基于linux2.6.31.14内核自己写虚拟摄像头驱动myvivi.c

深藏阁楼爱情的钟 2022-06-12 01:22 177阅读 0赞

/* 仿照linux2.6.31.14内核中的vivi.c	
     */
    #include <linux/module.h>
    #include <linux/delay.h>
    #include <linux/errno.h>
    #include <linux/fs.h>
    #include <linux/kernel.h>
    #include <linux/slab.h>
    #include <linux/mm.h>
    #include <linux/ioport.h>
    #include <linux/init.h>
    #include <linux/sched.h>
    #include <linux/pci.h>
    #include <linux/random.h>
    #include <linux/version.h>
    #include <linux/mutex.h>
    #include <linux/videodev2.h>
    #include <linux/dma-mapping.h>
    #include <linux/interrupt.h>
    #include <linux/kthread.h>
    #include <linux/highmem.h>
    #include <linux/freezer.h>
    #include <media/videobuf-vmalloc.h>
    #include <media/v4l2-device.h>
    #include <media/v4l2-ioctl.h>
    
    /* 当前摄像头所使用的格式，在vivi.c中该结构体是在函数的参数中，我们为了简单
     * 使用全局变量。但是在内核的开发中，万不得已不使用全局变量，都要使用参数的形式传递
     * 为了程序的聚拢型。
     */
    static struct v4l2_format myvivi_format;
    
    /* 队列操作1: 定义 */
    static struct videobuf_queue myvivi_vb_vidqueue;
    static spinlock_t myvivi_queue_slock;
    
    static struct list_head myvivi_vb_local_queue;
    
    
    static struct timer_list myvivi_timer;
    
    #include "fillbuf.c"
    
    /* 参考documentations/video4linux/v4l2-framework.txt:
     * 参考drivers\media\video\videobuf-core.c 
     ops->buf_setup   - calculates the size of the video buffers and avoid they
                to waste more than some maximum limit of RAM;
     ops->buf_prepare - fills the video buffer structs and calls
                videobuf_iolock() to alloc and prepare mmaped memory;
     ops->buf_queue   - advices the driver that another buffer were
                requested (by read() or by QBUF);
     ops->buf_release - frees any buffer that were allocated.
     
     *
     */
    
    
    /* ------------------------------------------------------------------
    	Videobuf operations
       ------------------------------------------------------------------*/
    /* APP调用ioctl VIDIOC_REQBUFS时会导致此函数被调用,(追驱动的ioctl的VIDIOC_REQBUFS命令得到结果)
     * 它重新调整count和size(有多少个buffer，每个buffer的大小是多少)
     */
    static int myvivi_buffer_setup(struct videobuf_queue *vq, unsigned int *count, unsigned int *size)
    {
    
    	*size = myvivi_format.fmt.pix.sizeimage;
    	/* 如果传入的count为0的话就赋值为32*/
    	if (0 == *count)
    		*count = 32;
    
    	return 0;
    }
    
    /* APP调用ioctlVIDIOC_QBUF时导致此函数被调用,
     * 它会填充video_buffer结构体并调用videobuf_iolock来分配内存
     * 
     */
    static int myvivi_buffer_prepare(struct videobuf_queue *vq, struct videobuf_buffer *vb,
    						enum v4l2_field field)
    {
        /* 0. 设置videobuf的一帧数据的信息 */
    	vb->size = myvivi_format.fmt.pix.sizeimage;
        vb->bytesperline = myvivi_format.fmt.pix.bytesperline;
    	vb->width  = myvivi_format.fmt.pix.width;
    	vb->height = myvivi_format.fmt.pix.height;
    	vb->field  = field;
        
        
        /* 1. 做些准备工作 
    	 * 预先计算条纹，我们只是用第一个输入源
    	 */
        myvivi_precalculate_bars(0);
    
    #if 0
        /* 2. 调用videobuf_iolock为类型为V4L2_MEMORY_USERPTR的videobuf分配内存 
    	 * 如果类型为V4L2_MEMORY_MMAP的话，就不会分配内存，只是会判断类型返回而已
    	 * 因为我们的videobuf_buffer中的memory是V4L2_MEMORY_MMAP类型的，是不需要分配内存的,
    	 * 所以可以不使用videobuf_iolock函数。
    	 */
    	if (VIDEOBUF_NEEDS_INIT == buf->vb.state) {
    		rc = videobuf_iolock(vq, &buf->vb, NULL);
    		if (rc < 0)
    			goto fail;
    	}
    #endif
        /* 3. 设置状态，表示已经准备好了 */
    	vb->state = VIDEOBUF_PREPARED;
    
    	return 0;
    }
    
    
    /* APP调用ioctl VIDIOC_QBUF时:
     * 1. 先调用buf_prepare进行一些准备工作
     * 2. 把buf放入videobuf_queue中的stream队列
     * 3. 调用buf_queue(起通知、记录作用)
     */
    static void myvivi_buffer_queue(struct videobuf_queue *vq, struct videobuf_buffer *vb)
    {
    	vb->state = VIDEOBUF_QUEUED;
    
        /* 把videobuf放入本地一个队列尾部
         * 定时器处理函数就可以从本地队列取出videobuf
         */
        list_add_tail(&vb->queue, &myvivi_vb_local_queue);
    }
    
    /* APP不再使用队列时, 用它来释放内存,在videobuf_queue_cancel中被调用 */
    static void myvivi_buffer_release(struct videobuf_queue *vq,
    			   struct videobuf_buffer *vb)
    {
    	/*  也可以使用free_buffer(vq, buf);这个函数是vivi.c中buffer_release中的函数
    	 *	以下两个函数是从free_buffer中主要函数
      	 */
    	videobuf_vmalloc_free(vb);
    	/* 设置videobuf_buffer的状态为初始状态 */
    	vb->state = VIDEOBUF_NEEDS_INIT;
    }
    
    /* 通过追videobuf_queue_vmalloc_init函数可知，以下四个函数是必不可少的 
     * 可以通过在videobuf-core.c中搜索buf_setup来查看是在哪里被调用，另外三个函数同理 
     */
    static struct videobuf_queue_ops myvivi_video_qops = {
    	.buf_setup      = myvivi_buffer_setup, /* 计算大小以免浪费 */
    	.buf_prepare    = myvivi_buffer_prepare,
    	.buf_queue      = myvivi_buffer_queue,
    	.buf_release    = myvivi_buffer_release,
    };
    
    /* ------------------------------------------------------------------
    	File operations for the device
       ------------------------------------------------------------------*/
    
    static int myvivi_open(struct file *file)
    {
        /* 队列操作2: 初始化 
    	 * 参数V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE是追函数得到的结果，并不是从vivi.c中抄过来的
    	 * 倒数第2个参数是是队列中的buffer头部的大小，并不包含buffer中存放视频数据的大小
    	 * 如果倒数第二个参数是其他的结构体把videobuf_buffer封装起来了，此时这个结构体
    	 * 的第一个成员必输是videobuf_buffer，参考vivi.c
    	 * videobuf_queue_vmalloc_init函数是用于初始化vmalloc类型的缓存
    	 */
    	videobuf_queue_vmalloc_init(&myvivi_vb_vidqueue, &myvivi_video_qops,
    			NULL, &myvivi_queue_slock, V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE, V4L2_FIELD_INTERLACED,
    			sizeof(struct videobuf_buffer), NULL); /* 倒数第2个参数是buffer的头部大小 */
    
        myvivi_timer.expires = jiffies + 1;
    	/* 只有真正用起来了才使用资源 */
        add_timer(&myvivi_timer);
    
    	return 0;
    }
    
    
    static int myvivi_close(struct file *file)
    {
        del_timer(&myvivi_timer);
    	/* 停止和销毁队列 */
    	videobuf_stop(&myvivi_vb_vidqueue);
    	videobuf_mmap_free(&myvivi_vb_vidqueue);
        
    	return 0;
    }
    
    static int myvivi_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma)
    {
    	return videobuf_mmap_mapper(&myvivi_vb_vidqueue, vma);
    }
    
    static unsigned int myvivi_poll(struct file *file, struct poll_table_struct *wait)
    {
    	return videobuf_poll_stream(file, &myvivi_vb_vidqueue, wait);
    }
    
    /* 从vivi.c中拷贝过来然后进行修改
     * 该函数的目的是表征这是一个摄像头设备
     */
    static int myvivi_vidioc_querycap(struct file *file, void  *priv,
    					struct v4l2_capability *cap)
    {
    	strcpy(cap->driver, "myvivi");
    	strcpy(cap->card, "myvivi");
    	cap->version = 0x0001;	//随便写
    	/* V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE表示这是一个摄像头设备，V4L2_CAP_STREAMING表明可以通过
    	 * qbuf或者dbuf来获得数据，V4L2_CAP_READWRITE表示可以通过读写函数来获取数据，因此
    	 * 这个摄像头驱动支持两种获取数据的格式
    	 */
    	cap->capabilities =	V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE | V4L2_CAP_STREAMING;
    	return 0;
    }
    
    /* 列举支持哪种格式 */
    static int myvivi_vidioc_enum_fmt_vid_cap(struct file *file, void  *priv,
    					struct v4l2_fmtdesc *f)
    {
    	/* 我们只支持一种格式，应用程序查询时会使用v4l2_fmtdesc结构体，里面有index成员
    	 * 从0开始使用for循环来一次查询所支持的格式
    	 */
    	if (f->index >= 1)
    		return -EINVAL;
    
    	strcpy(f->description, "4:2:2, packed, YUYV");
    	/* 只支持yuyv */
    	f->pixelformat = V4L2_PIX_FMT_YUYV;
    	return 0;
    }
    
    /* 返回当前所使用的格式 */
    static int myvivi_vidioc_g_fmt_vid_cap(struct file *file, void *priv,
    					struct v4l2_format *f)
    {
        memcpy(f, &myvivi_format, sizeof(myvivi_format));
    	return (0);
    }
    
    /* 测试驱动程序是否支持某种格式 */
    static int myvivi_vidioc_try_fmt_vid_cap(struct file *file, void *priv,
    			struct v4l2_format *f)
    {
    	unsigned int maxw, maxh;
        enum v4l2_field field;
    	/* 判断格式是否是我们驱动所支持的类型 */
        if (f->fmt.pix.pixelformat != V4L2_PIX_FMT_YUYV)
            return -EINVAL;
    	/* field照抄vivi.c写法 */
    	field = f->fmt.pix.field;
    
    	if (field == V4L2_FIELD_ANY) {
    		field = V4L2_FIELD_INTERLACED;
    	} else if (V4L2_FIELD_INTERLACED != field) {
    		return -EINVAL;
    	}
    	/* 摄像头设备所支持的最大宽度和高度 */
    	maxw  = 1024;
    	maxh  = 768;
    
        /* 调整format的width, height, 
         * 计算bytesperline, sizeimage，照抄vivi.c
         */
    	v4l_bound_align_image(&f->fmt.pix.width, 48, maxw, 2,
    			      &f->fmt.pix.height, 32, maxh, 0, 0);
    	/* 像素深度为16，即每个像素有16位表示，>>3表示除以8，为什么不用/8,因为移位指令比除法指令快 */
    	f->fmt.pix.bytesperline =
    		(f->fmt.pix.width * 16) >> 3;
    	f->fmt.pix.sizeimage =
    		f->fmt.pix.height * f->fmt.pix.bytesperline;
    
    	return 0;
    }
    
    static int myvivi_vidioc_s_fmt_vid_cap(struct file *file, void *priv,
    					struct v4l2_format *f)
    {	/* 该函数返回0表示支持这种格式，如果返回值小于0，表示不支持这种格式
    	 * 该函数的作用只是对所设格式进行一下判断 
     	 */
    	int ret = myvivi_vidioc_try_fmt_vid_cap(file, NULL, f);
    	if (ret < 0)
    		return ret;
    
        memcpy(&myvivi_format, f, sizeof(myvivi_format));
        
    	return ret;
    }
    
    /* 请求buffer */
    static int myvivi_vidioc_reqbufs(struct file *file, void *priv,
    			  struct v4l2_requestbuffers *p)
    {
    	return (videobuf_reqbufs(&myvivi_vb_vidqueue, p));
    }
    /* 查询buffer */
    static int myvivi_vidioc_querybuf(struct file *file, void *priv, struct v4l2_buffer *p)
    {
    	return (videobuf_querybuf(&myvivi_vb_vidqueue, p));
    }
    /* 从队列中取出buffer */
    static int myvivi_vidioc_qbuf(struct file *file, void *priv, struct v4l2_buffer *p)
    {
    	return (videobuf_qbuf(&myvivi_vb_vidqueue, p));
    }
    /* 从队列中取出buffer
     * v4l2框架中有videobuf_buffer和v4l2_buffer两个关于buffer的结构体，那么他们直接有什么联系呢?
     * videobuf_buffer是在v4l2框架中内核中表示摄像头buffer的结构体，而v4l2_buffer结构体是应用层
     * 使用关于查询，申请，入队，出队的结构体，由此可知，这两个结构体使用的场合不同，当应用层通过
     * ioctl来申请或者查询等操作buffer时，要传入v4l2_buffer结构体，这个结构体中有index成员，通过
     * 应用层传入的index成员就可以来选择内核中的哪个videobuf_buffer结构体，
     * 从而就使两种结构体关联起来了
     */
    static int myvivi_vidioc_dqbuf(struct file *file, void *priv, struct v4l2_buffer *p)
    {
    	return (videobuf_dqbuf(&myvivi_vb_vidqueue, p,
    				file->f_flags & O_NONBLOCK));
    }
    
    static int myvivi_vidioc_streamon(struct file *file, void *priv, enum v4l2_buf_type i)
    {
    	return videobuf_streamon(&myvivi_vb_vidqueue);
    }
    
    static int myvivi_vidioc_streamoff(struct file *file, void *priv, enum v4l2_buf_type i)
    {
    	videobuf_streamoff(&myvivi_vb_vidqueue);
        return 0;
    }
    
    /* 必不可少的11个ioctl */
    static const struct v4l2_ioctl_ops myvivi_ioctl_ops = {
            // 表示它是一个摄像头设备
            .vidioc_querycap      = myvivi_vidioc_querycap,
    
            /* 用于列举、获得、测试、设置摄像头的数据的格式 */
            .vidioc_enum_fmt_vid_cap  = myvivi_vidioc_enum_fmt_vid_cap,
            .vidioc_g_fmt_vid_cap     = myvivi_vidioc_g_fmt_vid_cap,
            .vidioc_try_fmt_vid_cap   = myvivi_vidioc_try_fmt_vid_cap,
            .vidioc_s_fmt_vid_cap     = myvivi_vidioc_s_fmt_vid_cap,
            
            /* 缓冲区操作: 申请/查询/放入队列/取出队列
    		 * 以下对缓冲区的操作的函数都是使用内核提供的函数
             */
            .vidioc_reqbufs       = myvivi_vidioc_reqbufs,
            .vidioc_querybuf      = myvivi_vidioc_querybuf,
            .vidioc_qbuf          = myvivi_vidioc_qbuf,
            .vidioc_dqbuf         = myvivi_vidioc_dqbuf,
            
            // 启动/停止
            .vidioc_streamon      = myvivi_vidioc_streamon,
            .vidioc_streamoff     = myvivi_vidioc_streamoff,   
    };
    
    /* 这个操作方法集中的所有的函数都是由v4l2框架中字符设备接口的file_operations中回调用的。
     * 摄像头整体的框架就是接口层的file_operations操作方法会回调video_device中提供的
     * v4l2_file_operations操作方法集中的函数
     */
    static const struct v4l2_file_operations myvivi_fops = {
    	.owner		= THIS_MODULE,
        .open       = myvivi_open,
        .release    = myvivi_close,
       	/* 在v4l2框架中字符设备接口的file_operations中的mmap是直接调用video_device中
    	 * 操作方法集中的mmap，因此我们必须填写这个函数，这个函数主要作用是分配存储摄像头
    	 * 数据的缓冲区，前面申请的videobuf_buffer只是缓冲区的头部，并没有存放摄像头数据的缓冲区
       	 */
        .mmap       = myvivi_mmap,
        /* video_ioctl2是V4l2-ioctl.c提供的标准ioctl，由摄像头驱动的框架可知，当应用层调用
    	 * ioctl时会调用vl42中cdev中的ioctl，这个ioctl会调用video_device中fops的ioctl，就是
    	 * video_ioctl2，在video_ioctl2中会调用video_device中的myvivi_ioctl_ops
         */
        .ioctl      = video_ioctl2, /* V4L2 ioctl handler */
        .poll       = myvivi_poll,
    };
    
    
    static struct video_device *myvivi_device;
    
    static void myvivi_release(struct video_device *vdev)
    {
    }
    
    
    /* 在定时器处理函数中来填充videobuf_buffer
     * 对所有类型的驱动，填充缓冲区的流程都是如下方式:
     * 1.获取下一个buffer，并且确保有人正在等待这个buffer
     * 2.得到一个内存指针，然后将视频数据放到那个地方
     * 3.标记buffer完成，并且唤醒等待的进程
     */
    static void myvivi_timer_function(unsigned long data)
    {
        struct videobuf_buffer *vb;
    	void *vbuf;
    	struct timeval ts;
        
        /* 1. 构造数据: 从队列头部取出第1个videobuf, 填充数据
         */
    
        /* 1.1 从本地队列取出第1个videobuf 
    	 * 这个判断函数是非常有必要的，因为在open函数中就已经开启定时器了，在执行定时器
    	 * 处理函数时，videobuf_buffer中的数据还没有数据呢，此时myvivi_vb_local_queue一定是
    	 * 空的，此时就不应该在下面对该队列中的buffer操作
    	 */
        if (list_empty(&myvivi_vb_local_queue)) {
            goto out;
        }
        /* 从本地队列头部取出第一个buffer 
    	 * 在myvivi_buffer_queue函数中把videobuf放入本地一个队列尾部，应用层获得的摄像头缓冲
    	 * videobuf_buffer其实是从myvivi_vb_local_queue队列中获取的，而vivi.c中不是
    	 * myvivi_vb_local_queue，而是在vivi_dmaqueue中的active队列中，因此可知，在linux2.6.31.14
    	 * 的版本中的v4l2框架中，关于缓冲区其实是由两个队列来完成的，一个是由videobuf_queue来维护的
    	 * videobuf_buffer,这个队列主要的作用是供应用程序来申请，分配，查询的数据缓存。
    	 * 而另一个队列就是当应用层获取摄像头缓存时，从这个队列中取缓冲，并不是从videobuf_queue
    	 * 队列中取出摄像头缓冲。
    	 */
        vb = list_entry(myvivi_vb_local_queue.next,
                 struct videobuf_buffer, queue);
        
        /* Nobody is waiting on this buffer, return */
    	/* 该函数判断之前是否有wait_event_interruptible将videobuf_buffer中的done挂入等待队列,
    	 * 如果没有的话就说明没有应用程序正在等在videobuf_buffer，即应用程序想要获得videobuf_buffer
    	 * 的摄像头数据，
    	 * 那么在哪里使用wait_event_interruptible函数呢?其实是在poll函数中，如果videobuf_buffer
    	 * 没有准备好数据，就会将videobuf_buffer中的done放入核心层进行休眠。
    	 * wait_event_interruptible函数是如何实现的呢?该函数的第一个参数是一个wait_queue_head_t
    	 * 等待队列头，然后该函数会添加一个DEFINE_WAIT(__wait);将__wait添加到wait_queue_head_t中，
    	 * 因此判断wait_queue_head_t中的struct list_head task_list链接因子是否为空即可。
    	 * 如果有用户调用wait_event_interruptible函数后，wait_queue_head_t中的
    	 * struct list_head task_list链接因子不会为空。
    	 *
    	 * 总之就是如果myvivi_vb_local_queue队列当中的buffer没有一个进程在其上等待的话，
    	 * 是不能被移除或者填充的。
    	 * 
    	 * 这个函数是非常有必要的，如果应用层没有使用select函数在等待获取videobuf_buffer
    	 * 时，就不应该对videobuf_buffer填充数据，然后删除videobuf_buffer和唤醒等待的进程
    	 * 
    	 */
        if (!waitqueue_active(&vb->done))
            goto out;
    
    
        /* 1.2 填充数据 */
    	/* 从videobuf_buffer中得到真正存储摄像头数据的缓存，应用程序就可以从这个缓存中取出
    	 * 摄像头数据并显示,对于vmalloc类型的缓存使用videobuf_to_vmalloc函数来获得用于存放
    	 * 摄像头数据的内存指针，如果是其他类型的缓存则需要使用其他函数来获得内存指针
    	 */
        vbuf = videobuf_to_vmalloc(vb);
        //memset(vbuf, 0xff, vb->size);
        myvivi_fillbuff(vb);
        
        vb->field_count++;
        do_gettimeofday(&ts);
        vb->ts = ts;
    	/* 状态一定要改为VIDEOBUF_DONE，因为在poll函数中会判断videobuf_buffer的状态是否为VIDEOBUF_DONE */
        vb->state = VIDEOBUF_DONE;
    
        /* 1.3 把videobuf从本地队列中删除 */
        list_del(&vb->queue);
    
        /* 2. 唤醒进程: 唤醒videobuf->done上的进程 
    	 * 唤醒因为poll函数而休眠的进程
    	 */
        wake_up(&vb->done);
        
    out:
        /* 3. 修改timer的超时时间 : 30fps, 1秒里有30帧数据
         *    每1/30 秒产生一帧数据
         */
        mod_timer(&myvivi_timer, jiffies + HZ/30);
    }
    
    static int myvivi_init(void)
    {
        int error;
        
        /* 1. 分配一个video_device结构体 */
        myvivi_device = video_device_alloc();
    
        /* 2. 设置 */
    
        /* 2.1 这个release函数必须设置，否则在video_register_device注册时，在该函数中就会
    	 * 判断时候有这个函数，如果没有的话就会返回。
    	 * 在V4l2-dev.c中的 if (WARN_ON(!vdev->release))返回
         */
        myvivi_device->release = myvivi_release;
    
        /* 2.2 */
        myvivi_device->fops    = &myvivi_fops;
    
        /* 2.3 myvivi_fops中的ioctl最终会调用myvivi_device->ioctl_ops中对应的函数 */
        myvivi_device->ioctl_ops = &myvivi_ioctl_ops;
    
        /* 2.4 队列操作
         *  a. 定义/初始化一个队列(会用到一个spinlock)
         */
        spin_lock_init(&myvivi_queue_slock);
    
        /* 3. 注册 ,以下信息是通过追踪源代码得到的结论
         * 参数-1表示分配第一个可用的号
         * which device node number (0 == /dev/video0, 1 == /dev/video1, ...
     	 *            -1 == first free) 
     	 */
        error = video_register_device(myvivi_device, VFL_TYPE_GRABBER, -1);
    
        /* 用定时器产生数据并唤醒进程
    	 * 用定时器来模仿vivi.c中来创建内核线程来构造数据并唤醒进程
         */
    	init_timer(&myvivi_timer);
        myvivi_timer.function  = myvivi_timer_function;
    	/* 初始化一个队列头，这个队列是用来管理可以向应用层提供摄像头数据缓存的buffer，
    	 * 也就是说应用层从驱动获得摄像头缓存就是从这个队列中获取的
    	 */
        INIT_LIST_HEAD(&myvivi_vb_local_queue);
        
        return error;
    }
    
    static void myvivi_exit(void)
    {
        video_unregister_device(myvivi_device);
        video_device_release(myvivi_device);
    }
    
    module_init(myvivi_init);
    module_exit(myvivi_exit);
    MODULE_LICENSE("GPL");