彻底分析虚拟视频驱动vivi（三）

在Ubuntu系统中接上usb摄像头设备时，系统会自动安装对应的usb设备驱动程序。
我们现在要使用自己编译的vivi驱动，该怎么办呢？
　　1.先安装系统自带的vivi驱动和它所依赖的所有驱动：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 ;
然后 ls /dev/video* ,可以看到有一个video设备节点 /dev/video0 ,即对应的是vivi虚拟出来的视频设备。
我们可以直接阅读xawtv源码，从main函数开始一路分析它调用vivi驱动的过程，但是这个过程会非常漫长，因为它除了调用vivi驱动之外
，还会做许多其他的准备工作。我们可以通过strace 这个命令来跟踪调用过程。
本文目的：

(通过追踪应用程序xawtv调用驱动vivi的过程，使之生成对应的TXT文件，在文件中搜索 /dev/video*字段，得到一系列函数，再打开xawtv源码，得到vivi驱动必须的系统调用，进而分析驱动框架)

一、xawtv所涉及的vivi驱动的系统调用

使用方法 ：执行 strace -o xawtv.txt xawtv ,生成了调用过程xawtv.txt

搜索 /dev/video0,得到如下：

open("/dev/video0", O_RDWR|O_LARGEFILE) = 4
ioctl(4, VIDIOC_QUERYCAP or VT_OPENQRY, 0x95b8998) = -1 EINVAL (Invalid argument)
close(4)                                = 0
open("/dev/video0", O_RDWR|O_LARGEFILE) = 4
.....
发现打开了两次，open成功之后得到file_fd =4,后面有一大堆ioctl,把所有的ioctl列举出来，即可得到ioctl的过程：

open("/dev/video0", O_RDWR|O_LARGEFILE) = 4
ioctl(4, VIDIOC_QUERYCAP or VT_OPENQRY, 0xbff6c704) = 0
ioctl(4, VIDIOC_G_FMT or VT_SENDSIG, 0xbff6c638) = 0
ioctl(4, VIDIOC_ENUM_FMT or VT_SETMODE, 0xbff6c5ac) = 0
ioctl(4, 0xc02c564a, 0xbff6c518)        = -1 EINVAL (Invalid argument)
ioctl(4, VIDIOC_ENUM_FMT or VT_SETMODE, 0xbff6c5ac) = 0
ioctl(4, 0xc02c564a, 0xbff6c518)        = -1 EINVAL (Invalid argument)
ioctl(4, VIDIOC_ENUM_FMT or VT_SETMODE, 0xbff6c5ac) = 0
ioctl(4, 0xc02c564a, 0xbff6c518)        = -1 EINVAL (Invalid argument)
ioctl(4, VIDIOC_ENUM_FMT or VT_SETMODE, 0xbff6c5ac) = 0
ioctl(4, VIDIOC_ENUM_FMT or VT_SETMODE, 0xbff6c5ac) = 0
ioctl(4, VIDIOC_ENUM_FMT or VT_SETMODE, 0xbff6c5ac) = 0
ioctl(4, VIDIOC_ENUM_FMT or VT_SETMODE, 0xbff6c5ac) = -1 EINVAL (Invalid argument)
ioctl(4, VIDIOC_QUERYCAP or VT_OPENQRY, 0xbff6c544) = 0
ioctl(4, VIDIOC_G_INPUT, 0xbff6c3ec)    = 0
ioctl(4, VIDIOC_ENUMINPUT, 0xbff6c3ec)  = 0

xawtv涉及的vivi驱动的系统调用：

// 1~7都是在v4l2_open里调用
1. open
2. ioctl(4, VIDIOC_QUERYCAP

// 3~7 都是在get_device_capabilities里调用
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, 之以已经通过mmap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
        }

由上可知xawtv的几大函数：

　　1. v4l2_open

　　2. v4l2_read_attr/v4l2_write_attr

　　3. v4l2_start_streaming

　　4. v4l2_nextframe/v4l2_waiton

摄像头驱动程序必需的11个ioctl:

// 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,    

分析数据的获取过程：

1. 请求分配缓冲区: ioctl(4, VIDIOC_REQBUFS          // 请求系统分配缓冲区
                        videobuf_reqbufs(队列, v4l2_requestbuffers) // 队列在open函数用videobuf_queue_vmalloc_init初始化
                        // 注意：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呢
　　　　　　　　　　　　　　 //在驱动程序有一条原则，这些资源只有在我们用到的时候才进行分配
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、每一行长度、高度、缓冲区使用状态、在内核空间的偏移地址、缓冲区长度等            
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        
    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
          // 驱动程序里必定有: 产生数据、唤醒进程
          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);
                            
                            // 如果没有数据则休眠，在buf->done这里进行休眠                            
                            poll_wait(file, &buf->done, wait);

    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
          
6. 有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   
        // 在队列里获得有数据的缓冲区
        retval = stream_next_buffer(q, &buf, nonblocking);
        
        // 把它从队列中删掉
        list_del(&buf->stream);
        
        // 把这个缓冲区的状态返回给APP
        videobuf_status(q, b, buf, q->type);
        
7. 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)

总结数据获取过程：（图片来自：https://blog.csdn.net/ljmiaw/article/details/72801456）

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

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