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V4L2框架基础

news 来源：原创 2025/9/4 12:59:44

一、V4L2视频设备驱动基础

1.V4L2是专门为Linux设备设计的整合视频框架（其主要核心在Linux内核，相当于Linux操作系统上层的视频源捕获驱动框架）。为上层访问系统底层的视频设备提供一个统一的标准接口。V4L2驱动框架能够支持多种类型：如视频I/O，radio设备、VBI设备。

V4L2支持以下主要设备类型，通过不同设备节点区分：

视频捕获设备（Video Capture）
例如USB摄像头（UVC兼容设备）、MIPI摄像头等，设备节点为/dev/videoX，是V4L2最常用的功能。
示例应用：实时视频采集、视频会议。

视频输出设备（Video Output）
用于向显示器、电视等输出视频信号，部分平台（如i.MX 6/7）支持此功能，但i.MX 8仅支持采集。

垂直消隐期设备（VBI）
处理视频消隐期间的数据（如电视字幕），设备节点为/dev/vbiX。

广播设备（Radio）
支持AM/FM调谐器，设备节点为/dev/radioX。

视频覆盖接口（Video Overlay）
允许视频数据直接从捕获设备传输到显示设备，无需CPU处理。

用户空间 - /dev/videoX：这是用户空间访问摄像头设备的接口文件。应用程序通过对 /dev/videoX（X 为具体数字，代表不同视频设备）进行读写、控制等操作，来获取摄像头数据或配置摄像头参数。
内核空间 - V4L2 设备号：用于标识 V4L2 设备，是内核区分不同设备的依据。系统通过设备号来定位和管理对应的 V4L2 设备驱动程序。
内核空间 - 平台 V4L2 驱动：V4L2_dev/V4L2_device ：与具体硬件平台相关的驱动部分，负责注册设备到 V4L2 驱动核心层，实现设备与核心层之间的交互，并提供一些平台相关的功能支持和硬件操作接口。
内核空间 - V4L2 驱动核心层：V4L2 框架的核心部分，提供了通用的视频设备驱动接口和功能。它管理和协调平台 V4L2 驱动以及具体传感器设备驱动之间的交互，对设备进行统一的管理和调度。
内核空间 - 字符设备驱动 (cdev)：V4L2 设备在 Linux 系统中以字符设备的形式存在，字符设备驱动负责提供基本的设备文件操作接口（如 open、read、write 等），使得用户空间能够通过文件操作的方式访问 V4L2 设备。
内核空间 - 具体传感器设备的驱动 V4L2_subdev：针对摄像头具体传感器硬件的驱动，负责初始化传感器、读取传感器数据，并且与 V4L2 驱动核心层交互，将传感器数据转换为 V4L2 框架可处理的格式。
硬件层面 - 摄像头传感器硬件设备：实际的物理硬件，负责捕捉光线并将其转换为电信号，进而产生原始的图像数据，是整个视频采集的源头。

2.V4L2常用结构体

a.v4l2_device：(属于整个输入设备的总结构体，有多少个输入设备就会有多少个v4l1抽象)。

b.v4l2_subdev：基于v4l2_device之下，代表一个设备的子设备。

c.vb2_queue：v4l2设备的混存管理操作。

d.video_device：专门用于为用户空间提供设备节点，就相当于提供系统调用的API函数（ioctl、open等等）。

e. v4l2_file_operations：定义了用户空间对 V4L2 设备进行文件操作（如打开、关闭、读写等）的函数接口，是用户空间与内核中 V4L2 设备交互的文件操作桥梁。
f. v4l2_ioctl_ops：规定了通过 ioctl 系统调用对 V4L2 设备进行控制操作的函数集合，用于实现对设备各种属性和功能的控制与配置。
g. v4l2_subdev：作为 v4l2_device 的子设备抽象，代表一个 V4L2 设备中的具体功能模块，如摄像头的传感器、ISP 芯片等，负责特定子功能的实现和管理。
h. v4l2_subdev_ops：定义了针对 v4l2_subdev 子设备的操作方法集，涵盖了对子设备的初始化、配置、控制等操作的函数接口，实现对子设备的具体操作逻辑。

1. v4l2_device

功能作用：

v4l2_device 是整个 V4L2 框架的核心结构体，用于表示一个 V4L2 设备实例。它是整个输入设备的总结构体，相当于 V4L2 框架的入口，管理所有子设备（如 ISP、CSI、MIPI 等）。
它包含指向子设备链表的指针、媒体设备（media_device）的指针、锁、通知操作、控制处理器等数据结构。
当 v4l2_device 被移除时，系统会自动注销所有注册的子设备。

使用方法：

在驱动程序中，首先需要通过 v4l2_device_register() 函数注册一个 v4l2_device 实例。
驱动程序需要为每个设备分配一个 v4l2_device 实例，并将其嵌入到更大的结构体中，以便与其他框架（如媒体设备框架）集成。
注册完成后，可以通过 v4l2_device_get() 获取对该实例的引用。

示例：

假设一个 USB 摄像头驱动程序，它会为摄像头创建一个 v4l2_device 实例。该实例会管理摄像头的所有功能模块（如 ISP【专门用于处理图像的芯片】、CSI【摄像头串行接口，是一种用于连接摄像头传感器和处理器的接口标准】），并通过 v4l2_device_register() 注册到系统中。用户可以通过 /dev/videoX 节点访问这些功能模块。

2. v4l2_subdev

功能作用：

v4l2_subdev 是基于 v4l2_device 的子设备结构体，用于抽象一个设备的子设备（如 ISP、CSI、MIPI 等）。它是 V4L2 框架中用于管理子设备的核心结构体。
它包含对子设备操作的函数集合（ops）和控制函数（ctrls），具体实现由硬件驱动完成。
子设备通过挂载到 v4l2_device 的子设备链表中进行统一管理。

使用方法：

在驱动程序中，需要为每个子设备创建一个 v4l2_subdev 实例，并将其挂载到对应的 v4l2_device 上。
驱动程序需要实现 ops 和 ctrls 函数，以支持子设备的操作和控制。
子设备可以通过 v4l2_subdev_register() 注册到系统中，并通过 v4l2_subdev_get() 获取引用。

示例：

在一个摄像头驱动程序中，ISP（图像信号处理器）和 CSI（摄像头接口）可以分别作为两个子设备。它们会创建各自的 v4l2_subdev 实例，并挂载到主 v4l2_device 上。用户可以通过 /dev/videoX 节点访问这些子设备的功能。

3. vb2_queue

功能作用：

vb2_queue 是 V4L2 设备的缓存管理操作结构体，用于管理视频缓冲区（buffer）的分配、提交和完成操作。
它与 vb2_v4l2_buffer 结合使用，用于实现数据流的实际逻辑和 DMA 操作。

使用方法：

在驱动程序中，需要为每个视频缓冲区队列创建一个 vb2_queue 实例，并将其与 vb2_v4l2_buffer 结合使用。
驱动程序需要实现缓冲区的分配、提交和完成回调函数，以支持数据流的处理。
用户可以通过 /dev/videoX 节点访问这些缓冲区队列，进行数据读写操作。

示例：

在一个视频解码器驱动程序中，可以为解码器创建一个 vb2_queue 实例。用户通过 /dev/videoX 节点提交视频帧缓冲区，驱动程序会将缓冲区分配给解码器进行解码处理。

4. video_device

功能作用：

video_device 是专门用于为用户空间提供设备节点（如 /dev/videoX）的结构体，相当于提供系统调用 API 函数（如 ioctl、open 等）。
它包含指向 v4l2_device 的指针、字符设备节点信息以及文件操作函数集合（如 fops 和 ioctl_ops）。

使用方法：

在驱动程序中，需要为每个设备节点创建一个 video_device 实例，并将其与 v4l2_device 连接。
驱动程序需要实现文件操作函数（如 open、release、ioctl 等），以支持用户空间的访问。
用户可以通过 /dev/videoX 节点访问设备的功能。

示例：

在一个摄像头驱动程序中，可以为摄像头创建一个 video_device 实例，并将其与主 v4l2_device 连接。用户通过 /dev/videoX 节点访问摄像头的功能，如打开摄像头、获取视频帧等。

5. v4l2_file_operations

功能作用：
v4l2_file_operations 是用于定义用户空间对 V4L2 设备进行文件操作的结构体。
为用户空间程序提供与 V4L2 设备交互的基本接口，包含打开、关闭、读取、写入等操作的函数指针。
驱动程序通过实现这些函数，处理用户空间对设备的文件操作请求，保障设备正常使用和数据正确传输。

使用方法：
在驱动程序中，需定义一个 v4l2_file_operations 结构体实例，并为各成员函数指针赋值，实现具体操作逻辑。
将该结构体实例与 video_device 结构体关联，让用户空间通过设备节点的文件操作能调用到相应处理函数。

示例：
在 USB 摄像头驱动程序中，定义 v4l2_file_operations 结构体实例。
实现 open 函数用于初始化摄像头设备，read 函数用于从摄像头读取视频数据。
将其与摄像头的 video_device 关联后，用户通过 /dev/videoX 节点执行 open 和 read 系统调用时，可调用驱动程序中的对应函数，完成对摄像头的操作和数据读取。

6. v4l2_ioctl_ops

功能作用：
v4l2_ioctl_ops 是用于定义通过 ioctl 系统调用对 V4L2 设备进行控制操作的结构体。
ioctl 是向设备驱动程序发送各种控制命令的系统调用，该结构体包含处理不同 ioctl 命令的函数指针。
驱动程序借助这些函数，依据用户发送的命令对设备进行配置、查询状态、执行特定操作等。

使用方法：
在驱动程序中，要定义一个 v4l2_ioctl_ops 结构体实例，并为各成员函数指针赋值，实现具体的 ioctl 命令处理逻辑。
把该结构体实例与 video_device 结构体关联，确保用户空间通过设备节点发送的 ioctl 命令能被正确处理。

示例：
在视频采集设备驱动程序中，定义 v4l2_ioctl_ops 结构体实例。
实现 VIDIOC_S_FMT 函数用于设置视频采集格式，VIDIOC_G_FMT 函数用于获取当前视频采集格式。
将其与设备的 video_device 关联后，用户通过 /dev/videoX 节点执行相应 ioctl 命令时，驱动程序会调用对应函数完成格式设置或查询操作。

7. v4l2_subdev_ops

功能作用：
v4l2_subdev_ops 是用于定义对 v4l2_subdev 子设备进行操作的结构体。
包含处理子设备初始化、参数设置、状态获取等各种操作的函数指针。
驱动程序通过实现这些函数，对 V4L2 设备中的子设备（如 ISP、CSI 等）进行精确控制和管理。

使用方法：
在驱动程序中，需为每个 v4l2_subdev 子设备定义一个 v4l2_subdev_ops 结构体实例，并为各成员函数指针赋值，实现具体的子设备操作逻辑。
将该结构体实例与对应的 v4l2_subdev 关联，使得对子设备的操作能调用到相应处理函数。

示例：
在摄像头驱动程序中，针对 ISP 子设备，定义 v4l2_subdev_ops 结构体实例。
实现 s_stream 函数用于启动或停止 ISP 的数据流处理，g_ctrl 函数用于获取 ISP 的某个控制参数。
将其与 ISP 的 v4l2_subdev 关联后，当需要对 ISP 进行操作时，可调用这些函数，完成对 ISP 的控制和状态查询。

v4l2_subdev_ops

功能作用：
v4l2_subdev_ops 是专门为 v4l2_subdev 子设备量身定制的操作方法集结构体。在 V4L2 框架里，一个完整的设备往往由多个子设备构成，像摄像头设备可能包含图像传感器、图像信号处理器（ISP）等子设备。v4l2_subdev 用于抽象这些子设备，而 v4l2_subdev_ops 则负责定义对这些子设备进行操作的具体方式。
它涵盖了一系列关键操作的函数接口，其中包括子设备的初始化操作。在系统启动或者设备接入时，需要对各个子设备进行初始化设置，使其处于正常工作状态，例如初始化传感器的参数、配置 ISP 的工作模式等。

使用方法：
在编写驱动程序时，首先要为每个 v4l2_subdev 子设备定义一个 v4l2_subdev_ops 结构体实例。这个实例就像是一个操作指南，明确了针对该子设备的各种操作函数。
为 v4l2_subdev_ops 结构体中的各个成员函数指针赋值，也就是实现具体的操作逻辑。例如，对于初始化函数，要编写代码完成子设备的硬件初始化、寄存器配置等工作；对于配置函数，要根据传入的参数对相应的子设备参数进行修改；对于控制函数，要实现启动、停止等操作的具体代码。
将定义好并赋值完成的 v4l2_subdev_ops 结构体实例与对应的 v4l2_subdev 子设备进行关联。这一步通常是通过设置 v4l2_subdev 结构体中的 ops 成员来完成的。关联之后，当需要对该子设备进行操作时，系统就会根据这个关联关系调用 v4l2_subdev_ops 中定义的相应函数。

示例：
以一个复杂的摄像头驱动程序为例，其中包含图像传感器和 ISP 这两个重要的子设备。
对于图像传感器子设备，定义一个 v4l2_subdev_ops 结构体实例 sensor_ops。在这个实例中，实现 init 函数用于对图像传感器进行初始化，比如设置传感器的分辨率、帧率等参数；实现 config 函数用于根据不同的拍摄场景（如白天、夜晚）动态调整传感器的曝光、增益等参数；实现 control 函数用于启动或停止传感器的数据采集。

3.V4L2对uvc免驱usb设备的编程框架主要采集USB摄像头。即V4L2（Video4Linux2）是一个用于Linux系统的视频设备驱动框架，它提供了一套API和接口，使得开发者可以方便地对视频设备进行编程操作。对于UVC（USB Video Class）免驱USB设备，如USB摄像头，V4L2提供了一种标准化的方式来采集视频数据。开发者可以利用V4L2提供的接口来打开设备、设置属性、采集数据等，而不需要为每个具体的设备编写特定的驱动程序。

4.采集方式：打开视频设备（设置视频设备属性：绽放、裁剪等）。在Linux编程中，直接使用ioctl()函数对设备I/O通道进行管理。

在Linux编程中，打开视频设备后，可以设置该视频设备的属性，例如裁剪、缩放等。这一步是可选的。在Linux编程中，一般使用ioctl函数来对设备的I/O通道进行管理。

具体解释如下：

打开视频设备：首先需要通过系统调用open()打开视频设备文件，例如/dev/video0，这将返回一个文件描述符（fd）。

设置视频设备属性：在打开视频设备后，可以设置该设备的一些属性，比如裁剪（crop）、缩放（scale）等。这些设置是可选的，可以根据具体需求来决定是否进行。

使用ioctl函数管理I/O通道：ioctl()函数是Linux系统中用于设备控制操作的系统调用，允许执行设备特定的操作。在视频采集过程中，ioctl()函数常用于设置视频格式、查询设备能力、请求和释放缓冲区等操作。ioctl()函数的原型如下：
   int ioctl(int fd, unsigned long request, ...);
fd：设备文件描述符，由open()函数返回。
request：具体的命令标志符，用于指定要执行的操作。
...：根据request的不同，可能需要传递额外的参数。

通过ioctl()函数，用户程序可以与内核中的设备驱动程序进行交互，从而实现对视频设备的精细控制。例如，可以使用VIDIOC_S_FMT命令来设置视频格式，使用VIDIOC_REQBUFS命令来请求帧缓冲区等。

5.V4L2操作流程：打开设备-->获取设备capability-->选择视频输入-->设置视频格式以及帧格式-->向驱动申请帧缓冲（不超过5个）-->申请物理内存-->开始视频采集-->出队列以取得已经采集数据的帧缓冲，获得原始采集数据-->停止视频采集-->关闭视频设备.

一、V4L2视频设备驱动基础

1. v4l2_device

2. v4l2_subdev

3. vb2_queue

4. video_device

5. v4l2_file_operations

6. v4l2_ioctl_ops

7. v4l2_subdev_ops

v4l2_subdev_ops

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