正文
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：
1 VIDIOC_QUERYCAP /* 获取设备支持的操作 */ 2 VIDIOC_G_FMT /* 获取设置支持的视频格式 */ 3 VIDIOC_S_FMT /* 设置捕获视频的格式 */ 4 VIDIOC_REQBUFS /* 向驱动提出申请内存的请求 */ 5 VIDIOC_QUERYBUF /* 向驱动查询申请到的内存 */ 6 VIDIOC_QBUF /* 将空闲的内存加入可捕获视频的队列 */ 7 VIDIOC_DQBUF /* 将已经捕获好视频的内存拉出已捕获视频的队列 */ 8 VIDIOC_STREAMON /* 打开视频流 */ 9 VIDIOC_STREAMOFF /* 关闭视频流 */ 10 VIDIOC_QUERYCTRL /* 查询驱动是否支持该命令 */ 11 VIDIOC_G_CTRL /* 获取当前命令值 */ 12 VIDIOC_S_CTRL /* 设置新的命令值 */ 13 VIDIOC_G_TUNER /* 获取调谐器信息 */ 14 VIDIOC_S_TUNER /* 设置调谐器信息 */ 15 VIDIOC_G_FREQUENCY /* 获取调谐器频率 */ 16 VIDIOC_S_FREQUENCY /* 设置调谐器频率 */
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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：
1 struct v4l2_capability {
2 __u8 driver[16]; /* i.e. "bttv" */
3 __u8 card[32]; /* i.e. "Hauppauge WinTV" */
4 __u8 bus_info[32]; /* "PCI:" + pci_name(pci_dev) */
5 __u32 version; /* should use KERNEL_VERSION() */
6 __u32 capabilities; /* Device capabilities */
7 __u32 reserved[4];
8 };
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。
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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：
1 struct v4l2_format {
2 enum v4l2_buf_type type;
3 union {
4 struct v4l2_pix_format pix; /* V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE */
5 struct v4l2_window win; /* V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OVERLAY */
6 struct v4l2_vbi_format vbi; /* V4L2_BUF_TYPE_VBI_CAPTURE */
7 struct v4l2_sliced_vbi_format sliced; /* V4L2_BUF_TYPE_SLICED_VBI_CAPTURE */
8 __u8 raw_data[200]; /* user-defined */
9 } fmt;
10 };
11 其中
12 enum v4l2_buf_type {
13 V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE = 1,
14 V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT = 2,
15 V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OVERLAY = 3,
16 ...
17 V4L2_BUF_TYPE_PRIVATE = 0x80,
18 };
19
20 struct v4l2_pix_format {
21 __u32 width;
22 __u32 height;
23 __u32 pixelformat;
24 enum v4l2_field field;
25 __u32 bytesperline; /* for padding, zero if unused */
26 __u32 sizeimage;
27 enum v4l2_colorspace colorspace;
28 __u32 priv; /* private data, depends on pixelformat */
29 };
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。
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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：
1 struct v4l2_requestbuffers {
2 __u32 count;
3 enum v4l2_buf_type type;
4 enum v4l2_memory memory;
5 __u32 reserved[2];
6 };
7 其中
8 enum v4l2_memory {
9 V4L2_MEMORY_MMAP = 1,
10 V4L2_MEMORY_USERPTR = 2,
11 V4L2_MEMORY_OVERLAY = 3,
12 };
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。
回到顶部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：
1 struct v4l2_buffer {
2 __u32 index;
3 enum v4l2_buf_type type;
4 __u32 bytesused;
5 __u32 flags;
6 enum v4l2_field field;
7 struct timeval timestamp;
8 struct v4l2_timecode timecode;
9 __u32 sequence;
10
11 /* memory location */
12 enum v4l2_memory memory;
13 union {
14 __u32 offset;
15 unsigned long userptr;
16 } m;
17 __u32 length;
18 __u32 input;
19 __u32 reserved;
20 };
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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。
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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：
1 struct v4l2_queryctrl {
2 __u32 id; /* 命令编号 */
3 enum v4l2_ctrl_type type; /* 命令值的类型 */
4 __u8 name[32]; /* 命令名称*/
5 __s32 minimum; /* 最小的命令值 */
6 __s32 maximum; /* 最大的命令值 */
7 __s32 step; /* 命令值变化的步长 */
8 __s32 default_value; /* 默认的命令值 */
9 __u32 flags; /* 命令的标志 */
10 __u32 reserved[2]; /* 命令值的位图表示 */
11 };
12 其中
13 enum v4l2_ctrl_type {
14 V4L2_CTRL_TYPE_INTEGER = 1, /* 整形 */
15 V4L2_CTRL_TYPE_BOOLEAN = 2, /* 真值 */
16 V4L2_CTRL_TYPE_MENU = 3, /* 菜单 */
17 V4L2_CTRL_TYPE_BUTTON = 4, /* 无值 */
18 V4L2_CTRL_TYPE_INTEGER64 = 5, /* 后面三种不常用 */
19 V4L2_CTRL_TYPE_CTRL_CLASS = 6,
20 V4L2_CTRL_TYPE_STRING = 7,
21 };
22 命令的标志取值如下：
23 /* Control flags */
24 #define V4L2_CTRL_FLAG_DISABLED 0x0001
25 #define V4L2_CTRL_FLAG_GRABBED 0x0002
26 #define V4L2_CTRL_FLAG_READ_ONLY 0x0004
27 #define V4L2_CTRL_FLAG_UPDATE 0x0008
28 #define V4L2_CTRL_FLAG_INACTIVE 0x0010
29 #define V4L2_CTRL_FLAG_SLIDER 0x0020
30 #define V4L2_CTRL_FLAG_WRITE_ONLY 0x0040
31
32 /* Query flag, to be ORed with the control ID */
33 #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：
1 V4L2_CID_CONTRAST (V4L2_CID_BASE+1) /* 对比度调节 */ 2 V4L2_CID_SATURATION (V4L2_CID_BASE+2) /* 饱和度调节 */ 3 V4L2_CID_AUDIO_VOLUME (V4L2_CID_BASE+5) /* 音量调节 */ 4 V4L2_CID_AUDIO_MUTE (V4L2_CID_BASE+9) /* 静音设置 */ 5 V4L2_CID_DO_WHITE_BALANCE (V4L2_CID_BASE+13) /* 白平衡调节 */ 6 V4L2_CID_GAMMA (V4L2_CID_BASE+16) /* 伽马值调节 */ 7 V4L2_CID_EXPOSURE (V4L2_CID_BASE+17) /* 曝光度调节 */ 8 9 V4L2_CID_PRIVATE_ATXX_FLASH (V4L2_CID_PRIVATE_BASE + 2) /* 闪光灯控制 */ 10 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。
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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：
1 struct v4l2_control { 2 __u32 id; 3 __s32 value; 4 };
这个结构只有 2 个域，id 是命令编号，value 则是命令的值。
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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：
1 struct v4l2_tuner {
2 __u32 index; /* 调谐器编号，由应用程序设置 */
3 __u8 name[32]; /* 调谐器名称 */
4 enum v4l2_tuner_type type; /* 调谐器类型 */
5 __u32 capability; /* 调谐器支持的操作 */
6 __u32 rangelow; /* 最低频率值，单位为62.5Hz或者62.5KHz */
7 __u32 rangehigh; /* 最高频率值 */
8 __u32 rxsubchans; /* 接收的音频信号类型 */
9 __u32 audmode; /* 当前音频播放形式 */
10 __s32 signal; /* 信号强度 */
11 __s32 afc; /* 自动频率控制 */
12 __u32 reserved[4]; /* 保留备用 */
13 };
14 其中
15 enum v4l2_tuner_type {
16 V4L2_TUNER_RADIO = 1, /* 调频收音机 */
17 V4L2_TUNER_ANALOG_TV = 2, /* 模拟电视高频头 */
18 V4L2_TUNER_DIGITAL_TV = 3, /* 数字电视高频头 */
19 };
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。
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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：
下面我们看一下上述宏在内核中的原型
：
1 /* 2 * Our DIR and SIZE overlap in order to simulteneously provide 3 * a non-zero _IOC_NONE (for binary compatibility) and 4 * 14 bits of size as on i386. Here's the layout: 5 * 6 * 0xE0000000 DIR 3bit 7 * 0x80000000 DIR = WRITE bit31 8 * 0x40000000 DIR = READ bit30 9 * 0x20000000 DIR = NONE bit29 10 * 0x3FFF0000 SIZE (overlaps NONE bit) 13bit 11 * 0x0000FF00 TYPE 8bit 12 * 0x000000FF NR (CMD) 8bit 13 */ 14 /* 各个域的长度 */ 15 #define _IOC_NRBITS 8 16 #define _IOC_TYPEBITS 8 17 #define _IOC_SIZEBITS 13 /* Actually 14, see below. */ 18 #define _IOC_DIRBITS 3 19 /* 各个域的掩码 */ 20 #define _IOC_NRMASK ((1 << _IOC_NRBITS)-1) 21 #define _IOC_TYPEMASK ((1 << _IOC_TYPEBITS)-1) 22 #define _IOC_SIZEMASK ((1 << _IOC_SIZEBITS)-1) 23 #define _IOC_XSIZEMASK ((1 << (_IOC_SIZEBITS+1))-1) 24 #define _IOC_DIRMASK ((1 << _IOC_DIRBITS)-1) 25 /* 各个域的偏移 */ 26 #define _IOC_NRSHIFT 0 27 #define _IOC_TYPESHIFT (_IOC_NRSHIFT + _IOC_NRBITS) /* 8 */ 28 #define _IOC_SIZESHIFT (_IOC_TYPESHIFT + _IOC_TYPEBITS) /* 16 */ 29 #define _IOC_DIRSHIFT (_IOC_SIZESHIFT + _IOC_SIZEBITS) /* 29 */ 30 /* 读写域的值 */ 31 #define _IOC_NONE 1U 32 #define _IOC_READ 2U 33 #define _IOC_WRITE 4U 34 35 #define _IOC(dir,type,nr,size) \ 36 (((dir) << _IOC_DIRSHIFT) | \ /* 读写方向左移 29bit */ 37 ((type) << _IOC_TYPESHIFT) | \ /* 幻数左移 8bit */ 38 ((nr) << _IOC_NRSHIFT) | \ /* 命令序号 */ 39 ((size) << _IOC_SIZESHIFT)) /* 参数大小左移 16bit */ 40 /* 宏原型，这里将会根据传递的数据类型取其长度 */ 41 #define _IO(type,nr) _IOC(_IOC_NONE,(type),(nr),0) 42 #define _IOR(type,nr,size) _IOC(_IOC_READ,(type),(nr),sizeof(size)) 43 #define _IOW(type,nr,size) _IOC(_IOC_WRITE,(type),(nr),sizeof(size)) 44 #define _IOWR(type,nr,size) _IOC(_IOC_READ|_IOC_WRITE,(type),(nr),sizeof(size)) 45 /* 获取各个域的值 */ 46 #define _IOC_DIR(nr) (((nr) >> _IOC_DIRSHIFT) & _IOC_DIRMASK) 47 #define _IOC_TYPE(nr) (((nr) >> _IOC_TYPESHIFT) & _IOC_TYPEMASK) 48 #define _IOC_NR(nr) (((nr) >> _IOC_NRSHIFT) & _IOC_NRMASK) 49 #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：
1 static unsigned long cmd_input_size(unsigned int cmd)
2 {
3 #define CMDINSIZE(cmd, type, field) \
4 case VIDIOC_##cmd: \
5 return offsetof(struct v4l2_##type, field) + \ /* 域的偏移 */
6 sizeof(((struct v4l2_##type *)0)->field); /* 域的长度 */
7
8 switch (cmd) {
9 CMDINSIZE(ENUM_FMT, fmtdesc, type);
10 CMDINSIZE(G_FMT, format, type);
11 ...
12 CMDINSIZE(ENUM_FRAMESIZES, frmsizeenum, pixel_format);
13 CMDINSIZE(ENUM_FRAMEINTERVALS, frmivalenum, height);
14 default:
15 return _IOC_SIZE(cmd); /* 剩下的是需要全部拷贝的命令 */
16 }
17 }
18
19 long video_ioctl2(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg)
20 {
21 char sbuf[128]; /* 在栈中分配128个字节空间用来储存命令的参数 */
22 void *mbuf = NULL;
23 void *parg = NULL; /* 参数存放的首地址 */
24 long err = -EINVAL;
25 int is_ext_ctrl;
26 size_t ctrls_size = 0;
27 void __user *user_ptr = NULL;
28
29 ...
30 /* 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 */
31 if (_IOC_DIR(cmd) != _IOC_NONE) {
32 /* 判断参数大小是否超过128字节 */
33 if (_IOC_SIZE(cmd) <= sizeof(sbuf)) {
34 parg = sbuf;
35 } else {
36 /* 如果超过128字节则从堆中申请 */
37 mbuf = kmalloc(_IOC_SIZE(cmd), GFP_KERNEL);
38 if (NULL == mbuf)
39 return -ENOMEM;
40 parg = mbuf;
41 }
42
43 err = -EFAULT;
44 /* 如果包含写命令 */
45 if (_IOC_DIR(cmd) & _IOC_WRITE) {
46 /* 计算需要拷贝的有效数据长度,有的命令不需要全部拷贝 */
47 unsigned long n = cmd_input_size(cmd);
48 /* 从用户空间拷贝参数值 */
49 if (copy_from_user(parg, (void __user *)arg, n))
50 goto out;
51
52 /* 将剩下的空间清零 */
53 if (n < _IOC_SIZE(cmd))
54 memset((u8 *)parg + n, 0, _IOC_SIZE(cmd) - n);
55 } else {
56 /* 如果是只读命令则将整个buffer清零 */
57 memset(parg, 0, _IOC_SIZE(cmd));
58 }
59 }
60
61 ...
62 /* 调用 v4l2_ioctl_ops 的成员函数处理命令 */
63 err = __video_do_ioctl(file, cmd, parg);
64 if (err == -ENOIOCTLCMD)
65 err = -EINVAL;
66 ...
67 if (err < 0)
68 goto out;
69
70 out_ext_ctrl:
71 /* 如果包含读命令则将参数值拷贝到用户空间 */
72 switch (_IOC_DIR(cmd)) {
73 case _IOC_READ:
74 case (_IOC_WRITE | _IOC_READ):
75 if (copy_to_user((void __user *)arg, parg, _IOC_SIZE(cmd)))
76 err = -EFAULT;
77 break;
78 }
79
80 out:
81 kfree(mbuf);
82 return err;
83 }
84 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