原文链接：https://blog.csdn.net/lxllinux/article/details/81745452

ioctl详解

进入ioctl都是从cdev->ops->ioctl进入的，一般的驱动cdev都是驱动自己初始化的，在v4l2架构中，cdev都已经初始化完成，不需要驱动开发者来初始化，下面是v4l2的cdev->ops结构体v4l2_fops ：

static const struct file_operations v4l2_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.read = v4l2_read,
.write = v4l2_write,
.open = v4l2_open,
.get_unmapped_area = v4l2_get_unmapped_area,
.mmap = v4l2_mmap,
.unlocked_ioctl = v4l2_ioctl,
#ifdef CONFIG_COMPAT
.compat_ioctl = v4l2_compat_ioctl32,
#endif
.release = v4l2_release,
.poll = v4l2_poll,
.llseek = no_llseek,
};

可以看到ioctl有两个，一个unlocked_ioctl，另一个是compat_ioctl 兼容性的，其中的区别这里不多说，我们来看函数v4l2_ioctl：

static long v4l2_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
struct video_device *vdev = video_devdata(filp);
int ret = -ENODEV;
if (vdev->fops->unlocked_ioctl) {
struct mutex *lock = v4l2_ioctl_get_lock(vdev, cmd);
if (lock && mutex_lock_interruptible(lock))
return -ERESTARTSYS;
if (video_is_registered(vdev))
ret = vdev->fops->unlocked_ioctl(filp, cmd, arg);--正常进入函数|video_device->fops
if (lock)
mutex_unlock(lock);
} else
ret = -ENOTTY;
return ret;
}

从上可以看到要调用vdev->fops->unlocked_ioctl(filp, cmd, arg);具体驱动实现不同，以davinci平台为例来介绍，在vpfe_capture.c文件中，初始化过程中有

        vfd->fops       = &vpfe_fops;

static const struct v4l2_file_operations vpfe_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = vpfe_open,
.release = vpfe_release,
.unlocked_ioctl = video_ioctl2,
.mmap = vpfe_mmap,
.poll = vpfe_poll
};

那么是要调用video_ioctl2：

long video_ioctl2(struct file *file,
unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
return video_usercopy(file, cmd, arg, __video_do_ioctl);--这个函数最终是要调用__video_do_ioctl，当然他会做其他事，有兴趣的可以去了解
}

static long __video_do_ioctl(struct file *file,
unsigned int cmd, void *arg)
{
struct video_device *vfd = video_devdata(file);
const struct v4l2_ioctl_ops *ops = vfd->ioctl_ops;----|video_device->ioctl_ops(注意 video_device这几个函数的调用，要明白他们的作用)
bool write_only = false;
struct v4l2_ioctl_info default_info;
const struct v4l2_ioctl_info *info;
void *fh = file->private_data;
struct v4l2_fh *vfh = NULL;
int dev_debug = vfd->dev_debug;
long ret = -ENOTTY;
if (ops == NULL) {
pr_warn("%s: has no ioctl_ops.\n",
video_device_node_name(vfd));
return ret;
}
if (test_bit(V4L2_FL_USES_V4L2_FH, &vfd->flags))
vfh = file->private_data;
if (v4l2_is_known_ioctl(cmd)) {------------------------检查命令是否可用
info = &v4l2_ioctls[_IOC_NR(cmd)];
if (!test_bit(_IOC_NR(cmd), vfd->valid_ioctls) &&
!((info->flags & INFO_FL_CTRL) && vfh && vfh->ctrl_handler))
goto done;
if (vfh && (info->flags & INFO_FL_PRIO)) {
ret = v4l2_prio_check(vfd->prio, vfh->prio);
if (ret)
goto done;
}
} else {
default_info.ioctl = cmd;
default_info.flags = 0;
default_info.debug = v4l_print_default;
info = &default_info;
}
write_only = _IOC_DIR(cmd) == _IOC_WRITE;
if (info->flags & INFO_FL_STD) {-----进入正题，这几个if会判断cmd的类型，然后调用不同的函数，这里留个尾巴，详情见下一节
typedef int (*vidioc_op)(struct file *file, void *fh, void *p);
const void *p = vfd->ioctl_ops;
const vidioc_op *vidioc = p + info->u.offset;
/*调用驱动自定义的函数*/
ret = (*vidioc)(file, fh, arg);------------调用video_device->ioctl_ops
} else if (info->flags & INFO_FL_FUNC) {
/*调用架构定义的函数ops，ops最终还是要调用驱动自定义的函数*/
ret = info->u.func(ops, file, fh, arg);----调用video_device->ioctl_ops
} else if (!ops->vidioc_default) {
ret = -ENOTTY;
} else {
ret = ops->vidioc_default(file, fh,
vfh ? v4l2_prio_check(vfd->prio, vfh->prio) >= 0 : 0,
cmd, arg);----调用video_device->ioctl_ops->vidioc_default
}
done:
if (dev_debug & (V4L2_DEV_DEBUG_IOCTL | V4L2_DEV_DEBUG_IOCTL_ARG)) {
if (!(dev_debug & V4L2_DEV_DEBUG_STREAMING) &&
(cmd == VIDIOC_QBUF || cmd == VIDIOC_DQBUF))
return ret;
v4l_printk_ioctl(video_device_node_name(vfd), cmd);
if (ret < 0)
pr_cont(": error %ld", ret);
if (!(dev_debug & V4L2_DEV_DEBUG_IOCTL_ARG))
pr_cont("\n");
else if (_IOC_DIR(cmd) == _IOC_NONE)
info->debug(arg, write_only);
else {
pr_cont(": ");
info->debug(arg, write_only);
}
}
return ret;
}

ioctl命令分类

ioctl命令在文件v4l2-ioctl.c文件中实现，上面分析的函数__video_do_ioctl就在此文件中，在分析这个函数的过程中留了个尾巴，下面来分析一下

从上面的分析过程可以看出最终都是要调用video_device->ioctl_ops，而且调用时还需判断是INFO_FL_STD还是INFO_FL_FUNC，怎么判断呢，v4l2-ioctl.c有定义：

IOCTL_INFO_FNC(命令, 实现函数, 打印信息(debug使用), flag)，同样
IOCTL_INFO_STD(命令, 实现函数, 打印信息(debug使用), flag)

static struct v4l2_ioctl_info v4l2_ioctls[] = {
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_QUERYCAP, v4l_querycap, v4l_print_querycap, 0),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_ENUM_FMT, v4l_enum_fmt, v4l_print_fmtdesc, INFO_FL_CLEAR(v4l2_fmtdesc, type)),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_G_FMT, v4l_g_fmt, v4l_print_format, 0),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_S_FMT, v4l_s_fmt, v4l_print_format, INFO_FL_PRIO),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_REQBUFS, v4l_reqbufs, v4l_print_requestbuffers, INFO_FL_PRIO | INFO_FL_QUEUE),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_QUERYBUF, v4l_querybuf, v4l_print_buffer, INFO_FL_QUEUE | INFO_FL_CLEAR(v4l2_buffer, length)),
IOCTL_INFO_STD(VIDIOC_G_FBUF, vidioc_g_fbuf, v4l_print_framebuffer, 0),
IOCTL_INFO_STD(VIDIOC_S_FBUF, vidioc_s_fbuf, v4l_print_framebuffer, INFO_FL_PRIO),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_OVERLAY, v4l_overlay, v4l_print_u32, INFO_FL_PRIO),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_QBUF, v4l_qbuf, v4l_print_buffer, INFO_FL_QUEUE),
IOCTL_INFO_STD(VIDIOC_EXPBUF, vidioc_expbuf, v4l_print_exportbuffer, INFO_FL_QUEUE | INFO_FL_CLEAR(v4l2_exportbuffer, flags)),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_DQBUF, v4l_dqbuf, v4l_print_buffer, INFO_FL_QUEUE),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_STREAMON, v4l_streamon, v4l_print_buftype, INFO_FL_PRIO | INFO_FL_QUEUE),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_STREAMOFF, v4l_streamoff, v4l_print_buftype, INFO_FL_PRIO | INFO_FL_QUEUE),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_G_PARM, v4l_g_parm, v4l_print_streamparm, INFO_FL_CLEAR(v4l2_streamparm, type)),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_S_PARM, v4l_s_parm, v4l_print_streamparm, INFO_FL_PRIO),
IOCTL_INFO_STD(VIDIOC_G_STD, vidioc_g_std, v4l_print_std, 0),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_S_STD, v4l_s_std, v4l_print_std, INFO_FL_PRIO),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_ENUMSTD, v4l_enumstd, v4l_print_standard, INFO_FL_CLEAR(v4l2_standard, index)),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_ENUMINPUT, v4l_enuminput, v4l_print_enuminput, INFO_FL_CLEAR(v4l2_input, index)),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_G_CTRL, v4l_g_ctrl, v4l_print_control, INFO_FL_CTRL | INFO_FL_CLEAR(v4l2_control, id)),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_S_CTRL, v4l_s_ctrl, v4l_print_control, INFO_FL_PRIO | INFO_FL_CTRL),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_G_TUNER, v4l_g_tuner, v4l_print_tuner, INFO_FL_CLEAR(v4l2_tuner, index)),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_S_TUNER, v4l_s_tuner, v4l_print_tuner, INFO_FL_PRIO),
IOCTL_INFO_STD(VIDIOC_G_AUDIO, vidioc_g_audio, v4l_print_audio, 0),
IOCTL_INFO_STD(VIDIOC_S_AUDIO, vidioc_s_audio, v4l_print_audio, INFO_FL_PRIO),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_QUERYCTRL, v4l_queryctrl, v4l_print_queryctrl, INFO_FL_CTRL | INFO_FL_CLEAR(v4l2_queryctrl, id)),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_QUERYMENU, v4l_querymenu, v4l_print_querymenu, INFO_FL_CTRL | INFO_FL_CLEAR(v4l2_querymenu, index)),
IOCTL_INFO_STD(VIDIOC_G_INPUT, vidioc_g_input, v4l_print_u32, 0),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_S_INPUT, v4l_s_input, v4l_print_u32, INFO_FL_PRIO),
IOCTL_INFO_STD(VIDIOC_G_EDID, vidioc_g_edid, v4l_print_edid, 0),
IOCTL_INFO_STD(VIDIOC_S_EDID, vidioc_s_edid, v4l_print_edid, INFO_FL_PRIO),
IOCTL_INFO_STD(VIDIOC_G_OUTPUT, vidioc_g_output, v4l_print_u32, 0),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_S_OUTPUT, v4l_s_output, v4l_print_u32, INFO_FL_PRIO),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_ENUMOUTPUT, v4l_enumoutput, v4l_print_enumoutput, INFO_FL_CLEAR(v4l2_output, index)),
IOCTL_INFO_STD(VIDIOC_G_AUDOUT, vidioc_g_audout, v4l_print_audioout, 0),
IOCTL_INFO_STD(VIDIOC_S_AUDOUT, vidioc_s_audout, v4l_print_audioout, INFO_FL_PRIO),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_G_MODULATOR, v4l_g_modulator, v4l_print_modulator, INFO_FL_CLEAR(v4l2_modulator, index)),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_S_MODULATOR, v4l_s_modulator, v4l_print_modulator, INFO_FL_PRIO),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_G_FREQUENCY, v4l_g_frequency, v4l_print_frequency, INFO_FL_CLEAR(v4l2_frequency, tuner)),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_S_FREQUENCY, v4l_s_frequency, v4l_print_frequency, INFO_FL_PRIO),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_CROPCAP, v4l_cropcap, v4l_print_cropcap, INFO_FL_CLEAR(v4l2_cropcap, type)),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_G_CROP, v4l_g_crop, v4l_print_crop, INFO_FL_CLEAR(v4l2_crop, type)),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_S_CROP, v4l_s_crop, v4l_print_crop, INFO_FL_PRIO),
IOCTL_INFO_STD(VIDIOC_G_SELECTION, vidioc_g_selection, v4l_print_selection, INFO_FL_CLEAR(v4l2_selection, r)),
IOCTL_INFO_STD(VIDIOC_S_SELECTION, vidioc_s_selection, v4l_print_selection, INFO_FL_PRIO | INFO_FL_CLEAR(v4l2_selection, r)),
IOCTL_INFO_STD(VIDIOC_G_JPEGCOMP, vidioc_g_jpegcomp, v4l_print_jpegcompression, 0),
IOCTL_INFO_STD(VIDIOC_S_JPEGCOMP, vidioc_s_jpegcomp, v4l_print_jpegcompression, INFO_FL_PRIO),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_QUERYSTD, v4l_querystd, v4l_print_std, 0),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_TRY_FMT, v4l_try_fmt, v4l_print_format, 0),
IOCTL_INFO_STD(VIDIOC_ENUMAUDIO, vidioc_enumaudio, v4l_print_audio, INFO_FL_CLEAR(v4l2_audio, index)),
IOCTL_INFO_STD(VIDIOC_ENUMAUDOUT, vidioc_enumaudout, v4l_print_audioout, INFO_FL_CLEAR(v4l2_audioout, index)),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_G_PRIORITY, v4l_g_priority, v4l_print_u32, 0),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_S_PRIORITY, v4l_s_priority, v4l_print_u32, INFO_FL_PRIO),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_G_SLICED_VBI_CAP, v4l_g_sliced_vbi_cap, v4l_print_sliced_vbi_cap, INFO_FL_CLEAR(v4l2_sliced_vbi_cap, type)),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_LOG_STATUS, v4l_log_status, v4l_print_newline, 0),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_G_EXT_CTRLS, v4l_g_ext_ctrls, v4l_print_ext_controls, INFO_FL_CTRL),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_S_EXT_CTRLS, v4l_s_ext_ctrls, v4l_print_ext_controls, INFO_FL_PRIO | INFO_FL_CTRL),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_TRY_EXT_CTRLS, v4l_try_ext_ctrls, v4l_print_ext_controls, INFO_FL_CTRL),
IOCTL_INFO_STD(VIDIOC_ENUM_FRAMESIZES, vidioc_enum_framesizes, v4l_print_frmsizeenum, INFO_FL_CLEAR(v4l2_frmsizeenum, pixel_format)),
IOCTL_INFO_STD(VIDIOC_ENUM_FRAMEINTERVALS, vidioc_enum_frameintervals, v4l_print_frmivalenum, INFO_FL_CLEAR(v4l2_frmivalenum, height)),
IOCTL_INFO_STD(VIDIOC_G_ENC_INDEX, vidioc_g_enc_index, v4l_print_enc_idx, 0),
IOCTL_INFO_STD(VIDIOC_ENCODER_CMD, vidioc_encoder_cmd, v4l_print_encoder_cmd, INFO_FL_PRIO | INFO_FL_CLEAR(v4l2_encoder_cmd, flags)),
IOCTL_INFO_STD(VIDIOC_TRY_ENCODER_CMD, vidioc_try_encoder_cmd, v4l_print_encoder_cmd, INFO_FL_CLEAR(v4l2_encoder_cmd, flags)),
IOCTL_INFO_STD(VIDIOC_DECODER_CMD, vidioc_decoder_cmd, v4l_print_decoder_cmd, INFO_FL_PRIO),
IOCTL_INFO_STD(VIDIOC_TRY_DECODER_CMD, vidioc_try_decoder_cmd, v4l_print_decoder_cmd, 0),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_DBG_S_REGISTER, v4l_dbg_s_register, v4l_print_dbg_register, 0),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_DBG_G_REGISTER, v4l_dbg_g_register, v4l_print_dbg_register, 0),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_S_HW_FREQ_SEEK, v4l_s_hw_freq_seek, v4l_print_hw_freq_seek, INFO_FL_PRIO),
IOCTL_INFO_STD(VIDIOC_S_DV_TIMINGS, vidioc_s_dv_timings, v4l_print_dv_timings, INFO_FL_PRIO),
IOCTL_INFO_STD(VIDIOC_G_DV_TIMINGS, vidioc_g_dv_timings, v4l_print_dv_timings, 0),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_DQEVENT, v4l_dqevent, v4l_print_event, 0),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_SUBSCRIBE_EVENT, v4l_subscribe_event, v4l_print_event_subscription, 0),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_UNSUBSCRIBE_EVENT, v4l_unsubscribe_event, v4l_print_event_subscription, 0),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_CREATE_BUFS, v4l_create_bufs, v4l_print_create_buffers, INFO_FL_PRIO | INFO_FL_QUEUE),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_PREPARE_BUF, v4l_prepare_buf, v4l_print_buffer, INFO_FL_QUEUE),
IOCTL_INFO_STD(VIDIOC_ENUM_DV_TIMINGS, vidioc_enum_dv_timings, v4l_print_enum_dv_timings, 0),
IOCTL_INFO_STD(VIDIOC_QUERY_DV_TIMINGS, vidioc_query_dv_timings, v4l_print_dv_timings, 0),
IOCTL_INFO_STD(VIDIOC_DV_TIMINGS_CAP, vidioc_dv_timings_cap, v4l_print_dv_timings_cap, INFO_FL_CLEAR(v4l2_dv_timings_cap, type)),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_ENUM_FREQ_BANDS, v4l_enum_freq_bands, v4l_print_freq_band, 0),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_DBG_G_CHIP_INFO, v4l_dbg_g_chip_info, v4l_print_dbg_chip_info, INFO_FL_CLEAR(v4l2_dbg_chip_info, match)),
IOCTL_INFO_FNC(VIDIOC_QUERY_EXT_CTRL, v4l_query_ext_ctrl, v4l_print_query_ext_ctrl, INFO_FL_CTRL | INFO_FL_CLEAR(v4l2_query_ext_ctrl, id)),
};

上面的分析中一直说到video_device->ioctl_ops，那么ioctl_ops有多少函数呢。。很多见下：
算了还是不粘贴了自己去代码中看吧，这里只粘一点：

struct v4l2_ioctl_ops {
/* ioctl callbacks */
/* VIDIOC_QUERYCAP handler */
int (*vidioc_querycap)(struct file *file, void *fh, struct v4l2_capability *cap);
/* VIDIOC_ENUM_FMT handlers */
int (*vidioc_enum_fmt_vid_cap) (struct file *file, void *fh,
struct v4l2_fmtdesc *f);
int (*vidioc_enum_fmt_vid_overlay) (struct file *file, void *fh,
struct v4l2_fmtdesc *f);
int (*vidioc_enum_fmt_vid_out) (struct file *file, void *fh,
struct v4l2_fmtdesc *f);
int (*vidioc_enum_fmt_vid_cap_mplane)(struct file *file, void *fh,
struct v4l2_fmtdesc *f);
int (*vidioc_enum_fmt_vid_out_mplane)(struct file *file, void *fh,
struct v4l2_fmtdesc *f);
int (*vidioc_enum_fmt_sdr_cap) (struct file *file, void *fh,
struct v4l2_fmtdesc *f);
int (*vidioc_enum_fmt_sdr_out) (struct file *file, void *fh,
struct v4l2_fmtdesc *f);
。
。
。
/* DV Timings IOCTLs */
int (*vidioc_s_dv_timings) (struct file *file, void *fh,
struct v4l2_dv_timings *timings);
int (*vidioc_g_dv_timings) (struct file *file, void *fh,
struct v4l2_dv_timings *timings);
int (*vidioc_query_dv_timings) (struct file *file, void *fh,
struct v4l2_dv_timings *timings);
int (*vidioc_enum_dv_timings) (struct file *file, void *fh,
struct v4l2_enum_dv_timings *timings);
int (*vidioc_dv_timings_cap) (struct file *file, void *fh,
struct v4l2_dv_timings_cap *cap);
int (*vidioc_g_edid) (struct file *file, void *fh, struct v4l2_edid *edid);
int (*vidioc_s_edid) (struct file *file, void *fh, struct v4l2_edid *edid);
int (*vidioc_subscribe_event) (struct v4l2_fh *fh,
const struct v4l2_event_subscription *sub);
int (*vidioc_unsubscribe_event)(struct v4l2_fh *fh,
const struct v4l2_event_subscription *sub);
/* For other private ioctls */
long (*vidioc_default) (struct file *file, void *fh,
bool valid_prio, unsigned int cmd, void *arg);
};

ioctl调用总图

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

在应用程序获取视频数据的流程中，都是通过 ioctl 命令与驱动程序进行交互，常见的 ioctl 命令有：

VIDIOC_QUERYCAP /* 获取设备支持的操作 */
VIDIOC_G_FMT /* 获取设置支持的视频格式 */
VIDIOC_S_FMT /* 设置捕获视频的格式 */
VIDIOC_REQBUFS /* 向驱动提出申请内存的请求 */
VIDIOC_QUERYBUF /* 向驱动查询申请到的内存 */
VIDIOC_QBUF /* 将空闲的内存加入可捕获视频的队列 */
VIDIOC_DQBUF /* 将已经捕获好视频的内存拉出已捕获视频的队列 */
VIDIOC_STREAMON /* 打开视频流 */
VIDIOC_STREAMOFF /* 关闭视频流 */
VIDIOC_QUERYCTRL /* 查询驱动是否支持该命令 */
VIDIOC_G_CTRL /* 获取当前命令值 */
VIDIOC_S_CTRL /* 设置新的命令值 */
VIDIOC_G_TUNER /* 获取调谐器信息 */
VIDIOC_S_TUNER /* 设置调谐器信息 */
VIDIOC_G_FREQUENCY /* 获取调谐器频率 */
VIDIOC_S_FREQUENCY /* 设置调谐器频率 */

1、struct v4l2_capability 与 VIDIOC_QUERYCAP
VIDIOC_QUERYCAP 命令通过结构 v4l2_capability 获取设备支持的操作模式

struct v4l2_capability {
__u8 driver[16]; /* i.e. "bttv" */
__u8 card[32]; /* i.e. "Hauppauge WinTV" */
__u8 bus_info[32]; /* "PCI:" + pci_name(pci_dev) */
__u32 version; /* should use KERNEL_VERSION() */
__u32 capabilities; /* Device capabilities */
__u32 reserved[4];
};

其中域 capabilities 代表设备支持的操作模式，常见的值有 V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE | V4L2_CAP_STREAMING 表示是一个视频捕捉设备并且具有数据流控制模式；另外 driver 域需要和 struct video_device 中的 name 匹配。
2、struct v4l2_format 与 VIDIOC_G_FMT、VIDIOC_S_FMT、VIDIOC_TRY_FMT

通常用 VIDIOC_S_FMT 命令通过结构 v4l2_format 初始化捕获视频的格式，如果要改变格式则用 VIDIOC_TRY_FMT 命令：

struct v4l2_format {
enum v4l2_buf_type type;
union {
struct v4l2_pix_format pix; /* V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE */
struct v4l2_window win; /* V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OVERLAY */
struct v4l2_vbi_format vbi; /* V4L2_BUF_TYPE_VBI_CAPTURE */
struct v4l2_sliced_vbi_format sliced; /* V4L2_BUF_TYPE_SLICED_VBI_CAPTURE */
__u8 raw_data[200]; /* user-defined */
} fmt;
};
其中
enum v4l2_buf_type {
V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE = 1,
V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT = 2,
V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OVERLAY = 3,
...
V4L2_BUF_TYPE_PRIVATE = 0x80,
};
struct v4l2_pix_format {
__u32 width;
__u32 height;
__u32 pixelformat;
enum v4l2_field field;
__u32 bytesperline; /* for padding, zero if unused */
__u32 sizeimage;
enum v4l2_colorspace colorspace;
__u32 priv; /* private data, depends on pixelformat */
};

常见的捕获模式为 V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE 即视频捕捉模式，在此模式下 fmt 联合体采用域 v4l2_pix_format：其中 width 为视频的宽、height 为视频的高、pixelformat 为视频数据格式（常见的值有 V4L2_PIX_FMT_YUV422P | V4L2_PIX_FMT_RGB565）、bytesperline 为一行图像占用的字节数、sizeimage 则为图像占用的总字节数、colorspace 指定设备的颜色空间。
3、struct v4l2_requestbuffers 与 VIDIOC_REQBUFS

VIDIOC_REQBUFS 命令通过结构 v4l2_requestbuffers 请求驱动申请一片连续的内存用于缓存视频信息：

struct v4l2_requestbuffers {
__u32 count;
enum v4l2_buf_type type;
enum v4l2_memory memory;
__u32 reserved[2];
};
其中
enum v4l2_memory {
V4L2_MEMORY_MMAP = 1,
V4L2_MEMORY_USERPTR = 2,
V4L2_MEMORY_OVERLAY = 3,
};

count 指定根据图像占用空间大小申请的缓存区个数，type 为视频捕获模式，memory 为内存区的使用方式。

4、struct v4l2_buffer与 VIDIOC_QUERYBUF

VIDIOC_QUERYBUF 命令通过结构 v4l2_buffer 查询驱动申请的内存区信息：

struct v4l2_buffer {
__u32 index;
enum v4l2_buf_type type;
__u32 bytesused;
__u32 flags;
enum v4l2_field field;
struct timeval timestamp;
struct v4l2_timecode timecode;
__u32 sequence;
/* memory location */
enum v4l2_memory memory;
union {
__u32 offset;
unsigned long userptr;
} m;
__u32 length;
__u32 input;
__u32 reserved;
};

index 为缓存编号，type 为视频捕获模式，bytesused 为缓存已使用空间大小，flags 为缓存当前状态（常见值有 V4L2_BUF_FLAG_MAPPED | V4L2_BUF_FLAG_QUEUED | V4L2_BUF_FLAG_DONE，分别代表当前缓存已经映射、缓存可以采集数据、缓存可以提取数据），timestamp 为时间戳，sequence为缓存序号，memory 为缓存使用方式，offset 为当前缓存与内存区起始地址的偏移，length 为缓存大小，reserved 一般用于传递物理地址值。
另外 VIDIOC_QBUF 和 VIDIOC_DQBUF 命令都采用结构 v4l2_buffer 与驱动通信：VIDIOC_QBUF 命令向驱动传递应用程序已经处理完的缓存，即将缓存加入空闲可捕获视频的队列，传递的主要参数为 index；VIDIOC_DQBUF 命令向驱动获取已经存放有视频数据的缓存，v4l2_buffer 的各个域几乎都会被更新，但主要的参数也是 index，应用程序会根据 index 确定可用数据的起始地址和范围。

5、enum v4l2_buf_type 与 VIDIOC_STREAMON、VIDIOC_STREAMOFF

这两个命令使用的只是一个整形数据，即 v4l2_buf_type，一般只要指定其值为 V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE 即可。

6、struct v4l2_queryctrl 与 VIDIOC_QUERYCTRL

VIDIOC_QUERYCTRL 命令通过结构 v4l2_queryctrl 查询驱动是否支持该 id 代表的命令，并返回该命令的各种参数：

struct v4l2_queryctrl {
__u32 id; /* 命令编号 */
enum v4l2_ctrl_type type; /* 命令值的类型 */
__u8 name[32]; /* 命令名称*/
__s32 minimum; /* 最小的命令值 */
__s32 maximum; /* 最大的命令值 */
__s32 step; /* 命令值变化的步长 */
__s32 default_value; /* 默认的命令值 */
__u32 flags; /* 命令的标志 */
__u32 reserved[2]; /* 命令值的位图表示 */
};
其中
enum v4l2_ctrl_type {
V4L2_CTRL_TYPE_INTEGER = 1, /* 整形 */
V4L2_CTRL_TYPE_BOOLEAN = 2, /* 真值 */
V4L2_CTRL_TYPE_MENU = 3, /* 菜单 */
V4L2_CTRL_TYPE_BUTTON = 4, /* 无值 */
V4L2_CTRL_TYPE_INTEGER64 = 5, /* 后面三种不常用 */
V4L2_CTRL_TYPE_CTRL_CLASS = 6,
V4L2_CTRL_TYPE_STRING = 7,
};
命令的标志取值如下：
/* Control flags */
#define V4L2_CTRL_FLAG_DISABLED 0x0001
#define V4L2_CTRL_FLAG_GRABBED 0x0002
#define V4L2_CTRL_FLAG_READ_ONLY 0x0004
#define V4L2_CTRL_FLAG_UPDATE 0x0008
#define V4L2_CTRL_FLAG_INACTIVE 0x0010
#define V4L2_CTRL_FLAG_SLIDER 0x0020
#define V4L2_CTRL_FLAG_WRITE_ONLY 0x0040
/* Query flag, to be ORed with the control ID */
#define V4L2_CTRL_FLAG_NEXT_CTRL 0x80000000

id 是命令的编号，常见的命令有两种：一种以 V4L2_CID_BASE 为起始值，是公用命令；一种以 V4L2_CID_PRIVATE_BASE 为起始值，是私有命令。在一般的应用中命令值可见如下：

V4L2_CID_CONTRAST (V4L2_CID_BASE+1) /* 对比度调节 */
V4L2_CID_SATURATION (V4L2_CID_BASE+2) /* 饱和度调节 */
V4L2_CID_AUDIO_VOLUME (V4L2_CID_BASE+5) /* 音量调节 */
V4L2_CID_AUDIO_MUTE (V4L2_CID_BASE+9) /* 静音设置 */
V4L2_CID_DO_WHITE_BALANCE (V4L2_CID_BASE+13) /* 白平衡调节 */
V4L2_CID_GAMMA (V4L2_CID_BASE+16) /* 伽马值调节 */
V4L2_CID_EXPOSURE (V4L2_CID_BASE+17) /* 曝光度调节 */
V4L2_CID_PRIVATE_ATXX_FLASH (V4L2_CID_PRIVATE_BASE + 2) /* 闪光灯控制 */
V4L2_CID_PRIVATE_ATXX_FRAME (V4L2_CID_PRIVATE_BASE + 12) /* 帧率调节 */

type 为命令值的类型（总共有7中类型的值），name 是命令的名称，reserved 则是命令值的位图表示，驱动会将所有的命令值都以 bit 的形式写到 64 位的域中，上层应用查询时可以根据位图判断命令支持的值。

7、struct v4l2_control 与 VIDIOC_G_CTRL、VIDIOC_S_CTRL

VIDIOC_S_CTRL 或 VIDIOC_G_CTRL 命令通过结构 v4l2_control 设置或者获取 id 命令的值：

struct v4l2_control {
__u32 id;
__s32 value;
};

这个结构只有 2 个域，id 是命令编号，value 则是命令的值。

8、struct v4l2_tuner 与 VIDIOC_G_TUNER、VIDIOC_S_TUNER

VIDIOC_S_TUNER 或 VIDIOC_G_TUNER 命令通过结构 v4l2_tuner 设置调谐器的信息：

struct v4l2_tuner {
__u32 index; /* 调谐器编号，由应用程序设置 */
__u8 name[32]; /* 调谐器名称 */
enum v4l2_tuner_type type; /* 调谐器类型 */
__u32 capability; /* 调谐器支持的操作 */
__u32 rangelow; /* 最低频率值，单位为62.5Hz或者62.5KHz */
__u32 rangehigh; /* 最高频率值 */
__u32 rxsubchans; /* 接收的音频信号类型 */
__u32 audmode; /* 当前音频播放形式 */
__s32 signal; /* 信号强度 */
__s32 afc; /* 自动频率控制 */
__u32 reserved[4]; /* 保留备用 */
};
其中
enum v4l2_tuner_type {
V4L2_TUNER_RADIO = 1, /* 调频收音机 */
V4L2_TUNER_ANALOG_TV = 2, /* 模拟电视高频头 */
V4L2_TUNER_DIGITAL_TV = 3, /* 数字电视高频头 */
};

其中域 type 有三种类型；capability 域一般为 V4L2_TUNER_CAP_LOW，表明频率调节的步长是62.5Hz，如果没有这个标志位则步长为62.5KHz；rangelow 与 rangehigh 是调谐器可以调频率的最高值和最低值，但都以步长为单位表示；rxsubchans 表示调谐器接收的音频信号类型，常见值有 V4L2_TUNER_SUB_MONO | V4L2_TUNER_SUB_STEREO 即单声道与立体声；audmode 表示以何种方式播放声音，常见值有 V4L2_TUNER_MODE_MONO | V4L2_TUNER_MODE_STEREO，即以单声道还是立体声的方式播放；signal 为当前信号强度，一般取值范围为 0 - 65535。
9、struct v4l2_frequency 与 VIDIOC_G_FREQUENCY、VIDIOC_S_FREQUENCY

VIDIOC_S_FREQUENCY 或 VIDIOC_G_FREQUENCY 命令通过结构 v4l2_frequency 设置或获取当前频率值：

struct v4l2_frequency {
__u32 tuner; /* 调谐器编号 */
enum v4l2_tuner_type type; /* 调谐器类型 */
__u32 frequency; /* 调谐器频率 */
__u32 reserved[8];
};

注意：frequency 的值是以62.5Hz 或者 62.5KHZ 为单位的。

附：_IO、_IOR、_IOW、_IOWR 宏的使用说明

驱动程序中 ioctl 函数传递的变量 cmd 是应用程序向驱动程序请求处理的命令。cmd 除了用于区别不同命令的数值，还可包含有助于处理的几种信息。cmd 的大小为 32 bit，共分 4 个域：

bit29 ~ bit31： 3bit 为 “读写” 区，作用是区分是读命令还是写命令。
bit16 ~ bit28：13bit 为 "数据大小" 区，表示 ioctl 中的 arg 变量传递的数据大小；有时候为 14bit 即将 bit29 覆盖。
bit8 ~ bit15： 8bit 为 “魔数"(也称为"幻数")区，这个值用以与其它设备驱动程序的 ioctl 命令进行区别。
bit0 ~ bit7： 8bit 为 "序号" 区，是区分命令的命令顺序序号。

魔数（magic number）
魔数范围为 0~255 。通常，用英文字符 'A' ~ 'Z' 或者 'a' ~ 'z' 来表示。设备驱动程序从传递进来的命令获取魔数，然后与自身处理的魔数想比较，如果相同则处理，不同则不处理。魔数是拒绝误使用的初步辅助参数。设备驱动程序可以通过宏 _IOC_TYPE (cmd) 来获取魔数。不同的设备驱动程序最好设置不同的魔数，但并不是要求绝对，也是可以使用其他设备驱动程序已用过的魔数。

基数（序号）
基数用于区别各种命令。通常，从 0开始递增，相同设备驱动程序上可以重复使用该值。例如，读和写命令中使用了相同的基数，设备驱动程序也能分辨出来，原因在于设备驱动程序区分命令时使用 switch ，且直接使用命令变量 cmd 值。创建命令的宏生成的值由多个域组合而成，所以即使是相同的基数，也会判断为不同的命令。设备驱动程序想要从命令中获取该基数，就使用宏 _IOC_NR (cmd)。

下面我们看一下上述宏在内核中的原型：

/*
* Our DIR and SIZE overlap in order to simulteneously provide
* a non-zero _IOC_NONE (for binary compatibility) and
* 14 bits of size as on i386. Here's the layout:
*
* 0xE0000000 DIR 3bit
* 0x80000000 DIR = WRITE bit31
* 0x40000000 DIR = READ bit30
* 0x20000000 DIR = NONE bit29
* 0x3FFF0000 SIZE (overlaps NONE bit) 13bit
* 0x0000FF00 TYPE 8bit
* 0x000000FF NR (CMD) 8bit
*/
/* 各个域的长度 */
#define _IOC_NRBITS 8
#define _IOC_TYPEBITS 8
#define _IOC_SIZEBITS 13 /* Actually 14, see below. */
#define _IOC_DIRBITS 3
/* 各个域的掩码 */
#define _IOC_NRMASK ((1 << _IOC_NRBITS)-1)
#define _IOC_TYPEMASK ((1 << _IOC_TYPEBITS)-1)
#define _IOC_SIZEMASK ((1 << _IOC_SIZEBITS)-1)
#define _IOC_XSIZEMASK ((1 << (_IOC_SIZEBITS+1))-1)
#define _IOC_DIRMASK ((1 << _IOC_DIRBITS)-1)
/* 各个域的偏移 */
#define _IOC_NRSHIFT 0
#define _IOC_TYPESHIFT (_IOC_NRSHIFT + _IOC_NRBITS) /* 8 */
#define _IOC_SIZESHIFT (_IOC_TYPESHIFT + _IOC_TYPEBITS) /* 16 */
#define _IOC_DIRSHIFT (_IOC_SIZESHIFT + _IOC_SIZEBITS) /* 29 */
/* 读写域的值 */
#define _IOC_NONE 1U
#define _IOC_READ 2U
#define _IOC_WRITE 4U
#define _IOC(dir,type,nr,size) \
(((dir) << _IOC_DIRSHIFT) | \ /* 读写方向左移 29bit */
((type) << _IOC_TYPESHIFT) | \ /* 幻数左移 8bit */
((nr) << _IOC_NRSHIFT) | \ /* 命令序号 */
((size) << _IOC_SIZESHIFT)) /* 参数大小左移 16bit */
/* 宏原型，这里将会根据传递的数据类型取其长度 */
#define _IO(type,nr) _IOC(_IOC_NONE,(type),(nr),0)
#define _IOR(type,nr,size) _IOC(_IOC_READ,(type),(nr),sizeof(size))
#define _IOW(type,nr,size) _IOC(_IOC_WRITE,(type),(nr),sizeof(size))
#define _IOWR(type,nr,size) _IOC(_IOC_READ|_IOC_WRITE,(type),(nr),sizeof(size))
/* 获取各个域的值 */
#define _IOC_DIR(nr) (((nr) >> _IOC_DIRSHIFT) & _IOC_DIRMASK)
#define _IOC_TYPE(nr) (((nr) >> _IOC_TYPESHIFT) & _IOC_TYPEMASK)
#define _IOC_NR(nr) (((nr) >> _IOC_NRSHIFT) & _IOC_NRMASK)
#define _IOC_SIZE(nr) (((nr) >> _IOC_SIZESHIFT) & _IOC_SIZEMASK)

这里特别说明一下 _IO 宏，该宏没有可传递的变量，只用于发送命令。这是因为变量需要可变数据，只作为命令（比如 reset）使用时，没有必要判断设备上的数据，因此设备驱动程序没有必要执行文件相关的处理。在 v4l2 中使用示例如下：

#define VIDIOC_QUERYCAP _IOR('V', 0, struct v4l2_capability)
#define VIDIOC_RESERVED _IO('V', 1)
#define VIDIOC_S_FMT _IOWR('V', 5, struct v4l2_format)
#define VIDIOC_STREAMON _IOW('V', 18, int)

v4l2 中对上述宏命令的处理在 video_ioctl2 函数中：

static unsigned long cmd_input_size(unsigned int cmd)
{
#define CMDINSIZE(cmd, type, field) \
case VIDIOC_##cmd: \
return offsetof(struct v4l2_##type, field) + \ /* 域的偏移 */
sizeof(((struct v4l2_##type *)0)->field); /* 域的长度 */
switch (cmd) {
CMDINSIZE(ENUM_FMT, fmtdesc, type);
CMDINSIZE(G_FMT, format, type);
...
CMDINSIZE(ENUM_FRAMESIZES, frmsizeenum, pixel_format);
CMDINSIZE(ENUM_FRAMEINTERVALS, frmivalenum, height);
default:
return _IOC_SIZE(cmd); /* 剩下的是需要全部拷贝的命令 */
}
}
long video_ioctl2(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
char sbuf[128]; /* 在栈中分配128个字节空间用来储存命令的参数 */
void *mbuf = NULL;
void *parg = NULL; /* 参数存放的首地址 */
long err = -EINVAL;
int is_ext_ctrl;
size_t ctrls_size = 0;
void __user *user_ptr = NULL;
...
/* 判断是否包含读写命令,如果是则将用户空间的参数值拷贝到内核 */
if (_IOC_DIR(cmd) != _IOC_NONE) {
/* 判断参数大小是否超过128字节 */
if (_IOC_SIZE(cmd) <= sizeof(sbuf)) {
parg = sbuf;
} else {
/* 如果超过128字节则从堆中申请 */
mbuf = kmalloc(_IOC_SIZE(cmd), GFP_KERNEL);
if (NULL == mbuf)
return -ENOMEM;
parg = mbuf;
}
err = -EFAULT;
/* 如果包含写命令 */
if (_IOC_DIR(cmd) & _IOC_WRITE) {
/* 计算需要拷贝的有效数据长度,有的命令不需要全部拷贝 */
unsigned long n = cmd_input_size(cmd);
/* 从用户空间拷贝参数值 */
if (copy_from_user(parg, (void __user *)arg, n))
goto out;
/* 将剩下的空间清零 */
if (n < _IOC_SIZE(cmd))
memset((u8 *)parg + n, 0, _IOC_SIZE(cmd) - n);
} else {
/* 如果是只读命令则将整个buffer清零 */
memset(parg, 0, _IOC_SIZE(cmd));
}
}
...
/* 调用 v4l2_ioctl_ops 的成员函数处理命令 */
err = __video_do_ioctl(file, cmd, parg);
if (err == -ENOIOCTLCMD)
err = -EINVAL;
...
if (err < 0)
goto out;
out_ext_ctrl:
/* 如果包含读命令则将参数值拷贝到用户空间 */
switch (_IOC_DIR(cmd)) {
case _IOC_READ:
case (_IOC_WRITE | _IOC_READ):
if (copy_to_user((void __user *)arg, parg, _IOC_SIZE(cmd)))
err = -EFAULT;
break;
}
out:
kfree(mbuf);
return err;
}
EXPORT_SYMBOL(video_ioctl2);

然后我们在 struct v4l2_file_operations 中将 ioctl 成员设置为 video_ioctl2 即可。

Ioctl框架是由v4l2_ioctl.c文件实现，文件中定义结构体数组v4l2_ioctls，可以看做是ioctl指令和回调函数的关系表。用户空间调用系统调用ioctl，传递下来ioctl指令，然后通过查找此关系表找到对应回调函数

IOCTL调用的流程图如下：

用户空间通过打开/dev/目录下的设备节点，获取到文件的file结构体，通过系统调用ioctl把cmd和arg传入到内核。通过一系列的调用后最终会调用到__video_do_ioctl函数，然后通过cmd检索v4l2_ioctls[]，判断是INFO_FL_STD还是INFO_FL_FUNC。如果是INFO_FL_STD会直接调用到视频设备驱动中video_device->v4l2_ioctl_ops函数集。如果是INFO_FL_FUNC会先调用到v4l2自己实现的标准回调函数，然后根据arg再调用到video_device->v4l2_ioctl_ops或v4l2_fh->v4l2_ctrl_handler函数集。

posted @ 2022-04-17 18:37 张志伟122 阅读(577) 评论(0) 编辑收藏举报

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设备驱动-【转载】v4l2子系统驱动架构 - ioctl

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