眾所周知，linux中可以采用靈活的多層次的驅(qū)動(dòng)架構(gòu)來對(duì)接口進(jìn)行統(tǒng)一與抽象，最低層次的驅(qū)動(dòng)總是直接面向硬件的，而最高層次的驅(qū)動(dòng)在linux中被劃分為“面向字符設(shè)備、面向塊設(shè)備、面向網(wǎng)絡(luò)接口”三大類來進(jìn)行處理，前兩類驅(qū)動(dòng)在文件系統(tǒng)中形成類似文件的“虛擬文件”，又稱為“節(jié)點(diǎn)node”，這些節(jié)點(diǎn)擁有不同的名稱代表不同的設(shè)備，在目錄/dev下進(jìn)行統(tǒng)一管理，系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)如open、close、read等也與普通文件的操作有相似之處，這種接口的一致性是由VFS（虛擬文件系統(tǒng)層）抽象完成的。面向網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)備仍然在UNIX/Linux系統(tǒng)中被分配代表設(shè)備的名稱（如eth0），但是沒有映射入文件系統(tǒng)中，其驅(qū)動(dòng)的調(diào)用方式也與文件系統(tǒng)的調(diào)用open、read等不同。

video4linux2(V4L2)是Linux內(nèi)核中關(guān)于視頻設(shè)備的中間驅(qū)動(dòng)層，向上為Linux應(yīng)用程序訪問視頻設(shè)備提供了通用接口，向下為linux中設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)提供了統(tǒng)一的V4L2框架。在Linux系統(tǒng)中，V4L2驅(qū)動(dòng)的視頻設(shè)備（如攝像頭、圖像采集卡）節(jié)點(diǎn)路徑通常為/dev中的videoX，V4L2驅(qū)動(dòng)對(duì)用戶空間提供“字符設(shè)備”的形式，主設(shè)備號(hào)為81，對(duì)于視頻設(shè)備，其次設(shè)備號(hào)為0-63。除此之外，次設(shè)備號(hào)為64-127的Radio設(shè)備，次設(shè)備號(hào)為192-223的是Teletext設(shè)備,次設(shè)備號(hào)為224-255的是VBI設(shè)備。由V4L2驅(qū)動(dòng)的Video設(shè)備在用戶空間通過各種ioctl調(diào)用進(jìn)行控制，并且可以使用mmap進(jìn)行內(nèi)存映射。

linux內(nèi)核概略架構(gòu)（source：《Linux Device Drivers? Edition 3》chaper1）

（上傳不了，看官去翻書...）

V4l2在linux中的驅(qū)動(dòng)架構(gòu)（Edit By Andrew）：

可以看到從視頻輸入輸入硬件的整個(gè)驅(qū)動(dòng)鏈被抽象成3個(gè)層次：

1、? 最底層是直接面向硬件的，驅(qū)動(dòng)框架由v4l2提供。值得注意的是，往往該層驅(qū)動(dòng)需要總線驅(qū)動(dòng)的支持，比如常見的USB2.0總線。

2、? 中間層便是v4l2。這是v4l的第二版，由Bill Dirks最開始開發(fā)，最終被收入標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核驅(qū)動(dòng)樹。

3、? 上層是linux內(nèi)核三大驅(qū)動(dòng)模塊之一的“字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)層”，因此最終視頻設(shè)備以文件系統(tǒng)中/dev目錄下的字符設(shè)備的面目出現(xiàn)，并被應(yīng)用程序使用。

V4L2的是V4L的第二個(gè)版本。原來的V4L被引入到Linux內(nèi)核2.1.x的開發(fā)周期后期。Video4Linux2修正了一些設(shè)計(jì)缺陷，并開始出現(xiàn)在2.5.X內(nèi)核，并在內(nèi)核2.6.38之后，取消了對(duì)第一個(gè)版本v4l的支持。Video4Linux2驅(qū)動(dòng)程序包括Video4Linux1應(yīng)用的兼容模式，但實(shí)際上，支持是不完整的，并建議V4L2的設(shè)備使用V4L2的模式。現(xiàn)在，該項(xiàng)目的DVB-Wiki托管在LinuxTV（--->http://linuxtv.org/wiki/index.php/Main_Page）的網(wǎng)站上。

要想了解 V4l2 有幾個(gè)重要的文檔是必須要讀的：

1、源碼Documentation/video4linux目錄下的V4L2-framework.txt和videobuf

2、V4L2的官方API文檔V4L2 API Specification

3、源碼drivers/media/video目錄下的sample程序vivi.c（虛擬視頻驅(qū)動(dòng)程序，此代碼模擬一個(gè)真正的視頻設(shè)備V4L2 API）。

V4l2可以支持多種設(shè)備,它可以有以下幾種接口:

1. 視頻采集接口(video capture interface):這種應(yīng)用的設(shè)備可以是高頻頭或者攝像頭.V4L2的最初設(shè)計(jì)就是應(yīng)用于這種功能的.

2. 視頻輸出接口(video output interface):可以驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)的外圍視頻圖像設(shè)備--像可以輸出電視信號(hào)格式的設(shè)備.

3. 直接傳輸視頻接口(video overlay interface):它的主要工作是把從視頻采集設(shè)備采集過來的信號(hào)直接輸出到輸出設(shè)備之上,而不用經(jīng)過系統(tǒng)的CPU.

4. 視頻間隔消隱信號(hào)接口(VBI interface):它可以使應(yīng)用可以訪問傳輸消隱期的視頻信號(hào).

5. 收音機(jī)接口(radio interface):可用來處理從AM或FM高頻頭設(shè)備接收來的音頻流.

Andrew附：值得注意的是，內(nèi)核底層驅(qū)動(dòng)程序的支持情況往往是我們關(guān)心的。推薦這篇博文《Linux 下攝像頭驅(qū)動(dòng)支持情況》?http://weijb0606.blog.163.com/blog/static/131286274201063152423963/?? 這里做一個(gè)簡要的總結(jié)：

1、? 由于在內(nèi)核2.6.38版本之后就已經(jīng)完全支持v4l2，且拋棄了第一版。如今（2012-11）的內(nèi)核版本已到3.3.6，且?guī)缀跛械囊曨l設(shè)備驅(qū)動(dòng)都已過渡到新版，因此在開發(fā)程序的時(shí)候應(yīng)該按照v4l2的版本API標(biāo)準(zhǔn)來開發(fā)。

2、? 一般市場上容易買到的“免驅(qū)”攝像頭就是符合UVC標(biāo)準(zhǔn)的，內(nèi)核都可以支持。

3、? 其他種類的如中星微的ZC3XX、Sunplus系列等，GSPCA一般能支持，內(nèi)核也是自帶的。

4、? 內(nèi)核支持的所有種類的視頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)，都可以在文件系統(tǒng)目錄/lib/modules/kernel%uname –r/kernel/driver/meida/video下找到。或者在編譯內(nèi)核時(shí)，一一列舉。

相關(guān)網(wǎng)站：

http://linuxtv.org

http://linuxtv.org/wiki/index.php/Main_Page? linuxTV網(wǎng)站是V4L-?(DVB) Digital Video Broadcasting的維護(hù)者。

http://www.ideasonboard.org/uvc/?linux UVC驅(qū)動(dòng)主頁

http://mxhaard.free.fr/spca5xx.html?gspca驅(qū)動(dòng)主頁

===========一些v4l2驅(qū)動(dòng)層細(xì)節(jié)==========

——注意這些細(xì)節(jié)不是應(yīng)用程序調(diào)用的，而是編寫驅(qū)動(dòng)程序需要了解的，或者是關(guān)于v4l2本身的一些細(xì)節(jié)。

關(guān)于編寫應(yīng)用程序的一些細(xì)節(jié)移步“?http://www.cnblogs.com/andrew-wang/archive/2012/11/14/2770701.html? ”。

所有的v4l2驅(qū)動(dòng)程序有以下結(jié)構(gòu)：

1)?每個(gè)設(shè)備包含設(shè)備狀態(tài)的實(shí)例結(jié)構(gòu)。

2)?子設(shè)備的初始化和命令方式(如果有).

3)?創(chuàng)建V4L2的設(shè)備節(jié)點(diǎn) (/dev/videoX, /dev/vbiX and /dev/radioX)和跟蹤設(shè)備節(jié)點(diǎn)的具體數(shù)據(jù)。

4)文件句柄特定的結(jié)構(gòu)，包含每個(gè)文件句柄數(shù)據(jù);

5)?視頻緩沖處理。

V4L2 驅(qū)動(dòng)核心

V4L2 的驅(qū)動(dòng)源碼在drivers/media/video目錄下，主要核心代碼有：

v4l2-dev.c //linux版本2視頻捕捉接口,主要結(jié)構(gòu)體 video_device 的注冊v4l2-common.c //在Linux操作系統(tǒng)體系采用低級(jí)別的操作一套設(shè)備structures/vectors的通用視頻設(shè)備接口。 //此文件將替換videodev.c的文件配備常規(guī)的內(nèi)核分配。v4l2-device.c //V4L2的設(shè)備支持。注冊v4l2_devicev4l22-ioctl.c //處理V4L2的ioctl命令的一個(gè)通用的框架。v4l2-subdev.c //v4l2子設(shè)備v4l2-mem2mem.c //內(nèi)存到內(nèi)存為Linux和videobuf視頻設(shè)備的框架。設(shè)備的輔助函數(shù)，使用其源和目的地videobuf緩沖區(qū)。頭文件linux/videodev2.h、media/v4l2-common.h、media/v4l2-device.h、media/v4l2-ioctl.h、media/v4l2-dev.h、media/v4l2-ioctl.h等。

V4l2相關(guān)結(jié)構(gòu)體

1.V4l2_device

struct V4l2_device{ /* DEV-> driver_data指向這個(gè)結(jié)構(gòu)。 注：DEV可能是空的，如果沒有父設(shè)備是如同ISA設(shè)備。 */ struct device *dev; /* 用于跟蹤注冊的subdevs */ struct list_head subdevs; /*鎖定此結(jié)構(gòu)體;可以使用的驅(qū)動(dòng)程序以及如果這個(gè)結(jié)構(gòu)嵌入到一個(gè)更大的結(jié)構(gòu)。 */ spinlock_t lock; /* 獨(dú)特的設(shè)備名稱，默認(rèn)情況下，驅(qū)動(dòng)程序姓名+總線ID */ char name[V4L2_DEVICE_NAME_SIZE]; /*報(bào)告由一些子設(shè)備調(diào)用的回調(diào)函數(shù)。 */ void (*notify)(struct v4l2_subdev *sd, unsigned int notification, void *arg);}；

v4l2_device注冊和注銷 ? ??

v4l2_device_register(struct device *dev, struct v4l2_device *v4l2_dev);

第一個(gè)參數(shù)‘dev’通常是一個(gè)pci_dev的struct device的指針，但它是ISA設(shè)備或一個(gè)設(shè)備創(chuàng)建多個(gè)PCI設(shè)備時(shí)這是罕見的DEV為NULL，因此makingit不可能聯(lián)想到一個(gè)特定的父母v4l2_dev。 您也可以提供一個(gè)notify（）回調(diào)子設(shè)備，可以通過調(diào)用通知你的事件。取決于你是否需要設(shè)置子設(shè)備。一個(gè)子設(shè)備支持的任何通知必須在頭文件中定義 .

注冊時(shí)將初始化 v4l2_device 結(jié)構(gòu)體. 如果 dev->driver_data字段是空, 它將連接到 v4l2_dev.

v4l2_device_unregister(struct v4l2_device *v4l2_dev);

注銷也將自動(dòng)注銷設(shè)備所有子設(shè)備。

2.video_device ? (進(jìn)行視頻編程時(shí)v4l的最重要也是最常用功能)

在/dev目錄下的設(shè)備節(jié)點(diǎn)使用的 struct video_device（v4l2_dev.h）創(chuàng)建。

struct video_device { /*設(shè)備操作函數(shù) */ const struct v4l2_file_operations *fops; /* 虛擬文件系統(tǒng) */ struct device dev; /* v4l 設(shè)備 */ struct cdev *cdev; /* 字符設(shè)備 */ struct device *parent; /*父設(shè)備 */ struct v4l2_device *v4l2_dev; /* v4l2_device parent */ /* 設(shè)備信息 */ char name[32]; int vfl_type; /* 'minor' is set to -1 if the registration failed */ int minor; u16 num; /* use bitops to set/clear/test flags */ unsigned long flags; /*屬性來區(qū)分一個(gè)物理設(shè)備上的多個(gè)索引 */ int index; /* V4L2 文件句柄 */ spinlock_t fh_lock; /*鎖定所有的 v4l2_fhs */ struct list_head fh_list; /* List of struct v4l2_fh */ int debug; /* Activates debug level*/ /* Video standard vars */ v4l2_std_id tvnorms; /* Supported tv norms */ v4l2_std_id current_norm; /* Current tvnorm */ /* 釋放的回調(diào)函數(shù) */ void (*release)(struct video_device *vdev); /* 控制的回調(diào)函數(shù) */ const struct v4l2_ioctl_ops *ioctl_ops; }

動(dòng)態(tài)分配：

struct video_device *vdev = video_device_alloc();

結(jié)構(gòu)體配置：

fops：設(shè)置這個(gè)v4l2_file_operations結(jié)構(gòu)，file_operations的一個(gè)子集。v4l2_dev: 設(shè)置這個(gè)v4l2_device父設(shè)備

name:

ioctl_ops：使用v4l2_ioctl_ops簡化的IOCTL，然后設(shè)置v4l2_ioctl_ops結(jié)構(gòu)。

lock：如果你想要做的全部驅(qū)動(dòng)程序鎖定就保留為NULL。否則你給它一個(gè)指針指向一個(gè)mutex_lock結(jié)構(gòu)體和任何v4l2_file_operations被調(diào)用之前核心應(yīng)該釋放釋放鎖。

parent：一個(gè)硬件設(shè)備有多個(gè)PCI設(shè)備，都共享相同v4l2_device核心時(shí)，設(shè)置注冊使用NULL v4l2_device作為父設(shè)備結(jié)構(gòu)。

flags：可選的。設(shè)置到V4L2_FL_USE_FH_PRIO如你想讓框架處理VIDIOC_G/ S_PRIORITY的ioctl。這就需要您使用結(jié)構(gòu)v4l2_fh。這個(gè)標(biāo)志最終會(huì)消失，一旦所有的驅(qū)動(dòng)程序使用的核心優(yōu)先處理。但現(xiàn)在它必須明確設(shè)定。

如果使用v4l2_ioctl_ops，那么你應(yīng)該設(shè)置。unlocked_ioctlvideo_ioctl2在v4l2_file_operations結(jié)構(gòu)。

注冊/注銷 video_device：

video_register_device(struct video_device *vdev, int type, int nr); __video_register_device(struct video_device *vdev, int type, int nr,int warn_if_nr_in_use)

參數(shù)：

vdev：我們要注冊的視頻設(shè)備結(jié)構(gòu)。

type：設(shè)備類型注冊

nr：設(shè)備號(hào)（0==/dev/video0，1??== /dev/video1，...-1==釋放第一個(gè)）

warn_if_nr_in_use：如果所需的設(shè)備節(jié)點(diǎn)號(hào)碼已經(jīng)在使用另一個(gè)號(hào)碼代替選擇。

注冊程式分配次設(shè)備號(hào)和設(shè)備節(jié)點(diǎn)的數(shù)字根據(jù)請(qǐng)求的類型和注冊到內(nèi)核新設(shè)備節(jié)點(diǎn)。如果無法找到空閑次設(shè)備號(hào)或設(shè)備節(jié)點(diǎn)編號(hào)，或者如果設(shè)備節(jié)點(diǎn)注冊失敗，就返回一個(gè)錯(cuò)誤。

video_unregister_device(struct video_device *vdev);

3.v4l2_subdev 子設(shè)備結(jié)構(gòu)體

每個(gè)子設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序必須有一個(gè)v4l2_subdev結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)可以獨(dú)立簡單的設(shè)備或者如果需要存儲(chǔ)更多的狀態(tài)信息它可能被嵌入在一個(gè)更大的結(jié)構(gòu)。由于子設(shè)備可以做很多不同的東西，你不想結(jié)束一個(gè)巨大的OPS結(jié)構(gòu)其中只有少數(shù)的OPS通常執(zhí)行，函數(shù)指針進(jìn)行排序按類別，每個(gè)類別都有其自己的OPS結(jié)構(gòu)。頂層OPS結(jié)構(gòu)包含的類別OPS結(jié)構(gòu)，這可能是NULL如果在subdev驅(qū)動(dòng)程序不支持任何從該類別指針。

struct v4l2_subdev { #if defined(CONFIG_MEDIA_CONTROLLER) struct media_entity entity; #endif struct list_head list; struct module *owner; u32 flags; struct v4l2_device *v4l2_dev; const struct v4l2_subdev_ops *ops; /* 從驅(qū)動(dòng)程序中不要調(diào)用這些內(nèi)部操作函數(shù)！ */ const struct v4l2_subdev_internal_ops *internal_ops; /*這個(gè)subdev控制處理程序。可能是NULL。 */ struct v4l2_ctrl_handler *ctrl_handler; /* 名字必須是唯一 */ char name[V4L2_SUBDEV_NAME_SIZE]; /* 可用于到類似subdevs組，值是驅(qū)動(dòng)程序特定的 */ u32 grp_id; /* 私有數(shù)據(jù)的指針 */ void *dev_priv; void *host_priv; /* subdev 設(shè)備節(jié)點(diǎn)*/ struct video_device devnode; /* 事件的數(shù)量在打開的時(shí)候被分配 */ unsigned int nevents; };

4.v4l2_buffer 緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)體

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;};

V4L2核心API提供了一套標(biāo)準(zhǔn)方法的用于處理視頻緩沖器（稱為“videobuf”）。這些方法允許驅(qū)動(dòng)程序以一致的方式來實(shí)現(xiàn)read()，mmap()和overlay()。目前使用的設(shè)備上的視頻緩沖器，支持scatter/gather方法（videobuf-dma-SG），線性存取的DMA的（videobuf-DMA-contig），vmalloc分配的緩沖區(qū)，主要用于在USB驅(qū)動(dòng)程序（DMA緩沖區(qū)的方法videobuf-vmalloc）。

videobuf層的功能為一種V4L2驅(qū)動(dòng)和用戶空間之間的粘合層。它可以處理存儲(chǔ)視頻幀緩沖區(qū)的分配和管理。有一組可用于執(zhí)行許多標(biāo)準(zhǔn)的POSIX I / O系統(tǒng)調(diào)用的功能，包括read（），poll（）的，happily，mmap（）。另一套功能可以用來實(shí)現(xiàn)大部分的V4L2的ioctl（）調(diào)用相關(guān)的流式I/ O的，包括緩沖區(qū)分配，排隊(duì)和dequeueing，流控制。驅(qū)動(dòng)作者使用videobuf規(guī)定了一些設(shè)計(jì)決定，但回收期在驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)V4L2的用戶空間API的貫徹實(shí)施在減少代碼的形式。

關(guān)于videobuf的層的更多信息,請(qǐng)參閱Documentation/video4linux/videobuf

Sample驅(qū)動(dòng)源碼分析：vivi.c 虛擬視頻驅(qū)動(dòng)程序

----- 此代碼模擬一個(gè)真正的視頻設(shè)備V4L2 API (位于drivers/media/video目錄下)

入口：+int __init vivi_init(void) + vivi_create_instance(i) /*創(chuàng)建設(shè)備*//**/。 + 分配一個(gè)vivi_dev的結(jié)構(gòu)體 /*它嵌套這結(jié)構(gòu)體v4l2_device 和video_device*/ + v4l2_device_register(NULL, &dev->v4l2_dev);/*注冊vivi_dev中的V4l2_device*/ + 初始化視頻的DMA隊(duì)列 + 初始化鎖 + video_device_alloc(); 動(dòng)態(tài)分配video_device結(jié)構(gòu)體 + 構(gòu)建一個(gè)video_device結(jié)構(gòu)體 vivi_template 并賦給上面分配的video_device static struct video_device vivi_template = { . name = "vivi", .fops = &vivi_fops, .ioctl_ops = &vivi_ioctl_ops, .minor = -1, .release = video_device_release, .tvnorms = V4L2_STD_525_60, .current_norm = V4L2_STD_NTSC_M, }; + video_set_drvdata(vfd, dev);設(shè)置驅(qū)動(dòng)程序?qū)Ｓ袛?shù)據(jù) + 所有控件設(shè)置為其默認(rèn)值 + list_add_tail(&dev->vivi_devlist, &vivi_devlist);添加到設(shè)備列表 + 構(gòu)建 v4l2_file_operations 結(jié)構(gòu)體vivi_fops 并實(shí)現(xiàn).open .release .read .poll .mmap函數(shù) ----- .ioctl 用標(biāo)準(zhǔn)的v4l2控制處理程序 + 構(gòu)建 v4l2_ioctl_ops結(jié)構(gòu)體 vivi_ioctl_ops static const struct v4l2_ioctl_ops vivi_ioctl_ops = { .vidioc_querycap = vidioc_querycap, .vidioc_enum_fmt_vid_cap = vidioc_enum_fmt_vid_cap, .vidioc_try_fmt_vid_cap = vidioc_try_fmt_vid_cap, .vidioc_s_fmt_vid_cap = vidioc_s_fmt_vid_cap, .vidioc_reqbufs = vidioc_reqbufs, .vidioc_querybuf = vidioc_querybuf, .vidioc_qbuf = vidioc_qbuf, .vidioc_dqbuf = vidioc_dqbuf, .vidioc_s_std = vidioc_s_std, .vidioc_enum_input = vidioc_enum_input, .vidioc_g_input = vidioc_g_input, .vidioc_s_input = vidioc_s_input, .vidioc_queryctrl = vidioc_queryctrl, .vidioc_g_ctrl = vidioc_g_ctrl, .vidioc_s_ctrl = vidioc_s_ctrl, .vidioc_streamon = vidioc_streamon, .vidioc_streamoff = vidioc_streamoff, #ifdef CONFIG_VIDEO_V4L1_COMPAT .vidiocgmbuf = vidiocgmbuf, #endif }; + int vivi_open(struct file *file) + vivi_dev *dev = video_drvdata(file); 訪問驅(qū)動(dòng)程序?qū)Ｓ脭?shù)據(jù) + 分配+初始化句柄（vivi_fh）數(shù)據(jù) + 重置幀計(jì)數(shù)器 + videobuf_queue_vmalloc_init(); 初始化視頻緩沖隊(duì)列 + 開啟一個(gè)新線程用于開始和暫停 + 實(shí)現(xiàn)自定義的v4l2_ioctl_ops 函數(shù)

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