針對DAVINCI DM6446平臺，網絡上也有很多網友寫了V4L2的驅動，但只是解析Montavistalinux-2.6.10 V4L2的原理、結構和函數，深度不夠。本文決定把Montavista 的Linux-2.6.18 V4L2好好分析一下，順便講解在產品中的應用，滿足一些客戶提出要求，畢竟V4L2是LINUX一個很重要的視頻驅動，適合很多嵌入式芯片平臺。本文首先講解DM6446 DAVINCI視頻處理技術的硬件工作原理，然后講解DM6446 V4L2采集驅動和輸出驅動，然后對TI DVSDK2.0里邊提供的V4L2的例子進行詳細講解，怎樣和驅動配合起來。
第一節 DAVINCI視頻處理硬件
有關DM6446 DAVINCI視頻處理技術，有兩個文檔：VPFE sprue38ec.pdf和VPBE sprue37c.pdf，必須要看看的。下圖是DAVINCI視頻處理技術的框圖，VPSS（視頻處理子系統）包含VPFE和VPBE，VPFE負責前端視頻采集和處理，而VPBE負責后端視頻輸出，通過OSD和VECN直接輸出到DACS（數字轉模擬輸出口，一共4個通道DAC，通過外圍視頻編碼芯片轉換成復合視頻CVBS輸出到普通電視機）或者直接輸出到LCD（DM6446支持RGB24位信號輸出到數字LCD屏，4.3寸，7寸屏等）。
圖-1 DAVINCI VPSS框圖
從圖-1可以看出，VPFE系統可以接CCD或者CMOS sensor，同時也可以接視頻解碼芯片，目前Montavista Linux-2.6.18驅動給出的TI EVM驅動支持MT9T001 CMOS芯片和TVP5146視頻解碼芯片，VPFE采用RAW模式控制MT9T001 CMOS芯片，數碼相機產品基本是這種應用方式，而VPFE采用BT601或BT656的方式控制TVP5146視頻解碼芯片，很多做安防、機器視覺等的方案都是這種模式，因為這種方式最普通，視頻前端買個普通的CCD攝像機，接條視頻線和電源，就可以用通過類似TVP5146的芯片采集到圖像了，本人也著重介紹這種情況。而圖-1里邊的Resizer（圖像縮放1/4x~4x）、Preview（預覽器）、H3A（硬件自動白平衡、自動對焦、自動曝光）、Histogram（直方圖）是對采集到的視頻進行處理，一般常用到的是Resizer，不需要占用ARM和DSP的資源，對采集到的YUV422數據進行處理，然后才提交給H264等算法進行壓縮，這一點可以在dvsdk_2_00_00_22\dvsdk_demos_2_00_00_07\dm6446里邊的例子體現到。
VPBE系統可以對處理后的視頻（VIDEO）數據或圖像(IMAGE)進行處理和輸出，一般用戶可以通過OSD功能疊加自己的LOGO、字符、時間、坐標、框圖等信息，然后通過VENC模塊輸出到DAC或者LCD接口。
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DM6446開發攻略:V4L2視頻驅動和應用分析(2)
2、下面通過分析v4l2_mmap_loopback.c的源碼，從應用層的角度討論V4L2的原理：
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <getopt.h>
#include <stdlib.h>
。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。
#include <fcntl.h>
#include <time.h>
/*以上指向你安裝的linux主機/usr/include*/
#include <linux/fb.h>/*指向Montavista linux-2.6.18\include\linux*/
#include <asm/types.h>/*指向linux-2.6.18\include\asm-arm*/
/* Kernel header file, prefix path comes from makefile */
#include <media/davinci/davinci_vpfe.h>/*指向linux-2.6.18 \include\media\davinci*/
#include <video/davincifb_ioctl.h>/*指向linux-2.6.18 \include\video*/
#include <linux/videodev.h>
#include <linux/videodev2.h>
#include <media/davinci/davinci_display.h>
#include <media/davinci/ccdc_davinci.h>
/* LOCAL DEFINES*/
#define CAPTURE_DEVICE "/dev/video0" 文件系統中采集驅動用到的設備節點
#define WIDTH_NTSC 720
#define HEIGHT_NTSC 480 視頻NTSC制式
#define WIDTH_PAL 720
#define HEIGHT_PAL 576 視頻PAL支持
#define MIN_BUFFERS 2 采集時存放YUV視頻數據的緩沖數，做到乒乓BUFFER，
#define UYVY_BLACK 0x10801080無圖像的YUV值處理
/* Device parameters */
#define VID0_DEVICE "/dev/video2"
文件系統中DISPLAY輸出設備節點（對照內核驅動davinci_display.c）
#define VID1_DEVICE "/dev/video3"文件系統中DISPLAY輸出設備節點
#define OSD0_DEVICE "/dev/fb/0"文件系統中OSD0設備節點
#define OSD1_DEVICE "/dev/fb/2"文件系統中OSD1設備節點
/* Function error codes */
#define SUCCESS 0
#define FAILURE -1
/* Bits per pixel for video window */
#define YUV_422_BPP 16
#define BITMAP_BPP_8 8
#define DISPLAY_INTERFACE "COMPOSITE"顯示輸出定義復合視頻輸出
#define DISPLAY_MODE_PAL "PAL"顯示輸出定義PAL制輸出
#define DISPLAY_MODE_NTSC "NTSC"顯示輸出定義NTSC制輸出
#define round_32(width) ((((width) + 31) / 32) * 32 ) 字節對齊
/* Standards and output information */
#define ATTRIB_MODE "mode"
#define ATTRIB_OUTPUT "output"
#define LOOP_COUNT 500 本例子采集多少幀就停止運行（PAL制每秒25幀）
介紹完v4l2_mmap_loopback.c的前面部分的定義，我們可以開始熟悉V4L2，這里借用網友的描述，順便加入本人的分析。
Video4linux2（簡稱V4L2),是linux中關于視頻設備的內核驅動。在Linux中，視頻設備是設備文件，可以像訪問普通文件一樣對其進行讀寫，攝像頭在/dev/video0下。
Video4linux2一般操作流程（視頻設備）：
1. 打開設備文件。 int fd=open(”/dev/video0″,O_RDWR);
2. 取得設備的capability，看看設備具有什么功能，比如是否具有視頻輸入等。VIDIOC_QUERYCAP,struct v4l2_capability
3. 選擇視頻輸入，一個視頻設備可以有多個視頻輸入。VIDIOC_S_INPUT,struct v4l2_input
4. 設置視頻的制式和幀格式，制式包括PAL，NTSC，幀的格式個包括寬度和高度等。
VIDIOC_S_STD,VIDIOC_S_FMT,struct v4l2_std_id,struct v4l2_format
5. 向驅動申請幀緩沖，一般不超過5個。struct v4l2_requestbuffers
6. 將申請到的幀緩沖映射到用戶空間，這樣就可以直接操作采集到的幀了，而不必去復制。
7. 將申請到的幀緩沖全部入隊列，以便存放采集到的數據.VIDIOC_QBUF,struct v4l2_buffer
8. 開始視頻的采集。VIDIOC_STREAMON
9. 出隊列以取得已采集數據的幀緩沖，取得原始采集數據。VIDIOC_DQBUF
10. 將緩沖重新入隊列尾,這樣可以循環采集。VIDIOC_QBUF
11. 停止視頻的采集。VIDIOC_STREAMOFF
12. 關閉視頻設備。close(fd);
常用的結構體(參見linux-2.6.18_pro500/include/linux/include/linux/videodev2.h)：
struct v4l2_requestbuffers reqbufs;//向驅動申請幀緩沖的請求，里面包含申請的個數
struct v4l2_capability cap;//這個設備的功能，比如是否是視頻輸入設備
struct v4l2_input input; //視頻輸入
struct v4l2_standard std;//視頻的制式，比如PAL，NTSC
struct v4l2_format fmt;//幀的格式，比如寬度，高度等
struct v4l2_buffer buf;//代表驅動中的一幀
v4l2_std_id stdid;//視頻制式，例如：V4L2_STD_PAL
struct v4l2_queryctrl query;//查詢的控制
struct v4l2_control control;//具體控制的值
從main()函數調用vpbe_UE_1（），在vpbe_UE_1（）里，可以看到采集流程和顯示輸出流程。
3、V4L2采集過程
initialize_capture（）里初始化采集配置、分配采集內存緩沖、啟動開始采集。順序調用init_capture_device（）+set_data_format（），init_capture_buffers（），start_streaming（）。
打開視頻設備
在V4L2中，視頻設備被看做一個文件。使用open函數打開這個設備：
/用非阻塞模式打開采集設備，見init_capture_device（）函數，fdCapture在本例子中定義為全局變量，
if ((fdCapture = open(CAPTURE_DEVICE, O_RDWR | O_NONBLOCK, 0)) <= -1) {
printf("InitDevice:open::\n");
return -1; }
如果用阻塞模式打開采集設備，上述代碼變為：
if ((fdCapture = open(CAPTURE_DEVICE, O_RDWR, 0)) <= -1) {
printf("InitDevice:open::\n");
return -1; }
關于阻塞模式和非阻塞模式，應用程序能夠使用阻塞模式或非阻塞模式打開視頻設備，如果使用非阻塞模式調用視頻設備，即使尚未捕獲到信息，驅動依舊會把緩存（DQBUFF）里的東西返回給應用程序。
設定屬性及采集方式
打開視頻設備后，可以設置該視頻設備的屬性，例如裁剪、縮放等。這一步是可選的。在Linux編程中，一般使用ioctl函數來對設備的I/O通道進行管理：
extern int ioctl (int __fd, unsigned long int __request, …) __THROW;
__fd：設備的ID，例如剛才用open函數打開視頻通道后返回的fdCapture；
__request：具體的命令標志符。
在進行V4L2開發中，一般會用到以下的命令標志符：
1. VIDIOC_REQBUFS：分配內存
2. VIDIOC_QUERYBUF：把VIDIOC_REQBUFS中分配的數據緩存轉換成物理地址
3. VIDIOC_QUERYCAP：查詢驅動功能
4. VIDIOC_ENUM_FMT：獲取當前驅動支持的視頻格式
5. VIDIOC_S_FMT：設置當前驅動的頻捕獲格式
6. VIDIOC_G_FMT：讀取當前驅動的頻捕獲格式
7. VIDIOC_TRY_FMT：驗證當前驅動的顯示格式
8. VIDIOC_CROPCAP：查詢驅動的修剪能力
9. VIDIOC_S_CROP：設置視頻信號的邊框
10. VIDIOC_G_CROP：讀取視頻信號的邊框
11. VIDIOC_QBUF：把數據從緩存中讀取出來
12. VIDIOC_DQBUF：把數據放回緩存隊列
13. VIDIOC_STREAMON：開始視頻顯示函數
14. VIDIOC_STREAMOFF：結束視頻顯示函數
15. VIDIOC_QUERYSTD：檢查當前視頻設備支持的標準，例如PAL或NTSC。
這些IO調用，有些是必須的，有些是可選擇的。他們可以從在內核中davinci_vpfe.c 里static int vpfe_doioctl(struct inode *inode, struct file *file,unsigned int cmd, void *arg)函數找到對應關系。
檢查當前視頻設備支持的標準和設置視頻捕獲格式
在set_data_format()函數里，檢測完視頻設備支持的標準后，還需要設定視頻捕獲格式：PAL制還是NTSC制，采集像素格式UYVY，奇偶場交錯方式INTERLACED。
分配內存
接下來可以為視頻捕獲分配內存：
在init_capture_buffers（）里，使用VIDIOC_REQBUFS，我們獲取了req.count個緩存，下一步通過調用VIDIOC_QUERYBUF命令來獲取這些緩存的地址，然后使用mmap函數轉換成應用程序中的絕對地址，最后把這段緩存放入緩存隊列：
// 讀取緩存
if (ioctl(fdCapture, VIDIOC_QUERYBUF, &buf) == -1) {
return -1;
}
buffers[numBufs].length = buf.length;
// 轉換成相對地址
buffers[nIndex].length = buf.length;
buffers[nIndex].start =
mmap(NULL, buf.length, PROT_READ | PROT_WRITE,
MAP_SHARED, fdCapture, buf.m.offset);
啟動開始采集
// 放入緩存隊列
if (ioctl(fdCapture, VIDIOC_QBUF, &buf) == -1) {
return -1;
}}
/* all done , get set go */
type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
if (-1 == ioctl(fdCapture, VIDIOC_STREAMON, &type)) //
printf("start_streaming:ioctl:VIDIOC_STREAMON:\n");
關于視頻采集方式
操作系統一般把系統使用的內存劃分成用戶空間和內核空間，分別由應用程序管理和操作系統管理。應用程序可以直接訪問內存的地址，而內核空間存放的是 供內核訪問的代碼和數據，用戶不能直接訪問。v4l2捕獲的數據，最初是存放在內核空間的，這意味著用戶不能直接訪問該段內存，必須通過某些手段來轉換地址。
一共有三種視頻采集方式：使用read、write方式；內存映射方式和用戶指針模式。
read、write方式:在用戶空間和內核空間不斷拷貝數據，占用了大量用戶內存空間，效率不高。
內存映射方式：把設備里的內存映射到應用程序中的內存控件，直接處理設備內存，這是一種有效的方式。上面的mmap函數就是使用這種方式。
用戶指針模式：內存片段由應用程序自己分配。這點需要在v4l2_requestbuffers里將memory字段設置成V4L2_MEMORY_USERPTR。
處理采集數據
V4L2有一個數據緩存，存放req.count數量的緩存數據。數據緩存采用FIFO的方式，當應用程序調用緩存數據時，緩存隊列將最先采集到的 視頻數據緩存送出，并重新采集一張視頻數據。這個過程需要用到兩個ioctl命令,VIDIOC_DQBUF和VIDIOC_QBUF：
struct v4l2_buffer buf;
memset(&buf,0,sizeof(buf));
buf.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
buf.memory=V4L2_MEMORY_MMAP;
buf.index=0;
//讀取緩存
if (ioctl(fdCapture, VIDIOC_DQBUF, &buf) == -1)
{
return -1;
}
//…………視頻處理算法
//重新放入緩存隊列
if (ioctl(fdCapture, VIDIOC_QBUF, &buf) == -1) {
return -1;
}
關閉視頻設備
使用close函數關閉一個視頻設備
close(fdCapture)
4、V4L2顯示輸出
配置視頻顯示輸出函數init_vid1_device（），初始化和采集差不多，這里就不用多解析，這個顯示輸出的例子通過DAC口，把采集的圖像通過LOOPBACK方式，直接輸出到普通電視機或DVD等視頻IN的端口里，當然你的板子要有把DM6446 DAC信號通過視頻放大器才能接到電視機上。從start_loop()函數里，下面的代碼
buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
/* determine ready buffer */
if (-1 == ioctl(fdCapture, VIDIOC_DQBUF, &buf)) {
if (EAGAIN == errno)
continue;
printf("StartCameraCaputre:ioctl:VIDIOC_DQBUF\n");
return -1;
}
/******************* V4L2 display ********************/
displaybuffer = get_display_buffer(fd_vid1);
if (NULL == displaybuffer) {
printf("Error in getting the display buffer:VID1\n");
return ret; }
src = buffers[buf.index].start;
dest = displaybuffer;
/* Display image onto requested video window */
for(i=0 ; i < dispheight; i++) {
memcpy(dest, src, disppitch);
src += disppitch;
dest += disppitch;
}
可以看出LOOPBACK方式的操作memcpy(dest, src, disppitch)，直接把采集的數據(720x576x2)字節放到視頻輸出緩沖dest，disppitch=1440,，就是一行UYVY的自己是1440。
第四節 DVSDK2.0有關V4L2的例子分析
有上面的介紹，我們可以深入學習DM6446 DVSDK2.0有關V4L2的例子。dvsdk_2_00_00_22\dvsdk_demos_2_00_00_07\dm6446里有encode，decode，encodedecode的例子，這些例子全部是應用程序，V4L2的例子函數為capture.c和display.c，他們不像第三節介紹的v4l2_mmap_loopback.c直接跟內核davinci_vpfe.c接口函數打交道，而是通過dmai，即dvsdk_2_00_00_22\dmai_1_20_00_06\packages\ti\sdo\dmai\linux目錄下的源代碼，跟內核davinci_vpfe.c、vpbe_encoder.c打交道，Montavista把內核驅動和VISA調用封裝在一起，dvsdk_2_00_00_22\dvsdk_demos_2_00_00_07\dm6446里的例子就是產品級的例子，帶有H264、MPEG4、G711這些算法的應用。dvsdk_2_00_00_22\dmai_1_20_00_06\packages\ti\sdo\_dmai\linux里的c文件就是V4L2和內核對接的源文件，好好學習這些例子，對大家做DAVINCI嵌入式產品非常有好處，本人也是從這些例子里學到很多LINUX的東西。
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http://blog.csdn.net/woxincd/article/details/6371093
http://www.61ic.com/Article/DaVinci/DM644X/201108/36942.html
http://zjbintsystem.blog.51cto.com/964211/464729
http://61ic.com/code/redirect.php?fid=170&tid=74632&goto=nextoldset
http://blog.csdn.net/wilson0913/article/details/4606565
