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上一章写了V4L2框架：嵌入式Linux驱动笔记(十七)——详解V4L2框架(UVC驱动)
现在来写V4L2的重点，他的用户空间操作函数集合：

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 };

看下open函数：

static int uvc_v4l2_open(struct file *file)
{/*部分函数省略*/struct uvc_streaming *stream;struct uvc_fh *handle; stream = video_drvdata(file);//获取uvc视频流 ret = usb_autopm_get_interface(stream->dev->intf);//唤醒设备 handle = kzalloc(sizeof *handle, GFP_KERNEL);//创建uvc句柄 if (stream->dev->users == 0) {//第一次时 ret = uvc_status_start(stream->dev, GFP_KERNEL);//uvc状态开始,里面提交urb } stream->dev->users++; v4l2_fh_init(&handle->vfh, &stream->vdev); v4l2_fh_add(&handle->vfh); handle->chain = stream->chain;//捆绑uvc句柄和uvc视频链 handle->stream = stream;//捆绑uvc句柄和uvc视频流 handle->state = UVC_HANDLE_PASSIVE;//设置uvc状态为未激活 file->private_data = handle;//将uvc句柄作为文件的私有数据 return 0; }

open函数不是我们这章的重点，用户空间对V4L2设备的操作基本都是ioctl来实现的，我们看下ioctl函数：

long video_ioctl2(struct file *file,unsigned int cmd, unsigned long arg) { return video_usercopy(file, cmd, arg, __video_do_ioctl); }

可以看出video_usercopy函数就是从user空间copy复制ioctl的cmd和arg参数，然后进入__video_do_ioctl函数：

static long __video_do_ioctl(struct file *file,unsigned int cmd, void *arg) { /*部分内容省略*/ struct video_device *vfd = video_devdata(file); const struct v4l2_ioctl_ops *ops = vfd->ioctl_ops; const struct v4l2_ioctl_info *info; if (v4l2_is_known_ioctl(cmd)) { info = &v4l2_ioctls[_IOC_NR(cmd)];//判断是INFO_FL_STD还是INFO_FL_FUNC } if (info->flags & INFO_FL_STD) {//如果是INFO_FL_STD typedef int (*vidioc_op)(struct file *file, void *fh, void *p); const void *p = vfd->ioctl_ops;//调用到ioctl_ops真正的ioctrl操作集 const vidioc_op *vidioc = p + info->u.offset;//通过偏移值找到要执行函数的地址 ret = (*vidioc)(file, fh, arg);//直接调用到视频设备驱动中video_device->ioctl_ops } else if (info->flags & INFO_FL_FUNC) {//如果是INFO_FL_FUNC ret = info->u.func(ops, file, fh, arg);//调用到v4l2自己实现的标准回调函数 } }

我们可以看出，如果info->flags是INFO_FL_FUNC，会调用vfd->ioctl_ops函数集合里的某个函数（通过info->u.offset偏移值确定），那vfd->ioctl_ops是什么呢？其实就是上一章说的，uvc_register_video函数里的vdev->ioctl_ops = &uvc_ioctl_ops了。
如果info->flags是INFO_FL_FUNC，直接调用info->u.func(ops, file, fh, arg)函数
那info又是怎么确定的呢？当然是：info = &v4l2_ioctls[_IOC_NR(cmd)];

static struct v4l2_ioctl_info v4l2_ioctls[] = {//.ioctl, .u.func, .debug, .flagsIOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_QUERYCAP, v4l_querycap, v4l_print_querycap, 0),//列举性能 IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_ENUM_FMT, v4l_enum_fmt, v4l_print_fmtdesc, INFO_FL_CLEAR(v4l2_fmtdesc, type)),//列举格式 IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_G_FMT, v4l_g_fmt, v4l_print_format, 0), IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_S_FMT, v4l_s_fmt, v4l_print_format, INFO_FL_PRIO),//设置摄像头使用某种格式 IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_REQBUFS, v4l_reqbufs, v4l_print_requestbuffers, INFO_FL_PRIO | INFO_FL_QUEUE),//请求系统分配缓冲区 IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_QUERYBUF, v4l_querybuf, v4l_print_buffer, INFO_FL_QUEUE | INFO_FL_CLEAR(v4l2_buffer, length)),//查询所分配的缓冲区 /*太长了，省略后续*/ }

其实，虽然是调用info->u.func(ops, file, fh, arg)函数，但是ops是vfd->ioctl_ops;，以v4l2_ioctls[]数组里的v4l_querycap函数（就是u.func字段）为例，里面也会调用：ops->vidioc_querycap(file, fh, cap);
所以，最终还是会回到uvc_ioctl_ops函数集合里。其实和info->flags 是 INFO_FL_STD的情况没什么大的差别。

我们看下uvc_ioctl_ops 这个真正的ioctl操作函数集合：

const struct v4l2_ioctl_ops uvc_ioctl_ops = {.vidioc_querycap = uvc_ioctl_querycap,.vidioc_enum_fmt_vid_cap = uvc_ioctl_enum_fmt_vid_cap,//列举支持哪种格式.vidioc_enum_fmt_vid_out = uvc_ioctl_enum_fmt_vid_out,.vidioc_g_fmt_vid_cap = uvc_ioctl_g_fmt_vid_cap,//获取格式、分辨率.vidioc_g_fmt_vid_out = uvc_ioctl_g_fmt_vid_out, .vidioc_s_fmt_vid_cap = uvc_ioctl_s_fmt_vid_cap,//先try测试，然后把要设置的格式/分辨率存起来 .vidioc_s_fmt_vid_out = uvc_ioctl_s_fmt_vid_out, .vidioc_try_fmt_vid_cap = uvc_ioctl_try_fmt_vid_cap,//检测是否支持用户输入的格式 .vidioc_try_fmt_vid_out = uvc_ioctl_try_fmt_vid_out, .vidioc_reqbufs = uvc_ioctl_reqbufs,//请求分配缓存,APP将从这些缓存中读到视频数据 .vidioc_querybuf = uvc_ioctl_querybuf,//查询缓存状态, 比如地址信息(APP可以用mmap进行映射) .vidioc_qbuf = uvc_ioctl_qbuf,//把缓冲区放入队列,底层的硬件操作函数将会把数据放入这个队列的缓存 .vidioc_expbuf = uvc_ioctl_expbuf, .vidioc_dqbuf = uvc_ioctl_dqbuf,//APP通过poll/select确定有数据后,把缓存从队列中取出来 .vidioc_create_bufs = uvc_ioctl_create_bufs, .vidioc_streamon = uvc_ioctl_streamon,//启动视频传输 .vidioc_streamoff = uvc_ioctl_streamoff, .vidioc_enum_input = uvc_ioctl_enum_input, .vidioc_g_input = uvc_ioctl_g_input, .vidioc_s_input = uvc_ioctl_s_input, /*太长了，后续省略......*/ };

可以看到非常的多，带_cap的是捕获设备，带_out的是输出设备。
虽然这些ioctl非常多，但是在韦东山第三期视频里说道，简化的摄像头驱动程序至少需要11个ioctl，我能力不大，所以也就按照这个来分析：

.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_try_fmt_vid_cap = uvc_ioctl_try_fmt_vid_cap,
.vidioc_s_fmt_vid_cap = uvc_ioctl_s_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,
.vidioc_streamoff = uvc_ioctl_streamoff,

我们先看第【1】个ioctl：.vidioc_querycap = uvc_ioctl_querycap函数：

static int uvc_ioctl_querycap(struct file *file, void *fh,struct v4l2_capability *cap)
{struct video_device *vdev = video_devdata(file); struct uvc_fh *handle = file->private_data; struct uvc_video_chain *chain = handle->chain; struct uvc_streaming *stream = handle->stream; strlcpy(cap->driver, "uvcvideo", sizeof(cap->driver)); strlcpy(cap->card, vdev->name, sizeof(cap->card)); usb_make_path(stream->dev->udev, cap->bus_info, sizeof(cap->bus_info)); cap->capabilities = V4L2_CAP_DEVICE_CAPS | V4L2_CAP_STREAMING | chain->caps;//获取这是一个什么设备： if (stream->type == V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE)//如果是视频捕获设备 cap->device_caps = V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE | V4L2_CAP_STREAMING; else cap->device_caps = V4L2_CAP_VIDEO_OUTPUT | V4L2_CAP_STREAMING; return 0; }

很简单的函数，.vidioc_querycap 里的回调函数主要就是说明这个是什么设备而已，输入设备？输出设备？

接下来看第【2】个ioctl：.vidioc_enum_fmt_vid_cap = uvc_ioctl_enum_fmt_vid_cap函数：
uvc_ioctl_enum_fmt_vid_cap函数里又会调用uvc_ioctl_enum_fmt函数：

static int uvc_ioctl_enum_fmt(struct uvc_streaming *stream,struct v4l2_fmtdesc *fmt)
{/*省略部分内容*/ struct uvc_format *format; format = &stream->format[fmt->index];//从uvc_fmts找出支持的格式 strlcpy(fmt->description, format->name, sizeof(fmt->description));//存放到description fmt->description[sizeof(fmt->description) - 1] = 0; fmt->pixelformat = format->fcc; }

.vidioc_enum_fmt_vid_cap 里的回调函数主要就是列举出支持的格式，把他放到fmt->description描述符中，然后返回给用户空间传进来的fmt。

继续看第【3】个ioctl：.vidioc_g_fmt_vid_cap = uvc_ioctl_g_fmt_vid_cap函数：
uvc_ioctl_g_fmt_vid_cap函数里又会调用uvc_v4l2_get_format函数：

static int uvc_v4l2_get_format(struct uvc_streaming *stream,struct v4l2_format *fmt)
{/*部分内容省略*/format = stream->cur_format;//从stream获取当前格式frame = stream->cur_frame;//从stream获取当前分辨率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; fmt->fmt.pix.bytesperline = uvc_v4l2_get_bytesperline(format, frame); fmt->fmt.pix.sizeimage = stream->ctrl.dwMaxVideoFrameSize; fmt->fmt.pix.colorspace = format->colorspace; fmt->fmt.pix.priv = 0; }

.vidioc_g_fmt_vid_cap里的回调函数主要是获取格式、分辨率，把他存放在fmt->fmt.pix里。

第【4】个ioctl：.vidioc_try_fmt_vid_cap = uvc_ioctl_try_fmt_vid_cap函数：
uvc_ioctl_try_fmt_vid_cap函数里面又调用uvc_v4l2_try_format函数：

static int uvc_v4l2_try_format(struct uvc_streaming *stream,struct v4l2_format *fmt, struct uvc_streaming_control *probe,struct uvc_format **uvc_format, struct uvc_frame **uvc_frame)
{/*部分内容省略*/for (i = 0; i < stream->nformats; ++i) {//在format查找支持的格式是否有请求的格式format = &stream->format[i];if (format->fcc == fmt->fmt.pix.pixelformat)break;}if (i == stream->nformats) {//如果没有format = stream->def_format;//使用默认的格式fmt->fmt.pix.pixelformat = format->fcc;}rw = fmt->fmt.pix.width;rh = fmt->fmt.pix.height;maxd = (unsigned int)-1; for (i = 0; i < format->nframes; ++i) {//查找最接近的图像分辨率 __u16 w = format->frame[i].wWidth; __u16 h = format->frame[i].wHeight; d = min(w, rw) * min(h, rh); d = w*h + rw*rh - 2*d; if (d < maxd) { maxd = d; frame = &format->frame[i]; } if (maxd == 0) break; } interval = frame->dwDefaultFrameInterval;//每一帧的间隙 probe->bmHint = 1; /* dwFrameInterval */ probe->bFormatIndex = format->index; probe->bFrameIndex = frame->bFrameIndex; probe->dwFrameInterval = uvc_try_frame_interval(frame, interval); ret = uvc_probe_video(stream, probe);//里面调用uvc_set_video_ctrl fmt->fmt.pix.width = frame->wWidth;//设置具体的参数 fmt->fmt.pix.height = frame->wHeight;//分辨率 fmt->fmt.pix.field = V4L2_FIELD_NONE; fmt->fmt.pix.bytesperline = uvc_v4l2_get_bytesperline(format, frame); fmt->fmt.pix.sizeimage = probe->dwMaxVideoFrameSize;//一桢大小 fmt->fmt.pix.colorspace = format->colorspace; fmt->fmt.pix.priv = 0; }

我们看下.vidioc_try_fmt_vid_cap的回调函数做了什么：
1.检测硬件是否支持请求的格式，否则使用默认格式
2.然后在format->frame[i]查找最近的分辨率来使用
3.设置每一帧的时间间隙，也就是一秒多少帧
4.填充probe，然后在uvc_probe_video里设置video控制
5.最后把尝试好的数据填充到fmt->fmt.pix

所以.vidioc_try_fmt_vid_cap的回调函数主要是起一个测试作用。

第【5】个ioctl：.vidioc_s_fmt_vid_cap = uvc_ioctl_s_fmt_vid_cap函数：
uvc_ioctl_s_fmt_vid_cap函数里调用uvc_v4l2_set_format函数：

static int uvc_v4l2_set_format(struct uvc_streaming *stream,struct v4l2_format *fmt)
{/*部分内容省略*/ ret = uvc_v4l2_try_format(stream, fmt, &probe, &format, &frame);//测试好参数 /*把参数保存在stream，供uvc_v4l2_get_format函数调用*/ stream->ctrl = probe; stream->cur_format = format;//把格式foramt保存起来 stream->cur_frame = frame;//把分辨率frame保存起来 }

其实我感觉这个函数都没啥啥，大部分都在uvc_v4l2_try_format函数里做了，最后就是把参数存起来到stream里而已。

第【6】个ioctl：.vidioc_reqbufs = uvc_ioctl_reqbufs函数：
调用关系：

uvc_ioctl_reqbufsuvc_request_buffersvb2_reqbufsvb2_core_reqbufs

int vb2_core_reqbufs(struct vb2_queue *q, enum vb2_memory memory,unsigned int *count) { /*部分内容省略*/ __vb2_queue_cancel(q);//清理任何缓冲的准备或排队队列状态 memset(q->alloc_devs, 0, sizeof(q->alloc_devs));//初始化清零 q->memory = memory;//指向内存 ret = call_qop(q, queue_setup, q, &num_buffers, &num_planes, plane_sizes, q->alloc_devs);//查询需要多少缓冲区buffers，设置缓存区队列 allocated_buffers = __vb2_queue_alloc(q, memory, num_buffers, num_planes, plane_sizes);//申请缓存区 }

其中call_qop(q, queue_setup, q, &num_buffers, &num_planes,plane_sizes, q->alloc_devs)里面其实就是调用：(q)->ops->queue_setup(q, &num_buffers, &num_planes,plane_sizes, q->alloc_devs)
那这个(q)->ops又是在哪设置呢？
其实就是我们上一章里的uvc_queue_init函数里：
queue->queue.ops = &uvc_queue_qops;

static struct vb2_ops uvc_queue_qops = {.queue_setup = uvc_queue_setup,.buf_prepare = uvc_buffer_prepare,.buf_queue = uvc_buffer_queue,.buf_finish = uvc_buffer_finish,.wait_prepare = vb2_ops_wait_prepare, .wait_finish = vb2_ops_wait_finish, .start_streaming = uvc_start_streaming, .stop_streaming = uvc_stop_streaming, };

这个结构体很重要，之后我们还会调用到。
知道需要多少缓存之后，就会调用__vb2_queue_alloc函数申请空间：

static int __vb2_queue_alloc(struct vb2_queue *q, enum vb2_memory memory,unsigned int num_buffers, unsigned int num_planes, const unsigned plane_sizes[VB2_MAX_PLANES]) { /*部分内容省略*/ unsigned int buffer, plane; struct vb2_buffer *vb; for (buffer = 0; buffer < num_buffers; ++buffer) { vb = kzalloc(q->buf_struct_size, GFP_KERNEL);//分配空间 vb->state = VB2_BUF_STATE_DEQUEUED;//设置状态 vb->vb2_queue = q; vb->num_planes = num_planes; vb->index = q->num_buffers + buffer; vb->type = q->type;//设置类型，比如捕获之类的 vb->memory = memory;//设置内存 for (plane = 0; plane < num_planes; ++plane) { vb->planes[plane].length = plane_sizes[plane]; vb->planes[plane].min_length = plane_sizes[plane]; } q->bufs[vb->index] = vb;//申请的空间装入bufs if (memory == VB2_MEMORY_MMAP) {//如果使用的是VB2_MEMORY_MMAP类型 ret = __vb2_buf_mem_alloc(vb);//mmap出来 if (ret) { dprintk(1, "failed allocating memory for " "buffer %d\n", buffer); q->bufs[vb->index] = NULL; kfree(vb); break; } __setup_offsets(vb);//设置偏移量 ret = call_vb_qop(vb, buf_init, vb);//buf初始化 } } }

这里面就是申请num_buffers个缓存了，设置好然后放到q->bufs[]里，再mmap到用户空间。
为什么mmap呢？
read和write，是基本帧IO访问方式，每一帧都要通过IO操作，通过read读取每一帧数据，数据需要在内核和用户之间拷贝，这种方式访问速度可能会非常慢；
但是通过mmap在内核空间开辟缓冲区，这些缓冲区可以是大而连续DMA缓冲区、通过vmalloc()创建的虚拟缓冲区，或者直接在设备的IO内存中开辟的缓冲区(如果硬件支持)；是流IO访问方式，不需要内存拷贝，访问速度比较快。

设置好偏移值就对buf进行初始化了。
所以.vidioc_reqbufs的回调函数主要是请求分配缓存。

第【7】个.ioctl：.vidioc_querybuf = uvc_ioctl_querybuf函数：
调用关系：

uvc_query_buffervb2_querybufvb2_core_querybufcall_void_bufop(q, fill_user_buffer, q->bufs[index], pb);

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可以看出，这里根据传进来的参数，查找到使用到的缓存，会调用fill_user_buffer返回bufs[]给用户空间。
所以.vidioc_querybuf 的回调函数主要是查询缓存状态,把他返回给用户空间。

第【8】个.vidioc_qbuf = uvc_ioctl_qbuf函数：
调用关系为：

uvc_ioctl_qbufuvc_queue_buffervb2_qbufvb2_core_qbuf

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int vb2_core_qbuf(struct vb2_queue *q, unsigned int index, void *pb) { /*部分内容省略*/ struct vb2_buffer *vb; vb = q->bufs[index]; list_add_tail(&vb->queued_entry, &q->queued_list);//添加到queued_list链表 q->queued_count++;//队列数目加一 q->waiting_for_buffers = false; vb->state = VB2_BUF_STATE_QUEUED;//标记已入队列 if (q->start_streaming_called)//如果调用过vb2_start_streaming __enqueue_in_driver(vb);//将vb->planes[plane].mem_priv(即是我们申请的mmap)调入我们写的驱动中 if (pb) call_void_bufop(q, fill_user_buffer, vb, pb);//填充buffers到用户空间 if (q->streaming && !q->start_streaming_called && q->queued_count >= q->min_buffers_needed) { ret = vb2_start_streaming(q); } }

这里面，将对应的vb2_buffer 添加到 q->queued_list 链表中，并改变state状态。
然后调用__enqueue_in_driver把缓冲区放入队列。
然后就是ret = vb2_start_streaming(q)函数，这个函数在uvc_ioctl_streamon函数里也会调用有，所以放在后面写吧，这里虽然也会调用，但是是有条件的：
只有start_streaming没被调用且到达最小需要的buffers数目，才尝试启动

第【9】个.vidioc_dqbuf = uvc_ioctl_dqbuf,函数：
调用关系为：

uvc_ioctl_dqbufuvc_dequeue_buffervb2_dqbufvb2_core_dqbuf

int vb2_core_dqbuf(struct vb2_queue *q, unsigned int *pindex, void *pb, bool nonblocking) { /*部分内容省略*/ struct vb2_buffer *vb = NULL; ret = __vb2_get_done_vb(q, &vb, pb, nonblocking); call_void_vb_qop(vb, buf_finish, vb); call_void_bufop(q, fill_user_buffer, vb, pb); list_del(&vb->queued_entry); q->queued_count--; }

这里面，就是在__vb2_get_done_vb函数里，将q->done_list 中的vb2_buffer中提出来，然后 将vb2_buffer中的v4l2_buffer信息返回，并将其从q->done_list 中删除。
然后就调用(q)->vb2_queue->ops->buf_finish代表buf操作完成。
接着调用fill_user_buffer函数把把数据返回给用户空间，最后list_del(&vb->queued_entry)把他移除掉。

第【10】个.vidioc_streamon = uvc_ioctl_streamon,,函数：
调用关系为：

uvc_ioctl_streamonuvc_queue_streamonvb2_streamonvb2_core_streamonvb2_start_streaming

static int vb2_start_streaming(struct vb2_queue *q)
{/*部分内容省略*/struct vb2_buffer *vb; q->start_streaming_called = 1;//标志以使用streaming ret = call_qop(q, start_streaming, q, atomic_read(&q->owned_by_drv_count));//调用q->ops->start_streaming q->start_streaming_called = 0; for (i = 0; i < q->num_buffers; ++i) { vb = q->bufs[i]; if (vb->state == VB2_BUF_STATE_ACTIVE) vb2_buffer_done(vb, VB2_BUF_STATE_QUEUED);//数据完成后 } }

函数里面q->ops->start_streaming，也就是queue->queue.ops = &uvc_queue_qops里的函数：uvc_start_streaming
但是uvc_start_streaming函数里又会调用uvc_video_enable(stream, 1);
uvc_video_enable函数里面就有这两句：

ret = uvc_commit_video(stream, &stream->ctrl);//uvc提交视频参数
ret = uvc_init_video(stream, GFP_KERNEL);//uvc初始化视频，同时调用uvc_init_video_isoc分配urb

这样就成功的启动视频传输了。
然后数据完成后就是调用vb2_buffer_done函数：函数里面就是：

    list_add_tail(&vb->done_entry, &q->done_list);//将数据放入q->done_list中 vb->state = state; wake_up(&q->done_wq);//唤醒poll休眠的进程

数据完成就要把buffers放到done_list这个完成的链表中，然后改变状态，最后就唤醒poll函数里的休眠进程。

第【11】个.vidioc_streamoff = uvc_ioctl_streamoff,,函数：
其实就和uvc_ioctl_streamoff是相反的，uvc_ioctl_streamoff是调用uvc_video_enable(stream, 1);
uvc_ioctl_streamoff就是调用uvc_video_enable(stream, 0)了，进行关闭视频传输。

好了，十一个ioctl就马马虎虎的讲完了。还有一些其他的ioctl，比如设置亮度之类的，就自己去看了，是在太多了。
其实一路写来，我对这个buffers这块输出还是很模糊的，不知道怎么写，，，，，，，，，还在研究中。不过大致的流程还是了解了一点。

最后，附上一位大佬的blog：http://www.cnblogs.com/surpassal/archive/2012/12/22/zed_webcam_lab2.html