在應用程序獲取視頻數據的流程中，都是通過 ioctl 命令與驅動程序進行交互，常見的 ioctl 命令有：
[cpp]
VIDIOC_QUERYCAP /* 獲取設備支持的操作 */
VIDIOC_G_FMT /* 獲取設置支持的視頻格式 */
VIDIOC_S_FMT /* 設置捕獲視頻的格式 */
VIDIOC_REQBUFS /* 向驅動提出申請內存的請求 */
VIDIOC_QUERYBUF /* 向驅動查詢申請到的內存 */
VIDIOC_QBUF /* 將空閒的內存加入可捕獲視頻的隊列 */
VIDIOC_DQBUF /* 將已經捕獲好視頻的內存拉出已捕獲視頻的隊列 */
VIDIOC_STREAMON /* 打開視頻流 */
VIDIOC_STREAMOFF /* 關閉視頻流 */
VIDIOC_QUERYCTRL /* 查詢驅動是否支持該命令 */
VIDIOC_G_CTRL /* 獲取當前命令值 */
VIDIOC_S_CTRL /* 設置新的命令值 */
VIDIOC_G_TUNER /* 獲取調諧器信息 */
VIDIOC_S_TUNER /* 設置調諧器信息 */
VIDIOC_G_FREQUENCY /* 獲取調諧器頻率 */
VIDIOC_S_FREQUENCY /* 設置調諧器頻率 */
1、struct v4l2_capability 與 VIDIOC_QUERYCAP
VIDIOC_QUERYCAP 命令通過結構 v4l2_capability 獲取設備支持的操作模式：
[cpp]
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 代表設備支持的操作模式，常見的值有 V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE | V4L2_CAP_STREAMING 表示是一個視頻捕捉設備並且具有數據流控制模式；另外 driver 域需要和 struct video_device 中的 name 匹配。
2、struct v4l2_format 與 VIDIOC_G_FMT、VIDIOC_S_FMT、VIDIOC_TRY_FMT
通常用 VIDIOC_S_FMT 命令通過結構 v4l2_format 初始化捕獲視頻的格式，如果要改變格式則用 VIDIOC_TRY_FMT 命令：
[cpp]
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 */
};
常見的捕獲模式為 V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE 即視頻捕捉模式，在此模式下 fmt 聯合體采用域 v4l2_pix_format：其中 width 為視頻的寬、height 為視頻的高、pixelformat 為視頻數據格式（常見的值有 V4L2_PIX_FMT_YUV422P | V4L2_PIX_FMT_RGB565）、bytesperline 為一行圖像占用的字節數、sizeimage 則為圖像占用的總字節數、colorspace 指定設備的顏色空間。
3、struct v4l2_requestbuffers 與 VIDIOC_REQBUFS
VIDIOC_REQBUFS 命令通過結構 v4l2_requestbuffers 請求驅動申請一片連續的內存用於緩存視頻信息：
[cpp]
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 指定根據圖像占用空間大小申請的緩存區個數，type 為視頻捕獲模式，memory 為內存區的使用方式。
4、struct v4l2_buffer與 VIDIOC_QUERYBUF
VIDIOC_QUERYBUF 命令通過結構 v4l2_buffer 查詢驅動申請的內存區信息：
[cpp]
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 為緩存編號，type 為視頻捕獲模式，bytesused 為緩存已使用空間大小，flags 為緩存當前狀態（常見值有 V4L2_BUF_FLAG_MAPPED | V4L2_BUF_FLAG_QUEUED | V4L2_BUF_FLAG_DONE，分別代表當前緩存已經映射、緩存可以采集數據、緩存可以提取數據），timestamp 為時間戳，sequence為緩存序號，memory 為緩存使用方式，offset 為當前緩存與內存區起始地址的偏移，length 為緩存大小，reserved 一般用於傳遞物理地址值。
另外 VIDIOC_QBUF 和 VIDIOC_DQBUF 命令都采用結構 v4l2_buffer 與驅動通信：VIDIOC_QBUF 命令向驅動傳遞應用程序已經處理完的緩存，即將緩存加入空閒可捕獲視頻的隊列，傳遞的主要參數為 index；VIDIOC_DQBUF 命令向驅動獲取已經存放有視頻數據的緩存，v4l2_buffer 的各個域幾乎都會被更新，但主要的參數也是 index，應用程序會根據 index 確定可用數據的起始地址和范圍。
5、enum v4l2_buf_type 與 VIDIOC_STREAMON、VIDIOC_STREAMOFF
這兩個命令使用的只是一個整形數據，即 v4l2_buf_type，一般只要指定其值為 V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE 即可。
6、struct v4l2_queryctrl 與 VIDIOC_QUERYCTRL
VIDIOC_QUERYCTRL 命令通過結構 v4l2_queryctrl 查詢驅動是否支持該 id 代表的命令，並返回該命令的各種參數：
[cpp]
struct v4l2_queryctrl {
__u32 id; /* 命令編號 */
enum v4l2_ctrl_type type; /* 命令值的類型 */
__u8 name[32]; /* 命令名稱*/
__s32 minimum; /* 最小的命令值 */
__s32 maximum; /* 最大的命令值 */
__s32 step; /* 命令值變化的步長 */
__s32 default_value; /* 默認的命令值 */
__u32 flags; /* 命令的標志 */
__u32 reserved[2]; /* 命令值的位圖表示 */
};
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, /* 菜單 */
V4L2_CTRL_TYPE_BUTTON = 4, /* 無值 */
V4L2_CTRL_TYPE_INTEGER64 = 5, /* 後面三種不常用 */
V4L2_CTRL_TYPE_CTRL_CLASS = 6,
V4L2_CTRL_TYPE_STRING = 7,
};
命令的標志取值如下：
/* 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 是命令的編號，常見的命令有兩種：一種以 V4L2_CID_BASE 為起始值，是公用命令；一種以 V4L2_CID_PRIVATE_BASE 為起始值，是私有命令。在一般的應用中命令值可見如下：
[cpp]
V4L2_CID_CONTRAST (V4L2_CID_BASE+1) /* 對比度調節 */
V4L2_CID_SATURATION (V4L2_CID_BASE+2) /* 飽和度調節 */
V4L2_CID_AUDIO_VOLUME (V4L2_CID_BASE+5) /* 音量調節 */
V4L2_CID_AUDIO_MUTE (V4L2_CID_BASE+9) /* 靜音設置 */
V4L2_CID_DO_WHITE_BALANCE (V4L2_CID_BASE+13) /* 白平衡調節 */
V4L2_CID_GAMMA (V4L2_CID_BASE+16) /* 伽馬值調節 */
V4L2_CID_EXPOSURE (V4L2_CID_BASE+17) /* 曝光度調節 */
V4L2_CID_PRIVATE_ATXX_FLASH (V4L2_CID_PRIVATE_BASE + 2) /* 閃光燈控制 */
V4L2_CID_PRIVATE_ATXX_FRAME (V4L2_CID_PRIVATE_BASE + 12) /* 幀率調節 */
type 為命令值的類型（總共有7中類型的值），name 是命令的名稱，reserved 則是命令值的位圖表示，驅動會將所有的命令值都以 bit 的形式寫到 64 位的域中，上層應用查詢時可以根據位圖判斷命令支持的值。
7、struct v4l2_control 與 VIDIOC_G_CTRL、VIDIOC_S_CTRL
VIDIOC_S_CTRL 或 VIDIOC_G_CTRL 命令通過結構 v4l2_control 設置或者獲取 id 命令的值：
[cpp]
struct v4l2_control {
__u32 id;
__s32 value;
};
這個結構只有 2 個域，id 是命令編號，value 則是命令的值。
8、struct v4l2_tuner 與 VIDIOC_G_TUNER、VIDIOC_S_TUNER
VIDIOC_S_TUNER 或 VIDIOC_G_TUNER 命令通過結構 v4l2_tuner 設置調諧器的信息：
[cpp]
struct v4l2_tuner {
__u32 index; /* 調諧器編號，由應用程序設置 */
__u8 name[32]; /* 調諧器名稱 */
enum v4l2_tuner_type type; /* 調諧器類型 */
__u32 capability; /* 調諧器支持的操作 */
__u32 rangelow; /* 最低頻率值，單位為62.5Hz或者62.5KHz */
__u32 rangehigh; /* 最高頻率值 */
__u32 rxsubchans; /* 接收的音頻信號類型 */
__u32 audmode; /* 當前音頻播放形式 */
__s32 signal; /* 信號強度 */
__s32 afc; /* 自動頻率控制 */
__u32 reserved[4]; /* 保留備用 */
};
其中
enum v4l2_tuner_type {
V4L2_TUNER_RADIO = 1, /* 調頻收音機 */
V4L2_TUNER_ANALOG_TV = 2, /* 模擬電視高頻頭 */
V4L2_TUNER_DIGITAL_TV = 3, /* 數字電視高頻頭 */
};
其中域 type 有三種類型；capability 域一般為 V4L2_TUNER_CAP_LOW，表明頻率調節的步長是62.5Hz，如果沒有這個標志位則步長為62.5KHz；rangelow 與 rangehigh 是調諧器可以調頻率的最高值和最低值，但都以步長為單位表示；rxsubchans 表示調諧器接收的音頻信號類型，常見值有 V4L2_TUNER_SUB_MONO | V4L2_TUNER_SUB_STEREO 即單聲道與立體聲；audmode 表示以何種方式播放聲音，常見值有 V4L2_TUNER_MODE_MONO | V4L2_TUNER_MODE_STEREO，即以單聲道還是立體聲的方式播放；signal 為當前信號強度，一般取值范圍為 0 - 65535。
9、struct v4l2_frequency 與 VIDIOC_G_FREQUENCY、VIDIOC_S_FREQUENCY
VIDIOC_S_FREQUENCY 或 VIDIOC_G_FREQUENCY 命令通過結構 v4l2_frequency 設置或獲取當前頻率值：
[cpp] view plaincopy
struct v4l2_frequency {
__u32 tuner; /* 調諧器編號 */
enum v4l2_tuner_type type; /* 調諧器類型 */
__u32 frequency; /* 調諧器頻率 */
__u32 reserved[8];
};
注意：frequency 的值是以62.5Hz 或者 62.5KHZ 為單位的。
附1、_IO、_IOR、_IOW、_IOWR 宏的使用說明
驅動程序中 ioctl 函數傳遞的變量 cmd 是應用程序向驅動程序請求處理的命令。cmd 除了用於區別不同命令的數值，還可包含有助於處理的幾種信息。cmd 的大小為 32 bit，共分 4 個域：
bit29 ~ bit31： 3bit 為 “讀寫” 區，作用是區分是讀命令還是寫命令。
bit16 ~ bit28：13bit 為 "數據大小" 區，表示 ioctl 中的 arg 變量傳遞的數據大小；有時候為 14bit 即將 bit29 覆蓋。
bit8 ~ bit15： 8bit 為 “魔數"(也稱為"幻數")區，這個值用以與其它設備驅動程序的 ioctl 命令進行區別。
bit0 ~ bit7： 8bit 為 "序號" 區，是區分命令的命令順序序號。
魔數（magic number）
魔數范圍為 0~255 。通常，用英文字符 'A' ~ 'Z' 或者 'a' ~ 'z' 來表示。設備驅動程序從傳遞進來的命令獲取魔數，然後與自身處理的魔數想比較，如果相同則處理，不同則不處理。魔數是拒絕誤使用的初步輔助參數。設備驅動程序可以通過宏 _IOC_TYPE (cmd) 來獲取魔數。不同的設備驅動程序最好設置不同的魔數，但並不是要求絕對，也是可以使用其他設備驅動程序已用過的魔數。
基數（序號）
基數用於區別各種命令。通常，從 0開始遞增，相同設備驅動程序上可以重復使用該值。例如，讀和寫命令中使用了相同的基數，設備驅動程序也能分辨出來，原因在於設備驅動程序區分命令時使用 switch ，且直接使用命令變量 cmd 值。創建命令的宏生成的值由多個域組合而成，所以即使是相同的基數，也會判斷為不同的命令。設備驅動程序想要從命令中獲取該基數，就使用宏 _IOC_NR (cmd)。
下面我們看一下上述宏在內核中的原型：
[cpp]
/*
* 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
*/
/* 各個域的長度 */
#define _IOC_NRBITS 8
#define _IOC_TYPEBITS 8
#define _IOC_SIZEBITS 13 /* Actually 14, see below. */
#define _IOC_DIRBITS 3
/* 各個域的掩碼 */
#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)
/* 各個域的偏移 */
#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 */
/* 讀寫域的值 */
#define _IOC_NONE 1U
#define _IOC_READ 2U
#define _IOC_WRITE 4U
#define _IOC(dir,type,nr,size) \
(((dir) << _IOC_DIRSHIFT) | \ /* 讀寫方向左移 29bit */
((type) << _IOC_TYPESHIFT) | \ /* 幻數左移 8bit */
((nr) << _IOC_NRSHIFT) | \ /* 命令序號 */
((size) << _IOC_SIZESHIFT)) /* 參數大小左移 16bit */
/* 宏原型，這裡將會根據傳遞的數據類型取其長度 */
#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))
/* 獲取各個域的值 */
#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)
這裡特別說明一下 _IO 宏，該宏沒有可傳遞的變量，只用於發送命令。這是因為變量需要可變數據，只作為命令（比如 reset）使用時，沒有必要判斷設備上的數據，因此設備驅動程序沒有必要執行文件相關的處理。在 v4l2 中使用示例如下：
[cpp]
#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 中對上述宏命令的處理在 video_ioctl2 函數中：
[cpp] view plaincopy
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); /* 域的長度 */
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貝的命令 */
}
}
long video_ioctl2(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
char sbuf[128]; /* 在棧中分配128個字節空間用來儲存命令的參數 */
void *mbuf = NULL;
void *parg = NULL; /* 參數存放的首地址 */
long err = -EINVAL;
int is_ext_ctrl;
size_t ctrls_size = 0;
void __user *user_ptr = NULL;
...
/* 判斷是否包含讀寫命令,如果是則將用戶空間的參數值拷貝到內核 */
if (_IOC_DIR(cmd) != _IOC_NONE) {
/* 判斷參數大小是否超過128字節 */
if (_IOC_SIZE(cmd) <= sizeof(sbuf)) {
parg = sbuf;
} else {
/* 如果超過128字節則從堆中申請 */
mbuf = kmalloc(_IOC_SIZE(cmd), GFP_KERNEL);
if (NULL == mbuf)
return -ENOMEM;
parg = mbuf;
}
err = -EFAULT;
/* 如果包含寫命令 */
if (_IOC_DIR(cmd) & _IOC_WRITE) {
/* 計算需要拷貝的有效數據長度,有的命令不需要全部拷貝 */
unsigned long n = cmd_input_size(cmd);
/* 從用戶空間拷貝參數值 */
if (copy_from_user(parg, (void __user *)arg, n))
goto out;
/* 將剩下的空間清零 */
if (n < _IOC_SIZE(cmd))
memset((u8 *)parg + n, 0, _IOC_SIZE(cmd) - n);
} else {
/* 如果是只讀命令則將整個buffer清零 */
memset(parg, 0, _IOC_SIZE(cmd));
}
}
...
/* 調用 v4l2_ioctl_ops 的成員函數處理命令 */
err = __video_do_ioctl(file, cmd, parg);
if (err == -ENOIOCTLCMD)
err = -EINVAL;
...
if (err < 0)
goto out;
out_ext_ctrl:
/* 如果包含讀命令則將參數值拷貝到用戶空間 */
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);
然後我們在 struct v4l2_file_operations 中將 ioctl 成員設置為 video_ioctl2 即可。
