2.3 攝像頭驅動_vivi驅動程序分析

時間 2020-05-09

標籤 2.3 攝像頭驅動 vivi 驅動程序分析简体版

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學習目標：熟悉vivi的調用過程，分析vivi程序源碼的ioctl函數；linux

1、vivi虛擬視頻驅動測試方法web

當咱們接上usb攝像頭設備時，系統會自動給咱們安裝對應的usb設備驅動程序。若是下次直接測試vivi驅動或者使用本身編譯的vivi驅動時，可能會提示缺乏其它函數。所以，可使用如下測試方法：緩存

1. 先安裝系統自帶的vivi驅動和它全部依賴的全部驅動：# sudo modprobe vivi ;app

2. 卸載原有的vivi驅動：# sudo rmmod vivi ;框架

3. 裝載本身的驅動：# sudo insmod ./vivi.ko ;
以後，可使用命令：# ls /dev/video* ,看到vivi虛擬出來的視頻設備設備節點 /dev/video0 。ide

4. 執行命令# xawtv -c /dev/video0 測試；函數

2、分析vivi驅動的過程工具

一、xawtv執行過程性能

方法一：經過使用source insight從xawtv源碼的main函數開始分析。但因爲程序中還執行了許多無關的功能，分析過程會比較漫長；學習

方法二：使用strace命令跟蹤調用過程： # strace -o xawtv.txt xawtv 生成了調用過程的描述摘要，保存在：xawtv.txt。

打開文檔能夠看到：

 1 execve("/usr/bin/xawtv", ["xawtv"], [/* 36 vars */]) = 0
 2 brk(0)                                  = 0x9ae0000
 3 access("/etc/ld.so.nohwcap", F_OK)      = -1 ENOENT (No such file or directory)  4 mmap2(NULL, 8192, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0xb7736000
 5 access("/etc/ld.so.preload", R_OK)      = -1 ENOENT (No such file or directory)  6 open("/etc/ld.so.cache", O_RDONLY)      = 3
 7 fstat64(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=71399, ...}) = 0
 8 mmap2(NULL, 71399, PROT_READ, MAP_PRIVATE, 3, 0) = 0xb7724000
 9 close(3)                                = 0
10 access("/etc/ld.so.nohwcap", F_OK)      = -1 ENOENT (No such file or directory) 11 open("/lib/tls/i686/cmov/libc.so.6", O_RDONLY) = 3
12 read(3, "\177ELF\1\1\1\0\0\0\0\0\0\0\0\0\3\0\3\0\1\0\0\0\260l\1\0004\0\0\0"..., 512) = 512
13 fstat64(3, {st_mode=S_IFREG|0755, st_size=1319364, ...}) = 0
14 mmap2(NULL, 1325416, PROT_READ|PROT_EXEC, MAP_PRIVATE|MAP_DENYWRITE, 3, 0) = 0x1af000
15 mmap2(0x2ed000, 12288, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_DENYWRITE, 3, 0x13e) = 0x2ed000
16 mmap2(0x2f0000, 10600, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x2f0000
17 close(3)                                = 0
18 mmap2(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0xb7723000
19 set_thread_area({entry_number:-1 -> 6, base_addr:0xb77238d0, limit:1048575, seg_32bit:1, contents:0, read_exec_only:0, limit_in_pages:1, seg_not_present:0, useable:1}) = 0
20 mprotect(0x2ed000, 8192, PROT_READ)     = 0
21 mprotect(0x805e000, 4096, PROT_READ)    = 0
22 mprotect(0x349000, 4096, PROT_READ)     = 0
23 munmap(0xb7724000, 71399)               = 0
24 getpid()                                = 2130
25 rt_sigaction(SIGCHLD, {SIG_DFL, [CHLD], SA_RESTART}, {SIG_DFL, [], 0}, 8) = 0
26 geteuid32()                             = 1000
27 brk(0)                                  = 0x9ae0000
28 brk(0x9b01000)                          = 0x9b01000
29 getppid()                               = 2129
 ..........

經過搜索/dev/video0設備節點，查看關於vivi調用部分,是一些列的ioctl函數，它們對應於xawtv工具的各個屬性控制選項：

接下來，一步步的分析，就能知道ioctl的調用過程

 1 open("/dev/video0", O_RDWR|O_LARGEFILE) = 4
 2 ioctl(4, VIDIOC_QUERYCAP or VT_OPENQRY, 0xbfaccd44) = 0
 3 ioctl(4, VIDIOC_G_FMT or VT_SENDSIG, 0xbfaccc78) = 0
 4 ioctl(4, VIDIOC_ENUM_FMT or VT_SETMODE, 0xbfaccbec) = 0
 5 ioctl(4, 0xc02c564a, 0xbfaccb58)        = -1 EINVAL (Invalid argument)  6 ioctl(4, VIDIOC_ENUM_FMT or VT_SETMODE, 0xbfaccbec) = 0
 7 ioctl(4, 0xc02c564a, 0xbfaccb58)        = -1 EINVAL (Invalid argument)  8 ioctl(4, VIDIOC_ENUM_FMT or VT_SETMODE, 0xbfaccbec) = 0
 9 ioctl(4, 0xc02c564a, 0xbfaccb58)        = -1 EINVAL (Invalid argument) 10 ioctl(4, VIDIOC_ENUM_FMT or VT_SETMODE, 0xbfaccbec) = 0
11 ioctl(4, VIDIOC_ENUM_FMT or VT_SETMODE, 0xbfaccbec) = 0
12 ioctl(4, VIDIOC_ENUM_FMT or VT_SETMODE, 0xbfaccbec) = 0
13 ioctl(4, VIDIOC_ENUM_FMT or VT_SETMODE, 0xbfaccbec) = -1 EINVAL (Invalid argument) 14 ioctl(4, VIDIOC_QUERYCAP or VT_OPENQRY, 0xbfaccb84) = 0
15 ioctl(4, VIDIOC_G_INPUT, 0xbfacca2c)    = 0
16 ioctl(4, VIDIOC_ENUMINPUT, 0xbfacca2c)  = 0
17 fstat64(4, {st_mode=S_IFCHR|0660, st_rdev=makedev(81, 0), ...}) = 0
18 ioctl(4, MATROXFB_TVOQUERYCTRL or VIDIOC_QUERYCTRL, 0xbfacca78) = -1 EINVAL (Invalid argument) 19 ioctl(4, VIDIOC_QUERYCAP or VT_OPENQRY, 0x9b40998) = 0
20 fcntl64(4, F_SETFD, FD_CLOEXEC)         = 0
21 ioctl(4, VIDIOC_ENUMINPUT, 0x9b40acc)   = 0
22 ioctl(4, VIDIOC_ENUMINPUT, 0x9b40b18)   = 0
23 ioctl(4, VIDIOC_ENUMINPUT, 0x9b40b64)   = 0
24 ioctl(4, VIDIOC_ENUMINPUT, 0x9b40bb0)   = 0
25 ioctl(4, VIDIOC_ENUMINPUT, 0x9b40bfc)   = -1 EINVAL (Invalid argument) 26 ioctl(4, VIDIOC_ENUMSTD, 0x9b40f8c)     = 0
27 ioctl(4, VIDIOC_ENUMSTD, 0x9b40fcc)     = 0
28 ioctl(4, VIDIOC_ENUMSTD, 0x9b4100c)     = 0
29 ioctl(4, VIDIOC_ENUMSTD, 0x9b4104c)     = 0
30 ioctl(4, VIDIOC_ENUMSTD, 0x9b4108c)     = 0
31 ioctl(4, VIDIOC_ENUMSTD, 0x9b410cc)     = 0
32 ioctl(4, VIDIOC_ENUMSTD, 0x9b4110c)     = 0
33 ioctl(4, VIDIOC_ENUMSTD, 0x9b4114c)     = -1 EINVAL (Invalid argument)
.......

2. 調用vivi的ioctl函數過程分析

由open函數返回值獲得設備節點句柄fd=4，只須要看關於4的ioctl的部分便可。ioctl函數在不一樣的函數中被調用，執行不一樣的功能：

// 1~7都是在v4l2_open裏調用
1). open 打開了兩次

2). ioctl(4, VIDIOC_QUERYCAP　　// 列舉性能

// 3~7 都是在get_device_capabilities裏調用，源碼中執行了屢次
3). for()
        ioctl(4, VIDIOC_ENUMINPUT   // 列舉輸入源,VIDIOC_ENUMINPUT/VIDIOC_G_INPUT/VIDIOC_S_INPUT不是必需的
4). for()
        ioctl(4, VIDIOC_ENUMSTD // 列舉標準(制式), 不是必需的
5). for()
        ioctl(4, VIDIOC_ENUM_FMT // 列舉格式

6). ioctl(4, VIDIOC_G_PARM
7). for()
ioctl(4, VIDIOC_QUERYCTRL // 查詢屬性(好比說亮度值最小值、最大值、默認值)

// 8~10都是經過v4l2_read_attr來調用的

8). ioctl(4, VIDIOC_G_STD // 得到當前使用的標準(制式), 不是必需的

9). ioctl(4, VIDIOC_G_INPUT

10). ioctl(4, VIDIOC_G_CTRL // 得到當前屬性, 好比亮度是多少

11). ioctl(4, VIDIOC_TRY_FMT // 試試可否支持某種格式

12). ioctl(4, VIDIOC_S_FMT // 設置攝像頭使用某種格式

// 13~16在v4l2_start_streaming
13). ioctl(4, VIDIOC_REQBUFS          // 請求系統分配緩衝區
14). for()
        ioctl(4, VIDIOC_QUERYBUF         // 查詢所分配的緩衝區
        mmap
15). for ()
        ioctl(4, VIDIOC_QBUF             // 把緩衝區放入隊列
16). ioctl(4, VIDIOC_STREAMON     // 啓動攝像頭

// 17裏都是經過v4l2_write_attr來調用的
17). for ()
    ioctl(4, VIDIOC_S_CTRL               // 設置屬性
    ioctl(4, VIDIOC_S_INPUT             // 設置輸入源
    ioctl(4, VIDIOC_S_STD                 // 設置標準(制式), 不是必需的

// v4l2_nextframe > v4l2_waiton
18). v4l2_queue_all
     v4l2_waiton
        for ()
        {
            select(5, [4], NULL, NULL, {5, 0})      = 1 (in [4], left {4, 985979})
            ioctl(4, VIDIOC_DQBUF                // de-queue, 把緩衝區從隊列中取出
            // 處理, 以前的mmp函數已經得到了緩衝區的地址, 就能夠直接訪問數據
            ioctl(4, VIDIOC_QBUF                 // 把緩衝區放入隊列
        }

3. vivi驅動必不可少的11個ioctl

在linux 2.6.31.14 內核中，當應用程序調用v4l2框架裏的ioctl時，最終會調用到vivi.c裏的vivi_ioctl_ops結構體中的各個函數。

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例如：當執行ioctl(4, VIDIOC_REQBUFS // 請求系統分配緩衝區，函數的調用過程：

--->調用v4l2_dev.c中的 .unlocked_ioctl = v4l2_ioctl,

　　struct video_device *vdev = video_devdata(filp); //次設備號找到對應的video_device

　　ret = vdev->fops->ioctl(filp, cmd, arg);//最終會調用到vivi.c中的 .unlocked_ioctl = video_ioctl2, /* V4L2 ioctl handler */

　　　　-->video_ioctl2 // video_usercopy(file, cmd, arg, __video_do_ioctl); 此時進入了v4l2_ioctl.c文件中

　　　　　　-->__video_do_ioctl

　　　　　　　 struct video_device *vfd = video_devdata(file);//次設備號找到對應的video_device

　　　　　　　 const struct v4l2_ioctl_ops *ops = vfd->ioctl_ops;

　　　　　　　 ret = ops->vidioc_reqbufs(file, fh, p); //調用vivi.c中的vivi_ioctl_ops結構體中的vidioc_reqbufs函數　　　　

__video_do_ioctl下面有對cmd的處理：

 1 case VIDIOC_REQBUFS:  2  {  3         struct v4l2_requestbuffers *p = arg;
 5         if (!ops->vidioc_reqbufs)  6             break;11         ret = check_fmt(ops, p->type);
15         if (p->type < V4L2_BUF_TYPE_PRIVATE) 16  CLEAR_AFTER_FIELD(p, memory);
18         ret = ops->vidioc_reqbufs(file, fh, p); 19         dbgarg(cmd, "count=%d, type=%s, memory=%s\n", 20                 p->count, 21                 prt_names(p->type, v4l2_type_names), 22                 prt_names(p->memory, v4l2_memory_names)); 23         break; 24     }

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

其中，vivi_ioctl_ops結構體爲：

 1 static const struct v4l2_ioctl_ops vivi_ioctl_ops = {  2     .vidioc_querycap      = vidioc_querycap,  3     .vidioc_enum_fmt_vid_cap  = vidioc_enum_fmt_vid_cap,  4     .vidioc_g_fmt_vid_cap     = vidioc_g_fmt_vid_cap,  5     .vidioc_try_fmt_vid_cap   = vidioc_try_fmt_vid_cap,  6     .vidioc_s_fmt_vid_cap     = vidioc_s_fmt_vid_cap,  7     .vidioc_reqbufs       = vidioc_reqbufs,  8     .vidioc_querybuf      = vidioc_querybuf,  9     .vidioc_qbuf          = vidioc_qbuf, 10     .vidioc_dqbuf         = vidioc_dqbuf, 11     .vidioc_s_std         = vidioc_s_std, 12     .vidioc_enum_input    = vidioc_enum_input, 13     .vidioc_g_input       = vidioc_g_input, 14     .vidioc_s_input       = vidioc_s_input, 15     .vidioc_streamon      = vidioc_streamon, 16     .vidioc_streamoff     = vidioc_streamoff, 17     .vidioc_log_status    = v4l2_ctrl_log_status, 18     .vidioc_subscribe_event = v4l2_ctrl_subscribe_event, 19     .vidioc_unsubscribe_event = v4l2_event_unsubscribe, 20 };

以上驅動程序結構體中必需的11個ioctl函數：

// 表示它是一個攝像頭設備
.vidioc_querycap = vidioc_querycap,

/* 用於列舉、得到、測試、設置攝像頭的數據的格式 */
.vidioc_enum_fmt_vid_cap = vidioc_enum_fmt_vid_cap,
.vidioc_g_fmt_vid_cap     = vidioc_g_fmt_vid_cap,
.vidioc_try_fmt_vid_cap   = vidioc_try_fmt_vid_cap,
.vidioc_s_fmt_vid_cap     = vidioc_s_fmt_vid_cap,

/* 緩衝區操做: 申請/查詢/放入隊列/取出隊列 */
.vidioc_reqbufs       = vidioc_reqbufs,
.vidioc_querybuf      = vidioc_querybuf,
.vidioc_qbuf          = vidioc_qbuf,
.vidioc_dqbuf         = vidioc_dqbuf,

// 啓動/中止
.vidioc_streamon = vidioc_streamon,
.vidioc_streamoff = vidioc_streamoff,

4.數據的獲取過程

1). 請求分配緩衝區:

　　ioctl(4, VIDIOC_REQBUFS // 請求系統分配緩衝區,

最終會調用vivi.c程序的vivi_ioctl_ops結構體的videobuf_reqbufs函數-->

　　videobuf_reqbufs(隊列, v4l2_requestbuffers) // 隊列在open函數用videobuf_queue_vmalloc_init初始化。根據xawtv程序中結構體的各項配置可知，這個IOCTL只是分配緩衝區的頭部信息，真正的緩存尚未分配。

2）查詢映射緩衝區:
ioctl(4, VIDIOC_QUERYBUF         // 查詢所分配的緩衝區
        videobuf_querybuf        // 得到緩衝區的數據格式、大小、每一行長度、高度
mmap(參數裏有"大小")   // 在這裏才分配緩存
        -->v4l2_mmap
            -->vivi_mmap
                -->videobuf_mmap_mapper
                    -->videobuf-vmalloc.c裏的__videobuf_mmap_mapper
                            mem->vmalloc = vmalloc_user(pages);   // 在這裏纔給緩衝區分配空間

3) 把緩衝區放入隊列:
ioctl(4, VIDIOC_QBUF             // 把緩衝區放入隊列
    調用videobuf_qbuf
        q->ops->buf_prepare(q, buf, field); // 調用驅動程序提供的函數作些預處理
        list_add_tail(&buf->stream, &q->stream); // 把緩衝區放入隊列的尾部
        q->ops->buf_queue(q, buf);           // 調用驅動程序提供的"入隊列函數"

4) 啓動攝像頭
ioctl(4, VIDIOC_STREAMON
videobuf_streamon
q->streaming = 1;

5) 用select查詢是否有數據，select(5, [4], NULL, NULL, {5, 0})；根據select原理可知，驅動程序裏一定有: 產生數據、喚醒進程
它會調用到驅動程序提供的vivi_poll函數

--->v4l2_poll
               -->vdev->fops->poll
                    -->vivi_poll
                        videobuf_poll_stream
                            // 從隊列的頭部得到緩衝區
                          buf = list_entry(q->stream.next, struct videobuf_buffer, stream);
若是緩衝區裏沒有數據的話，就執行poll_wait(file, &buf->done, wait)在buf->done裏休眠。

誰來產生數據、誰來喚醒它？
    內核線程vivi_thread每30MS執行一次，它調用
    vivi_thread_tick
        vivi_fillbuff(fh, buf); // 構造數據
        wake_up(&buf->vb.done); // 喚醒進程

在vivi.c裏面有它的喚醒函數 wake_up(&buf->vb.done) ，在vivi虛擬驅動裏採用一個內核線程vivi_thread ，使用vivi_sleep函數休眠，每隔一段時間使用vivi_thread_tick裏的vivi_fillbuff來產生數據，並喚醒進程wake_up(&buf->vb.done)。

6) 產生數據後從隊列裏取出緩衝區
// 有那麼多緩衝區，APP如何知道哪個緩衝區有數據？調用VIDIOC_DQBUF
ioctl(4, VIDIOC_DQBUF
    vidioc_dqbuf
        retval = stream_next_buffer(q, &buf, nonblocking);// 在隊列裏得到有數據的緩衝區
        list_del(&buf->stream);     // 把它從隊列中刪掉
        videobuf_status(q, b, buf, q->type);     // 把這個緩衝區的狀態返回給APP
應用程序根據VIDIOC_DQBUF所獲得緩衝區狀態，知道是哪個緩衝區有數據就去讀對應的地址(該地址來自前面的mmap)

注意：應用程序調用某個ioctl,vivi.c驅動程序必須提供相應的ioctl，它們實質上是調用系統提供的函數（例如videobuf-core.c和videobuf-vmalloc.c等）來實現相應的ioctl。

3、怎麼寫攝像頭驅動程序:
1. 分配video_device:video_device_alloc
2. 設置
   .fops
   .ioctl_ops (裏面須要設置11項)
   若是要用內核提供的緩衝區操做函數，還須要構造一個videobuf_queue_ops
3. 註冊: video_register_device

參考： https://blog.csdn.net/sinat_31500569/article/details/52050449

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