V4L2框架-videobuf2

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本文介绍在 v4l2 框架之下的数据流交互的实现与使用，主要目的是实现一个能够进行用户空间与内核空间进行数据交互、数据流格式设置、数据流 buffer 申请与释放、数据流开启与关闭的 video 设备驱动。

02 - V4L2框架-media-device
01 - V4L2框架-v4l2 device
00 - V4L2框架概述

简介

videobuf2 用于连接 V4L2 驱动层与用户空间层，提供数据交流的通道，它可以分配并管理视频帧数据。videobuf 层实现了很多 ioctl 函数，包括 buffer 分配、入队、出队和数据流控制。

• 为什么要有videobuf2？
  因为 videobuf1 存在者下面的问题（原文收录于赫尔欣基峰会会议的 PPT 文档中，摘录如下）

1. 不完善的以及错误的内存管理
   a. 不能停止 streaming（在 streamoff 的时候，buffer 被释放，从而无法灵活地再次开启 stream）;
   b. VIDIOC_REQBUFS(0) 不会释放内存，这个主要就是使用上的方便与否;
   c. 不能够使用 VIDIOC_REQBUFS 重复申请内存，道理同上;
   d. video 内存在 mmap、qbuf 甚至 page fault 中分配；在 unmap、streamoff 或者驱动自定义的地方被释放，也就是说不够标准化、统一化;
   e. 每一个buffer都有一个等待队列，太过繁琐，会导致 buffer 轮转的时间较长;
2. 扩展性不足，尤其是嵌入式多媒体设备
   a. 难以添加新的内存处理函数以及自定义的内存分配函数，比如现在 videobuf2 里面已有的三种-「dma-contig、sg-dma、vmalloc」;
   b. 对 cache 以及 IOMMU 的支持非常弱;
   c. 不够灵活。只有一个通用的函数来处理 cache、sg-list 创建等等事情，这些应该分为不同的抽象方法类进行差异化管理;
3. 无用的成员，代码，变量（这个我就没有深入了解了）

• videobuf2要解决的问题
  a. 更正 V4L2 的 API，修复 videobuf1 的问题与缺点「上面提到的问题」
  b. 把队列管理与内存管理完全分离，采用分层的设计
  c. 更多专门的驱动回调，不同类型驱动特定的，同时又满足可定制化的拆分，不必要的不使用，必要的按需使用
  d. 支持新的V4L2 API扩展，比如多 planar 视频 buffer，比如 YUV 就是多 planer 的格式，它们的 Y、U、V 数据可能不在同一个连续的地址段内

数据类型「具体指的是视频数据的类型」

数据类型简介

不是所有的视频设备都使用同一种类型的 buffer，事实上，buffer 类型可以概括为三种：

• buffer 在虚拟地址以及物理地址上面都是分散的。几乎所有的用户空间 buffer 都是这种类型，在内核空间中，这种类型的 buffer 并不总是能够满足需要，因为这要求硬件可以进行分散的 DMA 操作。
• 物理地址分散，虚拟地址连续。也就是通过 vmalloc 分配的 buffer，换句话说很难使用 DMA 来操作这些buffer。
• 物理地址连续（虚拟地址不关心）。在分段式系统上面分配这种类型的 buffer 是不可靠的（分段式-也即页式系统上面有可能在长时间运行之后内存出现大量碎片，从而导致连续的内存空间很难获得，所以说不可靠），但是简单 DMA 控制器只能够适用于这种类型的 buffer。也有分段式的 DMA 操作，不过那种需要用到 IOMMU 来实现。

这三种类型的 buffer 对应的相关操作函数分别对应于 videobuf2-dma-sg.c,videobuf2-vmalloc.c,videobuf2-dma-contig.c。

结构体、回调函数、初始化

根据buffer的不同，，需要用到的内核头文件也不同：

<media/videobuf-dma-sg.h>       /* 物理地址分散 */
<media/videobuf-vmalloc.h>      /* vmalloc() 分配的buffer */
<media/videobuf-dma-contig.h>   /* 物理地址连续 */

需要实现以下几个回调函数来管理buffer：

struct vb2_ops {
    int (*queue_setup)(struct vb2_queue *q, const void *parg,
               unsigned int *num_buffers, unsigned int *num_planes,
               unsigned int sizes[], void *alloc_ctxs[]);

    void (*wait_prepare)(struct vb2_queue *q);
    void (*wait_finish)(struct vb2_queue *q);

    int (*buf_init)(struct vb2_buffer *vb);
    int (*buf_prepare)(struct vb2_buffer *vb);
    void (*buf_finish)(struct vb2_buffer *vb);
    void (*buf_cleanup)(struct vb2_buffer *vb);

    int (*start_streaming)(struct vb2_queue *q, unsigned int count);
    void (*stop_streaming)(struct vb2_queue *q);

    void (*buf_queue)(struct vb2_buffer *vb);
};

• queue_setup：
  该回调函数在两个地方会被调用：

  1. 在真正的 memory 分配之前，由 VIDIOC_REQBUFS 和 VIDIOC_CREATE_BUFS 两个 ioctl 调用，一般情况下我们会使用 VIDIOC_REQBUFS 这个 ioctl，后者不常使用。
  2. 如果不能够分配 num_buffers 指定的原始数量的的 buffer，那么该函数就会再次被调用来尽最大努力去分配 buffer 并返回实际被分配的 buffer 数量，返回值依然存到 num_buffers，返回值这部分应该有驱动编写者来完成。
  3. num_planes 里面返回申请的 buffer 的 planes 的数量，比如对于 YUV420SP 格式的数据来说，它的 planes 就是 2「具体为什么是 2 就需要自己去网上找找 YUV 格式的解析啦，本文重点不在这里」。
  4. 每个 plane 的大小被存放在该回调函数的 sizes 数组成员里面，可选的，alloc_ctxs 数组可以存放每一个 plane 的特定数据，不过这种应用场景暂时没有遇到过，alloc_ctxs 没用过。
  5. 需要返回的值：驱动需要返回实际分配的 buffer 数量，存放在 num_buffers 中。返回 plane 数量，存放在 num_planes 中。每个 plane 的大小按照顺序存放在 sizes[] 中，每个 plane 的分配者特定数据存放在 alloc_ctxs[] 「之前的版本是在 alloc_devs[]」中，这一步是可选的，因为并不总是用得到。

• wait_prepare：释放所有在 ioctl 操作函数执行时被持有的锁；该回调在 ioctl 需要等待一个新的 buffer 到达的时候被调用；需要在阻塞访问的时候避免死锁。

• wait_finish：请求所有的在上面 wait_prepare 回调锁释放的锁；需要在睡眠等待新的 buffer 到来之后继续运行。

上面两个回调比较通用的做法是：将 wait_prepare 赋值为 vb2_ops_wait_prepare，将 wait_finish 赋值为 vb2_ops_wait_finish，这两个是 videobuf2 为我们实现的两个回调，直接使用即可。上面两个函数在 vb2_internal_dqbuf 内部会被使用到，通常情况下会在用户 DQBUF 的时候使用，内核里面会判断是否是阻塞的情况，如果是阻塞调用并且没有准备好的数据，内核就会调用 wait_prepare 释放锁并进行休眠等待，直到有数据到达被唤醒之后才调用 wait_finish 重新持有锁。

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• buf_init：在 MMAP 方式下，分配完 buffer 或者 USERPTR 情况下请求完 buffer 之后被调用一次，（一个 buffer 调用一次）。如果该 ioctl 返回失败，将会导致 queue_setup 执行失败。该函数的主要目的是让我们在 buffer 申请完毕之后对 buffer 做一些初始化工作，但是实际上好像并不是经常用到。在该函数里面可以获取到 buffer 的 type，memory 类型，index，planesnum 等

• buf_prepare：每次 buffer 重新入队「就是在用户调用 QBUF 的时候」以及 VIDIOC_PREPARE_BUF 操作的时候被调用，驱动可以做一些硬件操作「通常数据都是由硬件产生的」之前的初始化工作。如果该回调返回失败，那么 buffer 将不会执行 queue 动作。一般在这里需要设置 plane 的 payload，也就是每个 plane 的使用内存长度，单位为 Byte，可以使用 vb2_set_plane_payload 来帮助完成「在 omap3isp 例程当中该回调函数里面获取 buffer 的 dma 地址，然后赋值给 buffer->dma 成员」。

• buf_finish：每次 buffer 被取出的时候被调用，并且是在 buffer 到达用户空间之前，所以驱动可以访问/修改 buffer 的内容。buffer 的状态可以是：
  VB2_BUF_STATE_DONE 或者 VB2_BUF_STATE_ERROR：这两种状态只在 streaming 的时候才会出现，前者是在驱动把 buffer 传递给 videobuf2 的时候被置位，此时还没有被传递给用户空间，后者与前者类似，也会最终被传递给用户，但是表明对 buffer 的操作最终以失败告终
  VB2_BUF_STATE_PARPARED：videobuf2 准备好了 buffer，并且驱动持有 buffer。注意，驱动与 videobuf2 看作两个使用者
  VB2_BUF_STATE_DEQUEUED：默认状态，表明 buffer 处于被用户使用的状态

• buf_cleanup：buffer 被释放之前调用一次，每个 buffer 仅有一次，驱动可以在这里面做一些额外的操作。

• start_streaming：进入 streaming 状态时被调用一次，一般情况下，驱动在该回调函数执行之前，通过 buf_queue 回调来接收 buffer，这里驱动需要把 buffer 放到驱动自己维护的一个 buffer 队列里面。count 参数存放已经被 queue 的 buffer 数量，驱动可以由此获取它。如果发生硬件错误，驱动可以通过该回调返回一个错误，此时所有的buffer都会被归还给 videobuf2（调用 vb2_buffer_done(VB2_BUF_STATE_QUEUED)）。如果需要设置开始 start_streaming 需要的 buffer 最小数量，比如驱动只有在满足 buffer 数量大于等于 3 的时候才能够开启数据流，那么就可以在该函数被调用之前设置 vb2_queue->min_buffers_needed 成员为自己想要的值，此时该回调函数会在满足最小 buffer 数量之后才被调用。

• stop_streaming：在 streaming 被禁止的时候调用，驱动需要关掉 DMA 或者等待 DMA 结束，调用 vb2_buffer_done 来归还所有驱动持有的 buffers（参数使用 VB2_BUF_STATE_DONE 或者 VB2_BUF_STATE_ERR），可能需要用到 vb2_wait_for_all_buffers 来等待所有的 buffer，该函数是用来等待所有的 buffer 被归还给 videobuf2 的。

• buf_queue：用来传递 vb（vb2_buffer 结构体） 给驱动，驱动可以在这里开启硬件操作（DMA 等等）。驱动填充 buffer 完毕之后需要调用 vb2_buffer_done 归还 buffer，该函数总是在 VIDIOC_STREAMON 操作之后调用。但是也有可能在 VIDIOC_STREAMON 之前被调用，比如用户空间中 querybuf 之后的 queue 操作。videobuf2 允许自定义一个 buffer 结构体而不是直接使用 vb2_buffer，但是自定义的结构体的第一个成员必须是 vb2_v4l2_buffer 结构体，该结构体的大小需要在 vb2_queue 的 buf_struct_size 成员中指定。

每一个申请到的 buffer 都会被传递给 buf_prepare，该回调函数需要设置 buffer 的 size、width、height 与 field 成员，如果 buffer 的 state 成员为 VIDEOBUF_NEEDS_INIT，驱动需要传递 buffer 给以下函数：

/* 该函数调用通常会为buffer分配空间，最后buf_prepare()需要设置buffer的state为VIDEOBUF_PREPARED。 */
int videobuf_iolock(struct videobuf_queue* q,
    struct videobuf_buffer *vb, struct v4l2_framebuffer *fbuf);

当一个 buffer 需要进行队列操作时，它会被传递给 buf_queue，该回调函数需要将 buffer 放到驱动自行维护的一个 buffer 链表中，并且设置 buffer 状态为 VIDEOBUF_QUEUED（这个状态位不需要驱动自己去设置，交给 videobuf2 就好了）。该函数会保持 spinlock（videobuf_queue 里面的 irqlock，新的 videobuf 不会保持锁，需要自己申请并在 buf_queue 里面使用），使用 list_add_tail 来对 buffer 进行入队操作。

vb2_queue

该结构体可以当做是 videobuf2 的一个整体的抽象，要想使用 videobuf2 这个模块，就去初始化一个 vb2_queue 结构体吧，它会帮助我们建立起一个基于 videobuf2 的数据流管理模块的。

• vb2_queue 的初始化
  vb2_queue 需要设置以下 field：
  
  1. type：v4l2_buf_type 枚举类型，表明设备的 buffer 类型
  2. io_modes：vb2_io_modes 枚举类型，表明驱动支持哪一种 streaming，实际应用中 VB2_MMAP 类型的居多
  3. drv_priv：一般指向驱动特定的结构体，也就是驱动自定义维护的结构体
  4. ops：指向 vb2_ops，也就是上面描述的的那一大坨
  5. mem_ops：根据 buffer 类型「物理连续、vmalloc、物理分散的 sg-dma」选择 vb2_dma_contig_memops，vb2_dma_sg_memops,vb2_vmalloc_memops 三种之一，与我来说，最常用的就是第一个啦，当然也可以自己动手丰衣足食，不过常规使用那三个就能够满足了
  6. timestamp_flags：V4L2_BUF_FLAG_TIMESTAMP_MASK 或者 V4L2_BUF_FLAG_TSTAMP_SRC_MASK 类型的 flag 之一，两种 flag 可以是或的关系同时存在，表明时间戳的类型，一般使用 V4L2_BUF_FLAG_TIMESTAMP_MONOTONIC 即可，表明是递增类型的，它是在内核的 monotonic 时钟时间轴上面生成的时间戳
  7. lock：可以与 video_device 共用一个 lock，更推荐使用独立的 lock，独立的 lock 一定程度上可以减少锁竞争
  8. buf_struct_size：自定义的 buffer 结构体大小，自定义的 buffer 结构体必须将 vb2_v4l2_buffer 成员放在第一个。可以在 vb2 的 queue 回调中通过 container_of 来获取自定义的buffer结构体数据。

上面一顿操作之后要记得使用 vb2_queue_init 对 vb2_queue 进一步初始化，里面主要是一大堆的 WARN_ON 来对我们的设置进行检查，获取 v4l2_buf_ops 这个 vb2_buf_ops 类型的 buffer 操作函数，并且初始化一些锁与一个等待队列，该等待队列主要是用来等待 buffer 变为可 dequeue 状态。

用户空间的操作

用户空间 stream 操作 ioctl 调用流程

通常用户空间的操作顺序如下：

• VIDIOC_S_PARAM::参数为 struct v4l2_streamparm，主要设置帧率，type 与 capturemode/outputmode 等。内核的 ioctl 需要保存 capturemode（mode需自定义）帧率等数据，可以保存到自定义的结构体里面。也可以在内核里面通过 v4l2_subdev_call 来调用
• VIDIOC_S_FMT::参数为 struct v4l2_format，主要设置长宽，数据格式等。内核的 ioctl 需要保存长宽，像素格式，所在的 field 等。必要时需要调用相关的子设备的结构体进行子设备的格式设置。
• VIDIOC_REQBUFS::参数为 struct v4l2_requestbuffers，设置 count,type 与 memory 请求数据，在 queue_setup 回调函数里面需要设置一些东西。参见上面关于 queue_setup 的描述。
• VIDIOC_QUERYBUF::参数为 struct v4l2_buffer，需设置 index,type,memory,length(plane length) 等参数
• VIDIOC_QBUF，该操作与上一个不断循环，直到获取所有的 buf 并将 buf 入队到内核驱动的的 buf 管理列表中
• VIDIOC_STREAMON::参数为 enum v4l2_buf_type,开启指定类型的 stream。
• select 等待 buf 可读。在内核驱动里面需要获取 plane 的地址，vb2_plane_vaddr，在数据填充完毕之后需要调用 vb2_buffer_done 来标注该 buffer 已经成功填充完毕，以便 v4l2 把数据放入 done_list，以待用户空间进行读取。
• VIDIOC_DQBUF，该操作与上一个操作不断循环，直到停止数据采集
• VIDIOC_STREAMOFF，结束数据采集工作。

超大示意图如下所示，下图展示了用户空间到内核驱动的 ioctl 调用顺序与调用过程中所涉及到的文件「图片比较大，电脑选择新标签页打开图片，或者保存下来看」：

如何把 /dev/video 节点与 videobuf2 联系起来

其实这个联系的过程上面一张图就能够说明了，这里再说明一些代码层面的联系方式。

首先 video_device 需要有自己的 open,release,unlocked_ioctl 等等，一个常见的初始化操作如下「此处参照了 omap3isp 里面的代码」：

static struct v4l2_file_operations isp_video_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .unlocked_ioctl = video_ioctl2,
    .open = isp_video_open,
    .release = isp_video_release,
    .poll = isp_video_poll,
    .mmap = isp_video_mmap,
};

其中那几个函数几乎都是与 videobuf2 是挂钩的，如果去看下内核里面的代码就可以了然了，其中实用频率最高的就是 .unlocked_ioctl = video_ioctl2, 这个回调函数了，这个回调函数是用户空间通过 /dev/videoX 节点通往 videobuf2 的不二路径，所以干脆直接就把这个成员赋值为 video_ioctl2 了，这个是 videobuf2 为我们提供的操作函数，那就拿起来并使用它吧。从用户空间的角度看，只有一个 ioctl 的入口，但是我们穿过重重关卡，来到内核之后，再往前走两步，就可谓之「初极狭，才通人。复行数十步，豁然开朗」。里面还有一大坨分门别类的 ioctl 回调函数，截取如下：

static const struct v4l2_ioctl_ops isp_video_ioctl_ops = {
    .vidioc_querycap        = isp_video_querycap,
    .vidioc_g_fmt_vid_cap       = isp_video_get_format,
    .vidioc_s_fmt_vid_cap       = isp_video_set_format,
    .vidioc_try_fmt_vid_cap     = isp_video_try_format,
    .vidioc_g_fmt_vid_out       = isp_video_get_format,
    .vidioc_s_fmt_vid_out       = isp_video_set_format,
    .vidioc_try_fmt_vid_out     = isp_video_try_format,
    .vidioc_cropcap         = isp_video_cropcap,
    .vidioc_g_crop          = isp_video_get_crop,
    .vidioc_s_crop          = isp_video_set_crop,
    .vidioc_g_parm          = isp_video_get_param,
    .vidioc_s_parm          = isp_video_set_param,
    .vidioc_reqbufs         = isp_video_reqbufs,
    .vidioc_querybuf        = isp_video_querybuf,
    .vidioc_qbuf            = isp_video_qbuf,
    .vidioc_dqbuf           = isp_video_dqbuf,
    .vidioc_streamon        = isp_video_streamon,
    .vidioc_streamoff       = isp_video_streamoff,
    .vidioc_enum_input      = isp_video_enum_input,
    .vidioc_g_input         = isp_video_g_input,
    .vidioc_s_input         = isp_video_s_input,
};

有了上面两个，我们只需要在初始化 video_device 的时候做以下的操作，此时便可以把整个串联起来了：

video->video.fops = &isp_video_fops;               /*  重点 */
video->video.vfl_type = VFL_TYPE_GRABBER;
video->video.release = video_device_release_empty; /*  重点 */
video->video.ioctl_ops = &isp_video_ioctl_ops;     /*  重点 */
video->pipe.stream_state = ISP_PIPELINE_STREAM_STOPPED;

看到这里是不是就把 /dev/videoX,video_device,vb2_queue,videobuf2 这几个全部贯通起来了，现在再参照上面的那一个大图来重新梳理一遍：首先用户 open 一个 /dev/videoX，获取其句柄，同时触发内核的 open 函数内部对 videobuf2 的 vb2_queue 进行初始化；然后进行一系列的 ioctl 操作，入口是 isp_video_fops->unlocked_ioctl 成员，再往后会细分为 isp_video_ioctl_ops 里面的一个个回调，这一个个回调与 vb2 众多的 ops 深度结合起来共同完成了数据流的管理工作。

至于内部的一些细节，比如怎么从 unlocked_ioctl 到细分的 isp_video_ioctl_ops 这里不再细讲，否则占用篇幅过大，这一过程的部分的代码可以在 v4l2-ioctl.c/__video_do_ioctl 函数中看到，快去看吧。

编程注意事项

• 要特别注意 plane 与 buffer 索引的区别，一个 buffer 下面有多个 plane，应该是这样的循环方式：

    for (buffer) {
        for (plane) {
            ... ...
        }
    }

• 像下面的 ioctl 尽量可以使用 vb2 提供的回调函数，如果需要自己实现的话也需要显式调用 vb2 提供的回调函数：

V4L24L2 ioctls
    VIDIOC_REQBUFS
    VIDIOC_QUERYBUF
    VIDIOC_QBUF
    VIDIOC_DQBUF

VB2 ioctls
    .start_streaming
    .stop_streaming

• 需要自己实现一个自旋锁用于 buffer 队列管理，关于为什么用自旋锁，原因是当驱动要获取数据的时候，可以加锁，然后从该队列删除，释放锁，填充数据可以等到释放锁之后进行，所以没必要用别的，自旋锁轻量，在这种情况下自旋锁的使用成本较低。通常在驱动里面维护一个 list 队列，存放激活的 buffer 数据，使用自旋锁自行管理，在 queue 的时候入队，数据填充完毕之后出队，调用 vb2_buffer_done 来放入 vb2 的 buffer 队列等待用户拿取。在 vb2_queue 初始化的时候可以设置 buf_struct_size 成员为自定义大小的帧结构体（自定义的结构体要把 vb2_v4l2_buffer 放在第一个成员的位置，在里面可以添加帧的属性等等），要用到的时候就使用 container_of 来获取自定义的帧结构体。

• 使用wait队列来定时产生数据：

    init_waitqueue_head

kernel thread
    set_freezable

    DECLARE_WAITQUEUE
    add_wait_queue

    generate datas ...

    schedule_timeout_interruptible
    remove_wait_queue
    try_to_freeze

wake_up_interruptible

• 在 streamoff 的时候需要调用 vb2_buffer_done(, ERR) 来归还所有的 buffer 到 vb2 里面。只要调用 vb2_buffer_done，该 buffer 就会被放入到 vb2 的各种队列里面，剩下的事情就是调用 vb2_ioctl_streamoff 让 vb2 来完成数据的释放啦。

• 如何获取 vb2_buffer 的虚拟地址与物理地址

dma-contig, scatter/gather-dma,vmalloc(只有虚拟地址)
虚拟地址：vb2_plane_vaddr()
物理地址：
    dma-contig:vb2_dma_contig_plane_dma_addr
    scatter/gather-dma:vb2_dma_sg_plane_desc

• 编程步骤
  
  1. 自定义一个 video 设备结构体，最简单的里面需要包含，video_device、vb2_queue 以及自定义的 buffer 帧结构体描述。
  2. 对上面提到的两个结构体 video_device、vb2_queue 进行初始化。
  3. 实现 vb2_ops 结构体，具体的实现以及注意事项参见上面的描述。

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想做的事情就去做吧