块将图像数据填充到缓冲区中。
8.开启数据流VIDIOC_STREAMON
将所有的缓冲区都加入队列中之后便可以调用ioctl并且传入VIDIOC_STREAMON命令，来通知整个框架开始进行数据传输，其中大致包括了通知各个子设备开始进行工作，最终将数据填充到V4L2框架中的缓冲区队列中。
#include <sys/ioctl.h>
#include <linux/videodev2.h>
enum v4l2_buf_type type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
…
ret = ioctl(camera_fd, VIDIOC_STREAMON, &type);
9.将帧缓冲区出队VIDIOC_DQBUF
一旦数据流开始进行流转了，我们就可以通过调用ioctl下发VIDIOC_DQBUF命令来获取帧缓冲区，并且将缓冲区的图像数据取出，进行预览、拍照或者录像的处理，处理完成之后，需要将此次缓冲区再次放入V4L2框架中的队列中等待下次的图像数据的填充。
查看并设置设备
#include <sys/ioctl.h>
#include <linux/videodev2.h>
void* data = NULL;
size_t length = 0;
struct v4l2_buffer v4l2_buf = {0};
for (;😉 {undefined
ret = ioctl(camera_fd, VIDIOC_QBUF, &v4l2_buf); // 从环形队列中获取一个缓冲区
…
data = buf[v4l2_buf.index].start; // 缓冲区地址
length = buf[v4l2_buf.index].length // 缓冲区数据长度
…
ret = ioctl(camera_fd, VIDIOC_QBUF, &v4l2_buf); // 将缓冲区放入环形队列中
…
}
10.关闭数据流VIDIOC_STREAMOFF
#include <sys/ioctl.h>
#include <linux/videodev2.h>
…
enum v4l2_buf_type type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
ret = ioctl(camera_fd, VIDIOC_STREAMOFF, &type);
流程如下图：
整个采集图像数据的流程现在看来还是比较简单的，接口的控制逻辑很清晰，主要原因是为了提供给用户的接口简单而且抽象，这样方便用户进行集成开发，其中的大部分复杂的业务处理都被V4L2很好的封装了，接下来我们来详细了解下V4L2框架内部是如何表达以及如何运转的。
3.V4L2关键结构体
从上图不难看出，v4l2_device作为顶层管理者,v4l2 框架的入口
- 一方面通过嵌入到一个video_device中，暴露video设备节点给用户空间进行控制
- 另一方面，video_device内部会创建一个media_entity作为在media controller中的抽象体，被加入到media_device中的entitie链表中
- 此外，为了保持对所从属子设备的控制，内部还维护了一个挂载了所有子设备的subdevs链表
而对于其中每一个子设备而言，统一采用了v4l2_subdev结构体来进行描述
- 一方面通过嵌入到video_device，暴露v4l2_subdev子设备节点给用户空间进行控制
- 另一方面其内部也维护着在media controller中的对应的一个media_entity抽象体，而该抽象体也会链入到media_device中的entities链表中。
- 通过加入entities链表的方式，media_device保持了对所有的设备信息的查询和控制的能力，而该能力会通过media controller框架在用户空间创建meida设备节点，将这种能力暴露给用户进行控制。
由此可见，V4L2框架都是围绕着以上几个主要结构体来进行的，接下来我们依次简单介
3.1 v4l2_device
kernel/msm-4.19/include/media/v4l2-device.h
struct v4l2_device {struct device *dev;
#if defined(CONFIG_MEDIA_CONTROLLER)struct media_device *mdev;
#endifstruct list_head subdevs;spinlock_t lock;char name[V4L2_DEVICE_NAME_SIZE];void (*notify)(struct v4l2_subdev *sd, unsigned int notification, void *arg);struct v4l2_ctrl_handler *ctrl_handler;struct v4l2_prio_state prio;struct kref ref;void (*release)(struct v4l2_device *v4l2_dev);
};
该结构体代表了一个整个V4L2设备，作为整个V4L2的顶层管理者，内部通过一个链表管理着整个从属的所有的子设备，并且如果将整个框架放入media conntroller进行管理，便在初始化的时候需要将创建成功的media_device赋值给内部变量 mdev，这样便建立了于与media_device的联系，驱动通过调用v4l2_device_register方法和v4l2_device_unregister方法分别向系统注册和释放一个v4l2_device。
3.2 v4l2_subdev
kernel/msm-4.19/include/media/v4l2-subdev.h
struct v4l2_subdev {
#if defined(CONFIG_MEDIA_CONTROLLER)struct media_entity entity;
#endifstruct list_head list;struct module *owner;bool owner_v4l2_dev;u32 flags;struct v4l2_device *v4l2_dev;const struct v4l2_subdev_ops *ops;const struct v4l2_subdev_internal_ops *internal_ops;struct v4l2_ctrl_handler *ctrl_handler;char name[V4L2_SUBDEV_NAME_SIZE];u32 grp_id;void *dev_priv;void *host_priv;struct video_device *devnode;struct device *dev;struct fwnode_handle *fwnode;struct list_head async_list;struct v4l2_async_subdev *asd;struct v4l2_async_notifier *notifier;struct v4l2_subdev_platform_data *pdata;
};
该结构体代表了一个子设备，每一个子设备都需要在初始化的时候挂载到一个总的v4l2_device上，并且将该v4l2设备赋值给内部的v4l2_dev变量，之后将自身加入到v4l2_device中的子设备链表中进行统一管理，这种方式提高了遍历访问所有子设备的效率，同时为了表达不同硬件模块的特殊操作行为，v4l2_subdev定义了一个v4l2_subdev_ops 结构体来进行定义，其实现交由不同的硬件模块来具体完成。其中如果使能了CONFIG_MEDIA_CONTROLLER宏，便会在media_controller中生成一个对应的media_entity，来代表该子设备，而该entity便会存入子设备结构体中的entity变量中，最后，如果需要创建一个设备节点的话，通过video_device调用标准API接口进行实现，而相应的video_device便会存入其内部devnode变量中。
3.3 video_device
kernel/msm-4.19/include/media/v4l2-dev.h
struct video_device
{
#if defined(CONFIG_MEDIA_CONTROLLER)struct media_entity entity;struct media_intf_devnode *intf_devnode;struct media_pipeline pipe;
#endifconst struct v4l2_file_operations *fops;u32 device_caps;/* sysfs */struct device dev;struct cdev *cdev;struct v4l2_device *v4l2_dev;struct device *dev_parent;struct v4l2_ctrl_handler *ctrl_handler;struct vb2_queue *queue;struct v4l2_prio_state *prio;/* device info */char name[32];int vfl_type;int vfl_dir;int minor;u16 num;unsigned long flags;int index;/* V4L2 file handles */spinlock_t fh_lock;struct list_head fh_list;int dev_debug;v4l2_std_id tvnorms;/* callbacks */void (*release)(struct video_device *vdev);const struct v4l2_ioctl_ops *ioctl_ops;DECLARE_BITMAP(valid_ioctls, BASE_VIDIOC_PRIVATE);DECLARE_BITMAP(disable_locking, BASE_VIDIOC_PRIVATE);struct mutex *lock;
};
如果需要给v4l2_device或者v4l2_subdev在系统中创建节点的话，便需要实现该结构体，并且通过video_register_device方法进行创建，而其中的fops便是video_device所对应的操作方法集，在v4l2框架内部，会将video_device嵌入到一个具有特定主设备号的字符设备中，而其方法集会在操作节点时被调用到。除了这些标准的操作集外，还定义了一系列的ioctl操作集，通过内部ioctl_ops来描述。
3.4 media_device
kernel/msm-4.19/include/media/media-device.h
struct media_device {/* dev->driver_data points to this struct. */struct device *dev;struct media_devnode *devnode;char model[32];char driver_name[32];char serial[40];char bus_info[32];u32 hw_revision;u64 topology_version;u32 id;struct ida entity_internal_idx;int entity_internal_idx_max;struct list_head entities;struct list_head interfaces;struct list_head pads;struct list_head links;/* notify callback list invoked when a new entity is registered */struct list_head entity_notify;/* Serializes graph operations. */struct mutex graph_mutex;struct media_graph pm_count_walk;void *source_priv;int (*enable_source)(struct media_entity *entity,struct media_pipeline *pipe);void (*disable_source)(struct media_entity *entity);const struct media_device_ops *ops;
};
如果使能了CONFIG_MEDIA_CONTROLLER宏，则当v4l2_device初始化的过程中便会去创建一个media_device，而这个media_device便是整个media controller的抽象管理者，每一个v4l2设备以及从属的子设备都会对应的各自的entity，并且将其存入media_device中进行统一管理，与其它抽象设备一样，media_device也具有自身的行为，比如用户可以通过访问media节点，枚举出所有的从属于同一个v4l2_device的子设备，另外，在开启数据流的时候，media_device通过将各个media_entity按照一定的顺序连接起来，实现了数据流向的整体控制。
3.5 vb2_queue
kernel/msm-4.19/include/media/videobuf2-core.h
struct vb2_queue {unsigned int type;unsigned int io_modes;struct device *dev;unsigned long dma_attrs;unsigned bidirectional:1;unsigned fileio_read_once:1;unsigned fileio_write_immediately:1;unsigned allow_zero_bytesused:1;unsigned quirk_poll_must_check_waiting_for_buffers:1;struct mutex *lock;void *owner;const struct vb2_ops *ops;const struct vb2_mem_ops *mem_ops;const struct vb2_buf_ops *buf_ops;void *drv_priv;unsigned int buf_struct_size;u32 timestamp_flags;gfp_t gfp_flags;u32 min_buffers_needed;/* private: internal use only */struct mutex mmap_lock;unsigned int memory;enum dma_data_direction dma_dir;struct vb2_buffer *bufs[VB2_MAX_FRAME];unsigned int num_buffers;struct list_head queued_list;unsigned int queued_count;atomic_t owned_by_drv_count;struct list_head done_list;spinlock_t done_lock;wait_queue_head_t done_wq;struct device *alloc_devs[VB2_MAX_PLANES];unsigned int streaming:1;unsigned int start_streaming_called:1;unsigned int error:1;unsigned int waiting_for_buffers:1;unsigned int is_multiplanar:1;unsigned int is_output:1;unsigned int copy_timestamp:1;unsigned int last_buffer_dequeued:1;struct vb2_fileio_data *fileio;struct vb2_threadio_data *threadio;#ifdef CONFIG_VIDEO_ADV_DEBUG/** Counters for how often these queue-related ops are* called. Used to check for unbalanced ops.*/u32 cnt_queue_setup;u32 cnt_wait_prepare;u32 cnt_wait_finish;u32 cnt_start_streaming;u32 cnt_stop_streaming;
#endif
};
在整个V4L2框架运转过程中，最为核心的是图像数据缓冲区的管理，而这个管理工作便是由vb2_queue来完成的，vb2_queue通常在打开设备的时候被创建，其结构体中的vb2_ops可以由驱动自己进行实现，而vb2_mem_ops代表了内存分配的方法集，另外，还有一个用于将管理用户空间和内核空间的相互传递的方法集buf_ops，而该方法集一般都定义为v4l2_buf_ops这一标准方法集。除了这些方法集外，vb2_queue还通过一个vb2_buffer的数组来管理申请的所有数据缓冲区，并且通过queued_list来管理入队状态的所有buffer，通过done_list来管理被填充了数据等待消费的所有buffer。
3.6 vb2_buffer
struct vb2_buffer {struct vb2_queue *vb2_queue;unsigned int index;unsigned int type;unsigned int memory;unsigned int num_planes;struct vb2_plane planes[VB2_MAX_PLANES];u64 timestamp;/* private: internal use only** state: current buffer state; do not change* queued_entry: entry on the queued buffers list, which holds* all buffers queued from userspace* done_entry: entry on the list that stores all buffers ready* to be dequeued to userspace*/enum vb2_buffer_state state;struct list_head queued_entry;struct list_head done_entry;
};
该结构体代表了V4L2框架中的图像缓冲区，当处于入队状态时内部queued_entry会被链接到vb2_queue中的queued_list中，当处于等待消费的状态时其内部done_entry会被链接到vb2_queue 中的done_list中，而其中的vb2_queue便是该缓冲区的管理者
以上便是V4L2框架的几个核心结构体，从上面的简单分析不难看出，v4l2_device作为一个相机内核体系的顶层管理者，内部使用一个链表控制着所有从属子设备v4l2_subdev，使用vb2_queue来申请并管理所有数据缓冲区，并且通过video_device向用户空间暴露设备节点以及控制接口，接收来自用户空间的控制指令，通过将自身嵌入media controller中来实现枚举、连接子设备同时控制数据流走向的目的。
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