学习目标：熟悉vivi的调用过程，分析vivi程序源码的ioctl函数；
一、vivi虚拟视频驱动测试方法
当我们接上usb摄像头设备时，系统会自动给我们安装对应的usb设备驱动程序。如果下次直接测试vivi驱动或者使用自己编译的vivi驱动时，可能会提示缺少其它函数。因此，可以使用以下测试方法：
1. 先安装系统自带的vivi驱动和它所有依赖的所有驱动：# sudo modprobe vivi ;
2. 卸载原有的vivi驱动 ：# sudo rmmod vivi ;
3. 装载自己的驱动 ：# sudo insmod ./vivi.ko ;
之后，可以使用命令：# ls /dev/video* ,看到vivi虚拟出来的视频设备设备节点 /dev/video0 。
4. 执行命令# xawtv -c /dev/video0 测试；
二、分析vivi驱动的过程
1、xawtv执行过程
方法一：通过使用source insight从xawtv源码的main函数开始分析。但由于程序中还执行了许多无关的功能，分析过程会比较漫长；
方法二：使用strace命令跟踪调用过程： # strace -o xawtv.txt xawtv 生成了调用过程的描述摘要，保存在：xawtv.txt。
打开文档可以看到：
1 execve("/usr/bin/xawtv", ["xawtv"], [/* 36 vars */]) = 0 2 brk(0) = 0x9ae0000 3 access("/etc/ld.so.nohwcap", F_OK) = -1 ENOENT (No such file or directory) 4 mmap2(NULL, 8192, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0xb7736000 5 access("/etc/ld.so.preload", R_OK) = -1 ENOENT (No such file or directory) 6 open("/etc/ld.so.cache", O_RDONLY) = 3 7 fstat64(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=71399, ...}) = 0 8 mmap2(NULL, 71399, PROT_READ, MAP_PRIVATE, 3, 0) = 0xb7724000 9 close(3) = 0 10 access("/etc/ld.so.nohwcap", F_OK) = -1 ENOENT (No such file or directory) 11 open("/lib/tls/i686/cmov/libc.so.6", O_RDONLY) = 3 12 read(3, "177ELF111 3 3 1 260l1 004 "..., 512) = 512 13 fstat64(3, {st_mode=S_IFREG|0755, st_size=1319364, ...}) = 0 14 mmap2(NULL, 1325416, PROT_READ|PROT_EXEC, MAP_PRIVATE|MAP_DENYWRITE, 3, 0) = 0x1af000 15 mmap2(0x2ed000, 12288, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_DENYWRITE, 3, 0x13e) = 0x2ed000 16 mmap2(0x2f0000, 10600, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x2f0000 17 close(3) = 0 18 mmap2(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0xb7723000 19 set_thread_area({entry_number:-1 -> 6, base_addr:0xb77238d0, limit:1048575, seg_32bit:1, contents:0, read_exec_only:0, limit_in_pages:1, seg_not_present:0, useable:1}) = 0 20 mprotect(0x2ed000, 8192, PROT_READ) = 0 21 mprotect(0x805e000, 4096, PROT_READ) = 0 22 mprotect(0x349000, 4096, PROT_READ) = 0 23 munmap(0xb7724000, 71399) = 0 24 getpid() = 2130 25 rt_sigaction(SIGCHLD, {SIG_DFL, [CHLD], SA_RESTART}, {SIG_DFL, [], 0}, 8) = 0 26 geteuid32() = 1000 27 brk(0) = 0x9ae0000 28 brk(0x9b01000) = 0x9b01000 29 getppid() = 2129
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通过搜索/dev/video0设备节点，查看关于vivi调用部分,是一些列的ioctl函数，它们对应于xawtv工具的各个属性控制选项：
接下来，一步步的分析，就能知道ioctl的调用过程
1 open("/dev/video0", O_RDWR|O_LARGEFILE) = 4 2 ioctl(4, VIDIOC_QUERYCAP or VT_OPENQRY, 0xbfaccd44) = 0 3 ioctl(4, VIDIOC_G_FMT or VT_SENDSIG, 0xbfaccc78) = 0 4 ioctl(4, VIDIOC_ENUM_FMT or VT_SETMODE, 0xbfaccbec) = 0 5 ioctl(4, 0xc02c564a, 0xbfaccb58) = -1 EINVAL (Invalid argument) 6 ioctl(4, VIDIOC_ENUM_FMT or VT_SETMODE, 0xbfaccbec) = 0 7 ioctl(4, 0xc02c564a, 0xbfaccb58) = -1 EINVAL (Invalid argument) 8 ioctl(4, VIDIOC_ENUM_FMT or VT_SETMODE, 0xbfaccbec) = 0 9 ioctl(4, 0xc02c564a, 0xbfaccb58) = -1 EINVAL (Invalid argument) 10 ioctl(4, VIDIOC_ENUM_FMT or VT_SETMODE, 0xbfaccbec) = 0 11 ioctl(4, VIDIOC_ENUM_FMT or VT_SETMODE, 0xbfaccbec) = 0 12 ioctl(4, VIDIOC_ENUM_FMT or VT_SETMODE, 0xbfaccbec) = 0 13 ioctl(4, VIDIOC_ENUM_FMT or VT_SETMODE, 0xbfaccbec) = -1 EINVAL (Invalid argument) 14 ioctl(4, VIDIOC_QUERYCAP or VT_OPENQRY, 0xbfaccb84) = 0 15 ioctl(4, VIDIOC_G_INPUT, 0xbfacca2c) = 0 16 ioctl(4, VIDIOC_ENUMINPUT, 0xbfacca2c) = 0 17 fstat64(4, {st_mode=S_IFCHR|0660, st_rdev=makedev(81, 0), ...}) = 0 18 ioctl(4, MATROXFB_TVOQUERYCTRL or VIDIOC_QUERYCTRL, 0xbfacca78) = -1 EINVAL (Invalid argument) 19 ioctl(4, VIDIOC_QUERYCAP or VT_OPENQRY, 0x9b40998) = 0 20 fcntl64(4, F_SETFD, FD_CLOEXEC) = 0 21 ioctl(4, VIDIOC_ENUMINPUT, 0x9b40acc) = 0 22 ioctl(4, VIDIOC_ENUMINPUT, 0x9b40b18) = 0 23 ioctl(4, VIDIOC_ENUMINPUT, 0x9b40b64) = 0 24 ioctl(4, VIDIOC_ENUMINPUT, 0x9b40bb0) = 0 25 ioctl(4, VIDIOC_ENUMINPUT, 0x9b40bfc) = -1 EINVAL (Invalid argument) 26 ioctl(4, VIDIOC_ENUMSTD, 0x9b40f8c) = 0 27 ioctl(4, VIDIOC_ENUMSTD, 0x9b40fcc) = 0 28 ioctl(4, VIDIOC_ENUMSTD, 0x9b4100c) = 0 29 ioctl(4, VIDIOC_ENUMSTD, 0x9b4104c) = 0 30 ioctl(4, VIDIOC_ENUMSTD, 0x9b4108c) = 0 31 ioctl(4, VIDIOC_ENUMSTD, 0x9b410cc) = 0 32 ioctl(4, VIDIOC_ENUMSTD, 0x9b4110c) = 0 33 ioctl(4, VIDIOC_ENUMSTD, 0x9b4114c) = -1 EINVAL (Invalid argument)
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2. 调用vivi的ioctl函数过程分析
由open函数返回值得到设备节点句柄fd=4，只需要看关于4的ioctl的部分即可。ioctl函数在不同的函数中被调用，执行不同的功能：
// 1~7都是在v4l2_open里调用
1). open 打开了两次
2). ioctl(4, VIDIOC_QUERYCAP // 列举性能
// 3~7 都是在get_device_capabilities里调用，源码中执行了多次
3). for()
ioctl(4, VIDIOC_ENUMINPUT // 列举输入源,VIDIOC_ENUMINPUT/VIDIOC_G_INPUT/VIDIOC_S_INPUT不是必需的
4). for()
ioctl(4, VIDIOC_ENUMSTD // 列举标准(制式), 不是必需的
5). for()
ioctl(4, VIDIOC_ENUM_FMT // 列举格式
6). ioctl(4, VIDIOC_G_PARM
7). for()
ioctl(4, VIDIOC_QUERYCTRL // 查询属性(比如说亮度值最小值、最大值、默认值)
// 8~10都是通过v4l2_read_attr来调用的
8). ioctl(4, VIDIOC_G_STD // 获得当前使用的标准(制式), 不是必需的
9). ioctl(4, VIDIOC_G_INPUT
10). ioctl(4, VIDIOC_G_CTRL // 获得当前属性, 比如亮度是多少
11). ioctl(4, VIDIOC_TRY_FMT // 试试能否支持某种格式
12). ioctl(4, VIDIOC_S_FMT // 设置摄像头使用某种格式
// 13~16在v4l2_start_streaming
13). ioctl(4, VIDIOC_REQBUFS // 请求系统分配缓冲区
14). for()
ioctl(4, VIDIOC_QUERYBUF // 查询所分配的缓冲区
mmap
15). for ()
ioctl(4, VIDIOC_QBUF // 把缓冲区放入队列
16). ioctl(4, VIDIOC_STREAMON // 启动摄像头
// 17里都是通过v4l2_write_attr来调用的
17). for ()
ioctl(4, VIDIOC_S_CTRL // 设置属性
ioctl(4, VIDIOC_S_INPUT // 设置输入源
ioctl(4, VIDIOC_S_STD // 设置标准(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, 把缓冲区从队列中取出
// 处理, 之前的mmp函数已经获得了缓冲区的地址, 就可以直接访问数据
ioctl(4, VIDIOC_QBUF // 把缓冲区放入队列
}
3. vivi驱动必不可少的11个ioctl
在linux 2.6.31.14 内核中，当应用程序调用v4l2框架里的ioctl时，最终会调用到vivi.c里的vivi_ioctl_ops结构体中的各个函数。
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例如：当执行ioctl(4, VIDIOC_REQBUFS // 请求系统分配缓冲区，函数的调用过程：
--->调用v4l2_dev.c中的 .unlocked_ioctl = v4l2_ioctl,
struct video_device *vdev = video_devdata(filp); //次设备号找到对应的video_device
ret = vdev->fops->ioctl(filp, cmd, arg);//最终会调用到vivi.c中的 .unlocked_ioctl = video_ioctl2, /* V4L2 ioctl handler */
-->video_ioctl2 // video_usercopy(file, cmd, arg, __video_do_ioctl); 此时进入了v4l2_ioctl.c文件中
-->__video_do_ioctl
struct video_device *vfd = video_devdata(file);//次设备号找到对应的video_device
const struct v4l2_ioctl_ops *ops = vfd->ioctl_ops;
ret = ops->vidioc_reqbufs(file, fh, p); //调用vivi.c中的vivi_ioctl_ops结构体中的vidioc_reqbufs函数
__video_do_ioctl下面有对cmd的处理：
1 case VIDIOC_REQBUFS: 2 { 3 struct v4l2_requestbuffers *p = arg; 5 if (!ops->vidioc_reqbufs) 6 break;11 ret = check_fmt(ops, p->type); 15 if (p->type < V4L2_BUF_TYPE_PRIVATE) 16 CLEAR_AFTER_FIELD(p, memory); 18 ret = ops->vidioc_reqbufs(file, fh, p); 19 dbgarg(cmd, "count=%d, type=%s, memory=%s ", 20 p->count, 21 prt_names(p->type, v4l2_type_names), 22 prt_names(p->memory, v4l2_memory_names)); 23 break; 24 }
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其中，vivi_ioctl_ops结构体为：
1 static const struct v4l2_ioctl_ops vivi_ioctl_ops = { 2 .vidioc_querycap = vidioc_querycap, 3 .vidioc_enum_fmt_vid_cap = vidioc_enum_fmt_vid_cap, 4 .vidioc_g_fmt_vid_cap = vidioc_g_fmt_vid_cap, 5 .vidioc_try_fmt_vid_cap = vidioc_try_fmt_vid_cap, 6 .vidioc_s_fmt_vid_cap = vidioc_s_fmt_vid_cap, 7 .vidioc_reqbufs = vidioc_reqbufs, 8 .vidioc_querybuf = vidioc_querybuf, 9 .vidioc_qbuf = vidioc_qbuf, 10 .vidioc_dqbuf = vidioc_dqbuf, 11 .vidioc_s_std = vidioc_s_std, 12 .vidioc_enum_input = vidioc_enum_input, 13 .vidioc_g_input = vidioc_g_input, 14 .vidioc_s_input = vidioc_s_input, 15 .vidioc_streamon = vidioc_streamon, 16 .vidioc_streamoff = vidioc_streamoff, 17 .vidioc_log_status = v4l2_ctrl_log_status, 18 .vidioc_subscribe_event = v4l2_ctrl_subscribe_event, 19 .vidioc_unsubscribe_event = v4l2_event_unsubscribe, 20 };
以上驱动程序结构体中必需的11个ioctl函数：
// 表示它是一个摄像头设备
.vidioc_querycap = 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 = 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,
/* 缓冲区操作: 申请/查询/放入队列/取出队列 */
.vidioc_reqbufs = vidioc_reqbufs,
.vidioc_querybuf = vidioc_querybuf,
.vidioc_qbuf = vidioc_qbuf,
.vidioc_dqbuf = vidioc_dqbuf,
// 启动/停止
.vidioc_streamon = vidioc_streamon,
.vidioc_streamoff = vidioc_streamoff,
4.数据的获取过程
1). 请求分配缓冲区:
ioctl(4, VIDIOC_REQBUFS // 请求系统分配缓冲区,
最终会调用vivi.c程序的vivi_ioctl_ops结构体的videobuf_reqbufs函数-->
videobuf_reqbufs(队列, v4l2_requestbuffers) // 队列在open函数用videobuf_queue_vmalloc_init初始化。根据xawtv程序中结构体的各项配置可知，这个IOCTL只是分配缓冲区的头部信息，真正的缓存还没有分配。
2） 查询映射缓冲区:
ioctl(4, VIDIOC_QUERYBUF // 查询所分配的缓冲区
videobuf_querybuf // 获得缓冲区的数据格式、大小、每一行长度、高度
mmap(参数里有"大小") // 在这里才分配缓存
-->v4l2_mmap
-->vivi_mmap
-->videobuf_mmap_mapper
-->videobuf-vmalloc.c里的__videobuf_mmap_mapper
mem->vmalloc = vmalloc_user(pages); // 在这里才给缓冲区分配空间
3) 把缓冲区放入队列:
ioctl(4, VIDIOC_QBUF // 把缓冲区放入队列
调用videobuf_qbuf
q->ops->buf_prepare(q, buf, field); // 调用驱动程序提供的函数做些预处理
list_add_tail(&buf->stream, &q->stream); // 把缓冲区放入队列的尾部
q->ops->buf_queue(q, buf); // 调用驱动程序提供的"入队列函数"
4) 启动摄像头
ioctl(4, VIDIOC_STREAMON
videobuf_streamon
q->streaming = 1;
5) 用select查询是否有数据，select(5, [4], NULL, NULL, {5, 0})；根据select原理可知，驱动程序里必定有: 产生数据、唤醒进程
它会调用到驱动程序提供的vivi_poll函数
--->v4l2_poll
-->vdev->fops->poll
-->vivi_poll
videobuf_poll_stream
// 从队列的头部获得缓冲区
buf = list_entry(q->stream.next, struct videobuf_buffer, stream);
如果缓冲区里没有数据的话，就执行poll_wait(file, &buf->done, wait)在buf->done里休眠。
谁来产生数据、谁来唤醒它？
内核线程vivi_thread每30MS执行一次，它调用
vivi_thread_tick
vivi_fillbuff(fh, buf); // 构造数据
wake_up(&buf->vb.done); // 唤醒进程
在vivi.c里面有它的唤醒函数 wake_up(&buf->vb.done) ，在vivi虚拟驱动里采用一个内核线程vivi_thread ，使用vivi_sleep函数休眠，每隔一段时间使用vivi_thread_tick里的vivi_fillbuff来产生数据，并唤醒进程wake_up(&buf->vb.done)。
6) 产生数据后从队列里取出缓冲区
// 有那么多缓冲区，APP如何知道哪一个缓冲区有数据？调用VIDIOC_DQBUF
ioctl(4, VIDIOC_DQBUF
vidioc_dqbuf
retval = stream_next_buffer(q, &buf, nonblocking);// 在队列里获得有数据的缓冲区
list_del(&buf->stream); // 把它从队列中删掉
videobuf_status(q, b, buf, q->type); // 把这个缓冲区的状态返回给APP
应用程序根据VIDIOC_DQBUF所得到缓冲区状态，知道是哪一个缓冲区有数据就去读对应的地址(该地址来自前面的mmap)
注意：应用程序调用某个ioctl,vivi.c驱动程序必须提供相应的ioctl，它们实质上是调用系统提供的函数（例如videobuf-core.c和videobuf-vmalloc.c等）来实现相应的ioctl。
三、怎么写摄像头驱动程序:
1. 分配video_device:video_device_alloc
2. 设置
.fops
.ioctl_ops (里面需要设置11项)
如果要用内核提供的缓冲区操作函数，还需要构造一个videobuf_queue_ops
3. 注册: video_register_device
参考： https://blog.csdn.net/sinat_31500569/article/details/52050449