V4L2 API详解3 Buffer的准备和数据读取


前面主要介绍的是:V4L2 的一些设置接口,如亮度,饱和度,曝光时间,帧数,增益,白平衡等。今天看看V4L2 得到数据的几个关键ioctl,Buffer的申请和数据的抓取。


1. 初始化 Memory Mapping 或 User Pointer I/O.
申请数据Buffer。
int ioctl(int fd, int requestbuf struct v4l2_requestbuffers * argp );
参数一:open()所产生的句柄。
参数二:VIDIOC_REQBUFS
参数三:in/out结构体。
struct v4l2_requestbuffers
{
  __u32 count;
  enum v4l2_buf_type type;
  enum v4l2_memory memory; // Applications set this field to V4L2_MEMORY_MMAP or V4L2_MEMORY_USERPTR
 __u32 reserved[2];
};

注意,有两种方式的I/O。 Memory Mapping 和User Pointer。
Memory Mapping的Buffer由Driver申请为物理连续的内存空间(Kernel空间)。在此ioctl调用时被分配,需要早于mmap()动作将他们映射到用户空间。

1.1:Memory Mapping模式详解:
在使用Memory Mapping模式时,参数三中结构体内每个field都需要设置。


  __u32 count;   //当memory= V4L2_MEMORY_MMAP时,此处才有效。表明要申请的buffer个数。
  enum v4l2_buf_type type;   //Stream 或者Buffer的类型。此处肯定为V 4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE
  enum v4l2_memory memory;   //既然是Memory Mapping模式,则此处设置为: V4L2_MEMORY_MMAP


注意:count是个输入输出函数。因为你所申请到的Buffer个数不一定就是你所输入的Number。所以在ioctl执行后,driver会将真实申请到的buffer个数填充到此field. 这个数目有可能大于你想要申请的,也可能小与,甚至可能是0个。
应用程序可以再次调用ioctl– VIDIOC_REQBUFS 来修改buffer个数。 但前提是必须先释放已经   mapped     buffer   ,可以先   munmap   ,然后设置参数   count     0   来释放所有的   buffer


支持Memory  Mapping  I/O方式的前提是: v4l2_capability   中支持 V4L2_CAP_STREAMING。
在这个模式下,数据本身不会被Copy,只是在Kernel和用户态之间交换。在应用程序想要访问到这些数据之前,它必须调用mmap()影射到用户态。

同时也要注意,通过ioctl申请的内存,是物理内存,无法被交换入Disk,所以一定要释放: munmap()



1.2:User Pointer模式:
User Pointer模式时,应用程序实现申请。
只需要填充Type= V 4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE, memory= V4L2_MEMORY_USERPTR




2. 询问Buffer状态:
int ioctl(int fd, int request, struct  v4l2_buffer* argp);
参数一:open()所产生的句柄。
参数二: VIDIOC_QUERYBUF
参数三:v4l2_buffer 结构体。(IN/OUT参数)

注意,此ioctl是Memory Mapping的I/O方法之一。User Pointer模式不需要。在Buffer在ioctl- VIDIOC_REQBUFS执行时创建后,随时都可以调用此Ioctl得到buffer信息。
视频缓冲区的使用状态、在内核空间的偏移地址、缓冲区长度等。在应用程序设计中通过调VIDIOC_QUERYBUF来获取内核空间的视频缓冲区信息,然后调用函数mmap把内核空间地址映射到用户空间,这样应用程序才能够访问位于内核空间的视频缓冲区

我们首先通过v4l2_buffer结构体看看参数三这个输入输出参数需要输入些什么,以及能够得到什么信息。

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;

  enum v4l2_memory memory;
  union {
  __u32 offset;
  unsigned long userptr;
  } m;
  __u32 length;
  __u32 input;
  __u32 reserved;
};

在调用ioctl– VIDIOC_QUERYBUF时,需要写入的项目有:
enum v4l2_buf_type type; // V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE
__u32 index;  // 这里需要解释一下,因为在调用ioctl- VIDIOC_REQBUFS 时,建立了count个Buffer。 所以,这里index的有效范围是:0到count-1.


在调用ioctl- VIDIOC_QUERYBUF后,Driver会填充 v4l2_buffer 结构体内所有信息供用户使用。
如果一些正常:
1. flags 中:V4L2_BUF_FLAG_MAPPEDV4L2_BUF_FLAG_QUEUED and V4L2_BUF_FLAG_DONE被设置。
2. memory中,V4L2_MEMORY_MMAP被设置。
3. m.offset中,从将要mapping 的device memory头到数据头的offset.
4. length 中,填充当前Buffer长度。
5。其它的Field有可能设置,也有可能不被设置。


这样,mmap()想要有的信息就全了。而mmap()之后,Device Driver 申请的或者Device Memory就能映射到用户空间。数据就可以被应用程序使用了。这才是ioctl- VIDIOC_QUERYBUF 的关键作用。



3.和Driver交换buffer: 
对Camera这样的捕获设备来说,Device将数据放到Buffer中,用户得到数据。Device再次将数据放到Buffer中。
那么Device Driver 怎样知道哪个Buffer是可以存放数据的呢?这就用到当前这两个ioctl- VIDIOC_QBUF, ioctl-VIDIOC_DQBUF.

ioctl-VIDIOC_QBUF: 将指定的Buffer放到输入队列中,即向Device表明这个Buffer可以存放东西。
ioctl-VIDIOC_DQBUF: 将输出队列中的数据 buffer取出。

 driver 内部管理着两个 buffer queues ,一个输入队列,一个输出队列。对于 capture device 来说,当输入队列中的 buffer 被塞满数据以后会自动变为输出队列,等待调用 VIDIOC_DQBUF 将数据进行处理以后重新调用 VIDIOC_QBUF  buffer 重新放进输入队列.


用法:
ioctl–VIDIOC_QBUF:
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_buffer* argp);
参数一:open()所产生的句柄。
参数二:VIDIOC_QBUF
参数三:v4l2_buffer 结构体。(IN/OUT参数)


参数三是IN/OUT 参数。需要填充
enum v4l2_buf_type type; //V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE
__u32 index;  // 这里需要解释一下,因为在调用ioctl-VIDIOC_REQBUFS时,建立了count个Buffer。所以,这里index的有效范围是:0到count-1. 
memory: V4L2_MEMORY_MMAP.

则这个结构体指明的buffer被送入输出队列,表明此Buffer可以被device 填充数据。

用法:
ioctl–VIDIOC_DQBUF:
int ioctl(int fd, int request, struct v4l2_buffer* argp);
参数一:open()所产生的句柄。
参数二:VIDIOC_DQBUF
参数三:v4l2_buffer 结构体。(IN/OUT参数)



从输出队列中取出一个有数据的Buffer。这个Buffer中的数据被处理后,此Buffer可以通过ioctl- VIDIOC_QBUF再次放入输入队列中去。




4. 开始和结束捕获:
ioctl–VIDIOC_STREAMON. ioctl–VIDIOC_STREAMOFF

非常简单的调用。就是开始和结束。




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