徹底分析虛擬視頻驅(qū)動(dòng)vivi（三）

印度阿三17 2019-03-28

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在Ubuntu系統(tǒng)中接上usb攝像頭設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)安裝對(duì)應(yīng)的usb設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。
我們現(xiàn)在要使用自己編譯的vivi驅(qū)動(dòng)，該怎么辦呢？
　　1.先安裝系統(tǒng)自帶的vivi驅(qū)動(dòng)和它所依賴的所有驅(qū)動(dòng)：sudo modprobe vivi ;
　　2.卸載原有的vivi驅(qū)動(dòng) ： sudo rmmod vivi ;
　　3.裝載自己的驅(qū)動(dòng) ：sudo insmod ./vivi.ko ;
然后 ls /dev/video* ,可以看到有一個(gè)video設(shè)備節(jié)點(diǎn) /dev/video0 ,即對(duì)應(yīng)的是vivi虛擬出來(lái)的視頻設(shè)備。
我們可以直接閱讀xawtv源碼，從main函數(shù)開(kāi)始一路分析它調(diào)用vivi驅(qū)動(dòng)的過(guò)程，但是這個(gè)過(guò)程會(huì)非常漫長(zhǎng)，因?yàn)樗苏{(diào)用vivi驅(qū)動(dòng)之外
，還會(huì)做許多其他的準(zhǔn)備工作。我們可以通過(guò)strace 這個(gè)命令來(lái)跟蹤調(diào)用過(guò)程。
本文目的：

(通過(guò)追蹤應(yīng)用程序xawtv調(diào)用驅(qū)動(dòng)vivi的過(guò)程，使之生成對(duì)應(yīng)的TXT文件，在文件中搜索 /dev/video*字段，得到一系列函數(shù)，再打開(kāi)xawtv源碼，得到vivi驅(qū)動(dòng)必須的系統(tǒng)調(diào)用，進(jìn)而分析驅(qū)動(dòng)框架)

一、xawtv所涉及的vivi驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)調(diào)用

使用方法：執(zhí)行 strace -o xawtv.txt xawtv ,生成了調(diào)用過(guò)程xawtv.txt

搜索 /dev/video0,得到如下：

open("/dev/video0", O_RDWR|O_LARGEFILE) = 4
ioctl(4, VIDIOC_QUERYCAP or VT_OPENQRY, 0x95b8998) = -1 EINVAL (Invalid argument)
close(4) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?= 0
open("/dev/video0", O_RDWR|O_LARGEFILE) = 4
.....
發(fā)現(xiàn)打開(kāi)了兩次，open成功之后得到file_fd =4,后面有一大堆ioctl,把所有的ioctl列舉出來(lái)，即可得到ioctl的過(guò)程：

open("/dev/video0", O_RDWR|O_LARGEFILE) = 4
ioctl(4, VIDIOC_QUERYCAP or VT_OPENQRY, 0xbff6c704) = 0
ioctl(4, VIDIOC_G_FMT or VT_SENDSIG, 0xbff6c638) = 0
ioctl(4, VIDIOC_ENUM_FMT or VT_SETMODE, 0xbff6c5ac) = 0
ioctl(4, 0xc02c564a, 0xbff6c518)        = -1 EINVAL (Invalid argument)
ioctl(4, VIDIOC_ENUM_FMT or VT_SETMODE, 0xbff6c5ac) = 0
ioctl(4, 0xc02c564a, 0xbff6c518)        = -1 EINVAL (Invalid argument)
ioctl(4, VIDIOC_ENUM_FMT or VT_SETMODE, 0xbff6c5ac) = 0
ioctl(4, 0xc02c564a, 0xbff6c518)        = -1 EINVAL (Invalid argument)
ioctl(4, VIDIOC_ENUM_FMT or VT_SETMODE, 0xbff6c5ac) = 0
ioctl(4, VIDIOC_ENUM_FMT or VT_SETMODE, 0xbff6c5ac) = 0
ioctl(4, VIDIOC_ENUM_FMT or VT_SETMODE, 0xbff6c5ac) = 0
ioctl(4, VIDIOC_ENUM_FMT or VT_SETMODE, 0xbff6c5ac) = -1 EINVAL (Invalid argument)
ioctl(4, VIDIOC_QUERYCAP or VT_OPENQRY, 0xbff6c544) = 0
ioctl(4, VIDIOC_G_INPUT, 0xbff6c3ec)    = 0
ioctl(4, VIDIOC_ENUMINPUT, 0xbff6c3ec)  = 0

View Code

xawtv涉及的vivi驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)調(diào)用：

// 1~7都是在v4l2_open里調(diào)用
1. open
2. ioctl(4, VIDIOC_QUERYCAP

// 3~7 都是在get_device_capabilities里調(diào)用
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(biāo)準(zhǔn)(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(比如說(shuō)亮度值最小值、最大值、默認(rèn)值)

// 8~10都是通過(guò)v4l2_read_attr來(lái)調(diào)用的        
8.  ioctl(4, VIDIOC_G_STD            // 獲得當(dāng)前使用的標(biāo)準(zhǔn)(制式), 不是必需的
9.  ioctl(4, VIDIOC_G_INPUT 
10. ioctl(4, VIDIOC_G_CTRL           // 獲得當(dāng)前屬性, 比如亮度是多少

11. ioctl(4, VIDIOC_TRY_FMT          // 試試能否支持某種格式
12. ioctl(4, VIDIOC_S_FMT            // 設(shè)置攝像頭使用某種格式


// 13~16在v4l2_start_streaming
13. ioctl(4, VIDIOC_REQBUFS          // 請(qǐng)求系統(tǒng)分配緩沖區(qū)
14. for()
        ioctl(4, VIDIOC_QUERYBUF         // 查詢所分配的緩沖區(qū)
        mmap        
15. for ()
        ioctl(4, VIDIOC_QBUF             // 把緩沖區(qū)放入隊(duì)列        
16. ioctl(4, VIDIOC_STREAMON             // 啟動(dòng)攝像頭


// 17里都是通過(guò)v4l2_write_attr來(lái)調(diào)用的
17. for ()
        ioctl(4, VIDIOC_S_CTRL           // 設(shè)置屬性
    ioctl(4, VIDIOC_S_INPUT              // 設(shè)置輸入源
    ioctl(4, VIDIOC_S_STD                // 設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)(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, 把緩沖區(qū)從隊(duì)列中取出
            // 處理, 之以已經(jīng)通過(guò)mmap獲得了緩沖區(qū)的地址, 就可以直接訪問(wèn)數(shù)據(jù)        
            ioctl(4, VIDIOC_QBUF                 // 把緩沖區(qū)放入隊(duì)列
        }

由上可知xawtv的幾大函數(shù)：

　　1. v4l2_open

　　2. v4l2_read_attr/v4l2_write_attr

　　3. v4l2_start_streaming

　　4. v4l2_nextframe/v4l2_waiton

攝像頭驅(qū)動(dòng)程序必需的11個(gè)ioctl:

// 表示它是一個(gè)攝像頭設(shè)備
    .vidioc_querycap      = vidioc_querycap,

    /* 用于列舉、獲得、測(cè)試、設(shè)置攝像頭的數(shù)據(jù)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,

    /* 緩沖區(qū)操作: 申請(qǐng)/查詢/放入隊(duì)列/取出隊(duì)列 */
    .vidioc_reqbufs       = vidioc_reqbufs,
    .vidioc_querybuf      = vidioc_querybuf,
    .vidioc_qbuf          = vidioc_qbuf,
    .vidioc_dqbuf         = vidioc_dqbuf,

    // 啟動(dòng)/停止
    .vidioc_streamon      = vidioc_streamon,
    .vidioc_streamoff     = vidioc_streamoff,

分析數(shù)據(jù)的獲取過(guò)程：

1. 請(qǐng)求分配緩沖區(qū): ioctl(4, VIDIOC_REQBUFS          // 請(qǐng)求系統(tǒng)分配緩沖區(qū)
                        videobuf_reqbufs(隊(duì)列, v4l2_requestbuffers) // 隊(duì)列在open函數(shù)用videobuf_queue_vmalloc_init初始化
                        // 注意：這個(gè)IOCTL只是分配緩沖區(qū)的頭部信息，真正的緩存還沒(méi)有分配呢
　　　　　　　　　　　　　　 //在驅(qū)動(dòng)程序有一條原則，這些資源只有在我們用到的時(shí)候才進(jìn)行分配
2. 查詢映射緩沖區(qū):
ioctl(4, VIDIOC_QUERYBUF         // 查詢所分配的緩沖區(qū)
        videobuf_querybuf        // 獲得緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)格式、每一行長(zhǎng)度、高度、緩沖區(qū)使用狀態(tài)、在內(nèi)核空間的偏移地址、緩沖區(qū)長(zhǎng)度等            
mmap(參數(shù)里有"大小")   // 在這里才分配緩存
        v4l2_mmap
            vivi_mmap
                videobuf_mmap_mapper
                    videobuf-vmalloc.c里的__videobuf_mmap_mapper
                            mem->vmalloc = vmalloc_user(pages);   // 在這里才給緩沖區(qū)分配空間

3. 把緩沖區(qū)放入隊(duì)列:
ioctl(4, VIDIOC_QBUF             // 把緩沖區(qū)放入隊(duì)列        
    videobuf_qbuf
        q->ops->buf_prepare(q, buf, field);  // 調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序提供的函數(shù)做些預(yù)處理
        list_add_tail(&buf->stream, &q->stream);  // 把緩沖區(qū)放入隊(duì)列的尾部
        q->ops->buf_queue(q, buf);           // 調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序提供的"入隊(duì)列函數(shù)"
        

4. 啟動(dòng)攝像頭
ioctl(4, VIDIOC_STREAMON
    videobuf_streamon
        q->streaming = 1;
        

5. 用select查詢是否有數(shù)據(jù)
          // 驅(qū)動(dòng)程序里必定有: 產(chǎn)生數(shù)據(jù)、喚醒進(jìn)程
          v4l2_poll
                vdev->fops->poll
                    vivi_poll   
                        videobuf_poll_stream
                            // 從隊(duì)列的頭部獲得緩沖區(qū)
                            buf = list_entry(q->stream.next, struct videobuf_buffer, stream);
                            
                            // 如果沒(méi)有數(shù)據(jù)則休眠，在buf->done這里進(jìn)行休眠                            
                            poll_wait(file, &buf->done, wait);

    誰(shuí)來(lái)產(chǎn)生數(shù)據(jù)、誰(shuí)來(lái)喚醒它？
    內(nèi)核線程vivi_thread每30MS執(zhí)行一次，它調(diào)用
    vivi_thread_tick
        vivi_fillbuff(fh, buf);  // 構(gòu)造數(shù)據(jù) 
        wake_up(&buf->vb.done);  // 喚醒進(jìn)程
          
6. 有數(shù)據(jù)后從隊(duì)列里取出緩沖區(qū)
// 有那么多緩沖區(qū)，APP如何知道哪一個(gè)緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)？調(diào)用VIDIOC_DQBUF
ioctl(4, VIDIOC_DQBUF 
    vidioc_dqbuf   
        // 在隊(duì)列里獲得有數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)
        retval = stream_next_buffer(q, &buf, nonblocking);
        
        // 把它從隊(duì)列中刪掉
        list_del(&buf->stream);
        
        // 把這個(gè)緩沖區(qū)的狀態(tài)返回給APP
        videobuf_status(q, b, buf, q->type);
        
7. 應(yīng)用程序根據(jù)VIDIOC_DQBUF所得到緩沖區(qū)狀態(tài)，知道是哪一個(gè)緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)
   就去讀對(duì)應(yīng)的地址(該地址來(lái)自前面的mmap)

總結(jié)數(shù)據(jù)獲取過(guò)程：（圖片來(lái)自：https://blog.csdn.net/ljmiaw/article/details/72801456）

怎么寫(xiě)攝像頭驅(qū)動(dòng)程序:
1. 分配video_device:video_device_alloc
2. 設(shè)置
　　.fops
　　.ioctl_ops (里面需要設(shè)置11項(xiàng))
　　如果要用內(nèi)核提供的緩沖區(qū)操作函數(shù)，還需要構(gòu)造一個(gè)videobuf_queue_ops
3. 注冊(cè): video_register_device

怎么寫(xiě)攝像頭驅(qū)動(dòng)程序:

1. 分配video_device:video_device_alloc

2. 設(shè)置 .fops .ioctl_ops (里面需要設(shè)置11項(xiàng)) 如果要用內(nèi)核提供的緩沖區(qū)操作函數(shù)，還需要構(gòu)造一個(gè)videobuf_queue_ops

3. 注冊(cè): video_register_device

來(lái)源：http://www./content-4-151051.html

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