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V4L2

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Video for Linux Two

(V4L2)

——驱动编写指南

原始翻译稿：Video4Linux2 (usr 技术社区译文组)

原文地址：The Video4Linux2

整理：Tekkaman Ninja

2012-8-17

声明：本文是基于 http://lwn.net/网站上的经典系列文章《Video4Linux2》的翻译整理。

原始翻译来自 usr 技术社区译文组和雷宏亮的博文。

本文因个人学习需要顺手做整理、修正，发布此文档仅为方便广大 Linux 爱好者。

Video for Linux Two(V4L2)——驱动编写指南

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Tekkaman Ninja

一、 API 介绍 ......................................................................................................................3

二、注册和 open() ................................................................................................................4

1. 视频设备注册 ...............................................................................................................5

2. open() 和 release() .........................................................................................................5

三、基本 ioctl()处理 .............................................................................................................7

四、输入和输出 ..................................................................................................................9

1. 视频标准 .....................................................................................................................9

2. 输入 ..........................................................................................................................10

3. 输出 ..........................................................................................................................11

五、颜色与格式 ................................................................................................................12

1. 色域 ..........................................................................................................................12

2. 密集存储和平面存储 ....................................................................................................12

3. 四字符码 ...................................................................................................................13

4. RGB 格式 ..................................................................................................................13

5. YUV 格式 ..................................................................................................................14

6. 其他格式 ...................................................................................................................15

7. 格式描述 ...................................................................................................................15

六、格式协商 ...................................................................................................................16

七、基本的帧 I/O ..............................................................................................................19

1. read() 和 write() ..........................................................................................................19

2. 流参数 .......................................................................................................................19

八、流 I/O ........................................................................................................................22

1. v4l2_buffer 结构体 .......................................................................................................22

2. 缓冲区设定 ................................................................................................................24

3. 将缓冲区映射到用户空间 ..............................................................................................25

4. 流 I/O ........................................................................................................................26

九、控制 ..........................................................................................................................28

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Tekkaman Ninja

一、 API 介绍

笔者最近有机会写了一个用于“One Laptop Per Child”项目中的摄像头驱动。这个驱动使用了为此目的而

设计的内核 API：the Video4Linux2 API。在写这个驱动的过程中，笔者发现了一个惊人的问题：这个 API

的文档工作做得并不是很好，而实际上用户层的文档则写得相当不错。为了补救这一现状，LWN 将在未来

的内个月里写一系列文章，告诉大家如何写 V4L2 接口的驱动。

V4L2 有一段历史了。大约在 1998 的秋天，它的光芒第一次出现在 Bill Dirks 的眼中。经过长足的发展，

它于 2002 年 11 月，在发布 2.5.46 时，融入了主线内核之中。然而直到今天，仍有一部分内核驱不支持新

的 API，这种新旧 API 的转换工作仍在进行。同时，V4L2 API 也在发展，并在 2.6.18 版本中进行了一些重

大的改变。支持 V4L2 的应用依旧相对较少。

V4L2 旨在支持多种设备，它们之中只有一部分在本质上是真正的视频设备：

 video capture interface （影像捕获接口）从调谐器或摄像头上获取视频数据。对很多人来讲，影

像捕获（video capture) 是 V4L2 的基本应用。由于笔者在这方面的最有经验，这一系列文章也趋

于强调视频捕获 API，但 V4L2 的应用不限于此。

 video output interface （视频输出接口）允许驱动 PC 外设，使其向外输出视频图像，而这可能通

过电视信号的形式。

 捕获接口还有一个变体，存在于 video overlay interface（视频覆盖接口）之中。它的工作是方便

视频显示设备直接从捕获设备上获取数据。视频数据直接从捕获设备传到显示设备，无需经过

CPU。

 VBI interfaces （Vertical blanking interval interface：垂直消隐接口）提供垂直消隐期的数据接入。

这个接口包括 raw 和 sliced 两种接口，其分别在于硬件中处理的 VBI 数据量。

 radio interface (广播接口）用于从 AM 或 FM 调谐器中获取音频数据。

也可能出现其它种类的设备。V4L2 API 中还有一些关于编解码器和效果设备的桩函数（stub），他们都

用来转换视频数据流。然而这部分还尚未形成规范，更不说应用了。还有“teletext”和”radio data system”的接

口，他们目前在 V4L1 API 中实现。他们没有移动到 V4L2 的 API 中来，而且目前也没有这方面的计划。

视频驱动与其他驱动不同之处在于它的配置方式多种多样。因此大部分 V4L2 驱动都有一些特定的代

码，好让应用可以知道给定的设备有什么功能，并配置设备，使其按期望的方式工作。V4L2 的 API 定义了

几十个回调函数，用来配置如调谐频率、窗口和裁剪、帧速率、视频压缩、图像参数（亮度、对比度…)、

视频标准、视频格式等参数。这一系列文章的很大部分都要用来考察这些配置的过程。

然后，还有一个小任务，就是有效地在视频频率下进行 I/O 操作。V4L2 定义了三种方法来在用户空间

和外设之间移动视频数据，其中有些会比较复杂。视频 I/O 和视频缓冲层，将会分成两篇文章来写，它们是

用来处量一些共性的任务的。

随后的文章每几周发一篇，都会加入到下面的列表中。

 Part 2: 注册和 open()

 Part 3: 基本 ioctl()处理

 Part 4: 输入和输出

 Part 5a: 颜色与格式

 Part 5b: 格式协商

 Part 6a: 基本的帧 I/O

 Part 6b: 流 I/O

 Part 7: 控制

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Tekkaman Ninja

二、注册和 open()

这篇文章是 LWN 写 V4L2 接口的设备驱动系列文章的第二篇。没看过介绍的，也许可以从那篇开始看。

这一期文章将关注 Video for Linux 驱动的总体结构和设备注册过程。

开始之前，有必要提一点，那就是对于搞视频驱动的人来说，有两份资料是非常有价值的：

 V4L2 API 规范。这份文档涵盖了用户空间视角下的 API，但在很大程度上，V4L2 驱动直接实现

的就是那些 API。所以大部分结构体是相同的，而且 V4L2 调用的语义也表述很很明了。打印一份

出来（可以考虑去掉自由文本协议的文本内容，以保护树木），放在触手可及的地方。

 内核代码中的 vivi 驱动，即 drivers/media/video/vivi.c.这是一个虚拟驱动。它可以用来测试，却不

使用任何实际硬件。这样，它就成一个教人编写 V4L2 驱动的极佳实例。

首先，每个 V4L2 驱动都要包含一个必须的头文件：

#include <linux/videodev2.h>

大部分所需的信息都在这里。作为一个驱动作者，当挖掘头文件的时候，你可能也得看看

include/media/v4l2-dev.h，它定义了许多你将来要打交道的结构体。

一个视频驱动很可能要有处理 PCI 或 USB 总线，这里我们不会花时间来触及这些东西。通常会有一个

内部 I2C 接口，我们在本系列的后续文章中会接触到它。然后还有一个 V4L2 子系统接口，这个子系统是

围绕 video_device 结构体建立的，它代表一个 V4L2 设备。讲解这个结构体中的一切，将会是这个系列中几

篇文章的主题。这里我们先对这个结构体有一个概览。

video_device 结构体的 name 字段是这类设备的名字，它将出现在内核日志和 sysfs 中出现。这个名字

通常与驱动名称相同。

设备类型则由两个字段来描述。第一个字段（type）似乎是从 V4L1 的 API 中遗留下来的，它可以下列

四个值之一：

 VFL_TYPE_GRABBER 表明是一个图像采集设备–包括摄像头、调谐器，诸如此类。

 VFL_TYPE_VBI 代表的设备是从视频消隐时间段取得信息的设备。

 VFL_TYPE_RADIO 代表无线电设备。

 VFL_TYPE_VTX 代表视传设备。

如果你的设备支持不只一个上面提到的功能，那就要为每个功能注册一个 V4L2 设备。而在 V4L2 中，

每个注册的设备都可以按照它实际支持的各种模式来调用（就是说，你要为一个物理设备创建不多个设备

节点，但你却可以调用任意一个设备节点，来实现这个物理设备支持的任何功能）。实质上，在 V4L2 中，

你实际上只需一个设备，而注册多个 V4l2 设备只是为了与 V4l1 兼容。

第二个字段是 type2,它以掩码的形式对设备的功能提供了更详尽的描述。它可包含如下值：

 VID_TYPE_CAPTURE 视频数据捕获

 VID_TYPE_TUNER 不同的频率调整

 VID_TYPE_TELETEXT 字幕抓取

 VID_TYPE_OVERLAY 可将视频数据直接覆盖到显示设备的帧缓冲区

 VID_TYPE_CHROMAKEY 一种特殊的覆盖能力，覆盖的仅是帧缓冲区中像素值为某特定值的区域

 VID_TYPE_CLIPPING 剪辑覆盖数据

 VID_TYPE_FRAMERAM 使用帧缓冲区中的内存空间

 VID_TYPE_SCALES 视频缩放

 VID_TYPE_MONOCHROME 纯灰度设备

 VID_TYPE_SUBCAPTURE 捕获图像子区域

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Tekkaman Ninja

 VID_TYPE_MPEG_DECODER 支持 mpeg 码流解码

 VID_TYPE_MPEG_ENCODER 支持编码 mpeg 码流

 VID_TYPE_MJPEG_DECODER 支持 mjpeg 解码

 VID_TYPE_MJPEG_ENCODER 支持 mjpeg 编码

V4L2 驱动还要初始化的一个字段是 minor,它是你想要的子设备号。通常这个值都设为-1,这样会让

video4linux 子系统在注册时自动分配一个子设备号。

在 video_device 结构体中，还有三组不同的函数指针集。第一组只包含一个函数，那就是 release()，如

果驱动没有 release()函数，内核就会抱怨（笔者发现一个件有趣的事，就是这个抱怨涉及到冒犯一篇 LWN

文章作者）。release()函数很重要：由于多种原因，对 video_device 的引用可以在最后一个应用关闭文件描述

符后很长一段时间依然保持。它们甚至可以在设备己经注销后依然保持。因此，在 release()函数调用前，释

放这个结构体是不安全的。所以这个函数通常要包含一个简单的 kfree()调用。

video_device 的 file_operations

[

注

]

结构体包含都是常规的函数指针。视频设备通常都包括 open()和

release()函数。注意：这里所说的 release 函数并非上面所讲到的同名的 release()函数，这个 release() 函数只

要设备关闭就要调用。通常都还要有 read()和 write()函数，这取决于设备的功能是输入还是输出。然而我

们要注意的是，对于视频流设备而言，传输数据还有别的方法。多数处理视频流数据的设备还需要实现 poll()

和 mmap();而且每个 V4L2 设备都要有 ioctl()函数，但是也可以使用 V4L2 子系统的 video_ioctl2()；

第三组函数存在于 video_device 结构体本身里面，它们是 V4L2 API 的核心。这组函数有几十个，处理

不同的设备配置操作、流输入输出和其他操作。

最后，从一开始就要知道的一个字段就是 debug。可以把它设成是 V4L2_DEBUG_IOCTL 或

V4L2_DEBUG_IOCTL_ARG（或是两个都设，这是个掩码），可以生成很多调试信息，它们可以帮助迷糊

的程序员找到毛病，知道驱动和应用之间的沟通障碍在哪。

译者注：新内核中，

video_device

结构体中的这个

file_operations

应该指的是

v4l2_file_operations

。

1. 视频设备注册

一旦 video_device 己经配置好，就可以用下面的函数注册了：

int video_register_device(struct video_device *vfd, int type, int nr);

这里 vfd 是设备的结构体(video_device)，type 的值与它的 type 字段值相同，nr 是期望的子设备号（为

-1 则注册时自动分配）。成功则返回值为 0。若出错，则返回的是负的出错码。我们必须意识到：通常设备

一旦注册，它的函数可能就会被立即调用，所以在一切准备就绪前，不要调用 video_register_device()。

设备注销函数为：

void video_unregister_device(struct video_device *vfd);

请继续关注本系列的下篇文章，我们将会看看这些函数的具体实现。

2. open() 和 release()

每个 V4L2 设备都需要 open()函数，其原型也与常规的相同。

int (*open)(struct inode *inode, struct file *filp);

open()函数要做的第一件事是通过给定的 inode 找到内部设备，就是通过找到 inode 中存存储的子设备

号来完成的。这里还可以实现一定程度的初始化，如果有掉电选项的话，此时恰好可以用来开启硬件电源。

V4L2 规范还定义了一些相关的惯例。其一是：根据其设计，文件描述符可以在给定的任何时间重复打

开。这样设定的目的是当一个应用在显示（或是产生）视频信号时，另一个应用可以改变控制值。所以，

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