Linux camera驱动(1)

1. 前言

V4L2是Video for linux2的简称，是 linux 中关于视频设备的内核驱动框架。

camera 驱动就采用了 V4L2框架，貌似收音机驱动也可以采用V4L2框架，因为我在V4L2部分看到了收音机相关的代码，但是没有深入研究，此处就不做讨论，本篇讨论摄像头驱动。

2. 概念

制式和帧格式是两个东西，制式是指PAL，NTSC这些东西；帧格式是指图像的宽度、高度等这些东西。

摄像头主要采用PAL和NTSC制式，采用PAL制式的摄像头为模拟摄像头，采用NTSC制式的摄像头为数字摄像头。

CSI和DPI是MIPI标准的一种，因为MIPI在移动领域应用范围太广了，各种外围设备都可以用它来传输信息，所以，MIPI联盟给不同的外设接口定义了版本名，CSI是for Camera的，DPI是for Display的。

2. 注释

在正式看代码之前，将一些结构体、变量、接口进行注释，有助于看代码时的流畅。

2.1 常用结构体

常用的结构体在内核目录include/linux/videodev2.h中定义

struct v4l2_requestbuffers    //申请帧缓冲，对应命令VIDIOC_REQBUFS
struct v4l2_capability        //视频设备的功能，对应命令VIDIOC_QUERYCAP
struct v4l2_input             //视频输入信息，对应命令VIDIOC_ENUMINPUT
struct v4l2_standard          //视频的制式，比如PAL，NTSC，对应命令VIDIOC_ENUMSTD
struct v4l2_format            //帧的格式，对应命令VIDIOC_G_FMT、VIDIOC_S_FMT等
struct v4l2_buffer            //驱动中的一帧图像缓存，对应命令VIDIOC_QUERYBUF
struct v4l2_crop              //视频信号矩形边框
v4l2_std_id                   //视频制式

2.2 IOCTL命令码

常用的IOCTL接口命令也在include/linux/videodev2.h中定义

VIDIOC_REQBUFS       //分配内存
VIDIOC_QUERYBUF      //把VIDIOC_REQBUFS中分配的数据缓存转换成物理地址
VIDIOC_QUERYCAP      //查询驱动功能
VIDIOC_ENUM_FMT      //获取当前驱动支持的视频格式
VIDIOC_S_FMT         //设置当前驱动的频捕获格式
VIDIOC_G_FMT         //读取当前驱动的频捕获格式
VIDIOC_TRY_FMT       //验证当前驱动的显示格式
VIDIOC_CROPCAP       //查询驱动的修剪能力
VIDIOC_S_CROP        //设置视频信号的矩形边框
VIDIOC_G_CROP       //读取视频信号的矩形边框
VIDIOC_QBUF         //把数据从缓存中读取出来
VIDIOC_DQBUF        //把数据放回缓存队列
VIDIOC_STREAMON     //开始视频显示函数
VIDIOC_STREAMOFF    //结束视频显示函数
VIDIOC_QUERYSTD     //检查当前视频设备支持的标准，例如PAL或NTSC。

3. 接口

V4L2规范中不仅定义了通用API元素(Common API Elements)，图像的格式(Image Formats)，输入/输出方法(Input/Output)，还定义了Linux内核驱动处理视频信息的一系列接口(Interfaces)，这些接口主要有：

Video Capture Interface   视频采集接口，这种接口应用于摄像头
Video Output Interface    视频输出接口，将静止图像或图像序列编码为模拟视频信号，通过此接口，应用程序可以控制编码过程并将图像从用户空间移动到驱动程序
Video Overlay Interface   视频覆盖/预览接口，可以将采集到的视频数据直接传输到显示设备，不需要cpu参与，这种方式的显示图像的效率比其他方式高得多
Video Output Overlay Interface 视频输出覆盖接口
Codec Interface           编解码接口

4. 设备

Video capture device ：从摄像头等设备上获取视频数据。对很多人来讲，video capture是V4L2的基本应用。设备名称为/dev/video,主设备号81，子设备号0~63

Video output device ：将视频数据编码为模拟信号输出。与video capture设备名相同。

Video overlay device ：将同步锁相视频数据（如TV）转换为VGA信号，或者将抓取的视频数据直接存放到视频卡的显存中。

Video output overlay device ：也被称为OSD(On-Screen Display)

VBI device ：提供对VBI（Vertical Blanking Interval）数据的控制，发送VBI数据或抓取VBI数据。设备名/dev/vbi0~vbi31,主设备号81,子设备号224~255

Radio device ： FM/AM发送和接收设备。设备名/dev/radio0~radio63,主设备号81，子设备号64~127

5. 数据采集

V4L2支持内存映射方式(mmap)和直接读取方式(read)来采集数据，前者一般用于连续视频数据的采集，后者常用于静态图片数据的采集，本文重点讨论内存映射方式的视频采集。

帧传输：使用read和write方法，每一帧都要通过I/O操作在用户和内核空间之间拷贝数据。

流传输：用户与内核空间之间交换缓冲区指针，这些缓冲区将被映射到应用的地址空间

流数据调用：支持流输入输出的驱动应该通知应用这一事实，方法是在“VIDIOC_QUERYCAP”下设置V4L2_CAP_STREAMING标签。