48cdf86248cbe9d9e43547ec6c3f647112147916
[safe/jmp/linux-2.6] / Documentation / video4linux / v4l2-framework.txt
1 Overview of the V4L2 driver framework
2 =====================================
3
4 This text documents the various structures provided by the V4L2 framework and
5 their relationships.
6
7
8 Introduction
9 ------------
10
11 The V4L2 drivers tend to be very complex due to the complexity of the
12 hardware: most devices have multiple ICs, export multiple device nodes in
13 /dev, and create also non-V4L2 devices such as DVB, ALSA, FB, I2C and input
14 (IR) devices.
15
16 Especially the fact that V4L2 drivers have to setup supporting ICs to
17 do audio/video muxing/encoding/decoding makes it more complex than most.
18 Usually these ICs are connected to the main bridge driver through one or
19 more I2C busses, but other busses can also be used. Such devices are
20 called 'sub-devices'.
21
22 For a long time the framework was limited to the video_device struct for
23 creating V4L device nodes and video_buf for handling the video buffers
24 (note that this document does not discuss the video_buf framework).
25
26 This meant that all drivers had to do the setup of device instances and
27 connecting to sub-devices themselves. Some of this is quite complicated
28 to do right and many drivers never did do it correctly.
29
30 There is also a lot of common code that could never be refactored due to
31 the lack of a framework.
32
33 So this framework sets up the basic building blocks that all drivers
34 need and this same framework should make it much easier to refactor
35 common code into utility functions shared by all drivers.
36
37
38 Structure of a driver
39 ---------------------
40
41 All drivers have the following structure:
42
43 1) A struct for each device instance containing the device state.
44
45 2) A way of initializing and commanding sub-devices (if any).
46
47 3) Creating V4L2 device nodes (/dev/videoX, /dev/vbiX, /dev/radioX and
48    /dev/vtxX) and keeping track of device-node specific data.
49
50 4) Filehandle-specific structs containing per-filehandle data;
51
52 5) video buffer handling.
53
54 This is a rough schematic of how it all relates:
55
56     device instances
57       |
58       +-sub-device instances
59       |
60       \-V4L2 device nodes
61           |
62           \-filehandle instances
63
64
65 Structure of the framework
66 --------------------------
67
68 The framework closely resembles the driver structure: it has a v4l2_device
69 struct for the device instance data, a v4l2_subdev struct to refer to
70 sub-device instances, the video_device struct stores V4L2 device node data
71 and in the future a v4l2_fh struct will keep track of filehandle instances
72 (this is not yet implemented).
73
74
75 struct v4l2_device
76 ------------------
77
78 Each device instance is represented by a struct v4l2_device (v4l2-device.h).
79 Very simple devices can just allocate this struct, but most of the time you
80 would embed this struct inside a larger struct.
81
82 You must register the device instance:
83
84         v4l2_device_register(struct device *dev, struct v4l2_device *v4l2_dev);
85
86 Registration will initialize the v4l2_device struct and link dev->driver_data
87 to v4l2_dev. Registration will also set v4l2_dev->name to a value derived from
88 dev (driver name followed by the bus_id, to be precise). You may change the
89 name after registration if you want.
90
91 The first 'dev' argument is normally the struct device pointer of a pci_dev,
92 usb_device or platform_device.
93
94 You unregister with:
95
96         v4l2_device_unregister(struct v4l2_device *v4l2_dev);
97
98 Unregistering will also automatically unregister all subdevs from the device.
99
100 Sometimes you need to iterate over all devices registered by a specific
101 driver. This is usually the case if multiple device drivers use the same
102 hardware. E.g. the ivtvfb driver is a framebuffer driver that uses the ivtv
103 hardware. The same is true for alsa drivers for example.
104
105 You can iterate over all registered devices as follows:
106
107 static int callback(struct device *dev, void *p)
108 {
109         struct v4l2_device *v4l2_dev = dev_get_drvdata(dev);
110
111         /* test if this device was inited */
112         if (v4l2_dev == NULL)
113                 return 0;
114         ...
115         return 0;
116 }
117
118 int iterate(void *p)
119 {
120         struct device_driver *drv;
121         int err;
122
123         /* Find driver 'ivtv' on the PCI bus.
124            pci_bus_type is a global. For USB busses use usb_bus_type. */
125         drv = driver_find("ivtv", &pci_bus_type);
126         /* iterate over all ivtv device instances */
127         err = driver_for_each_device(drv, NULL, p, callback);
128         put_driver(drv);
129         return err;
130 }
131
132 Sometimes you need to keep a running counter of the device instance. This is
133 commonly used to map a device instance to an index of a module option array.
134
135 The recommended approach is as follows:
136
137 static atomic_t drv_instance = ATOMIC_INIT(0);
138
139 static int __devinit drv_probe(struct pci_dev *pdev,
140                                 const struct pci_device_id *pci_id)
141 {
142         ...
143         state->instance = atomic_inc_return(&drv_instance) - 1;
144 }
145
146
147 struct v4l2_subdev
148 ------------------
149
150 Many drivers need to communicate with sub-devices. These devices can do all
151 sort of tasks, but most commonly they handle audio and/or video muxing,
152 encoding or decoding. For webcams common sub-devices are sensors and camera
153 controllers.
154
155 Usually these are I2C devices, but not necessarily. In order to provide the
156 driver with a consistent interface to these sub-devices the v4l2_subdev struct
157 (v4l2-subdev.h) was created.
158
159 Each sub-device driver must have a v4l2_subdev struct. This struct can be
160 stand-alone for simple sub-devices or it might be embedded in a larger struct
161 if more state information needs to be stored. Usually there is a low-level
162 device struct (e.g. i2c_client) that contains the device data as setup
163 by the kernel. It is recommended to store that pointer in the private
164 data of v4l2_subdev using v4l2_set_subdevdata(). That makes it easy to go
165 from a v4l2_subdev to the actual low-level bus-specific device data.
166
167 You also need a way to go from the low-level struct to v4l2_subdev. For the
168 common i2c_client struct the i2c_set_clientdata() call is used to store a
169 v4l2_subdev pointer, for other busses you may have to use other methods.
170
171 From the bridge driver perspective you load the sub-device module and somehow
172 obtain the v4l2_subdev pointer. For i2c devices this is easy: you call
173 i2c_get_clientdata(). For other busses something similar needs to be done.
174 Helper functions exists for sub-devices on an I2C bus that do most of this
175 tricky work for you.
176
177 Each v4l2_subdev contains function pointers that sub-device drivers can
178 implement (or leave NULL if it is not applicable). Since sub-devices can do
179 so many different things and you do not want to end up with a huge ops struct
180 of which only a handful of ops are commonly implemented, the function pointers
181 are sorted according to category and each category has its own ops struct.
182
183 The top-level ops struct contains pointers to the category ops structs, which
184 may be NULL if the subdev driver does not support anything from that category.
185
186 It looks like this:
187
188 struct v4l2_subdev_core_ops {
189         int (*g_chip_ident)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_dbg_chip_ident *chip);
190         int (*log_status)(struct v4l2_subdev *sd);
191         int (*init)(struct v4l2_subdev *sd, u32 val);
192         ...
193 };
194
195 struct v4l2_subdev_tuner_ops {
196         ...
197 };
198
199 struct v4l2_subdev_audio_ops {
200         ...
201 };
202
203 struct v4l2_subdev_video_ops {
204         ...
205 };
206
207 struct v4l2_subdev_ops {
208         const struct v4l2_subdev_core_ops  *core;
209         const struct v4l2_subdev_tuner_ops *tuner;
210         const struct v4l2_subdev_audio_ops *audio;
211         const struct v4l2_subdev_video_ops *video;
212 };
213
214 The core ops are common to all subdevs, the other categories are implemented
215 depending on the sub-device. E.g. a video device is unlikely to support the
216 audio ops and vice versa.
217
218 This setup limits the number of function pointers while still making it easy
219 to add new ops and categories.
220
221 A sub-device driver initializes the v4l2_subdev struct using:
222
223         v4l2_subdev_init(sd, &ops);
224
225 Afterwards you need to initialize subdev->name with a unique name and set the
226 module owner. This is done for you if you use the i2c helper functions.
227
228 A device (bridge) driver needs to register the v4l2_subdev with the
229 v4l2_device:
230
231         int err = v4l2_device_register_subdev(v4l2_dev, sd);
232
233 This can fail if the subdev module disappeared before it could be registered.
234 After this function was called successfully the subdev->dev field points to
235 the v4l2_device.
236
237 You can unregister a sub-device using:
238
239         v4l2_device_unregister_subdev(sd);
240
241 Afterwards the subdev module can be unloaded and sd->dev == NULL.
242
243 You can call an ops function either directly:
244
245         err = sd->ops->core->g_chip_ident(sd, &chip);
246
247 but it is better and easier to use this macro:
248
249         err = v4l2_subdev_call(sd, core, g_chip_ident, &chip);
250
251 The macro will to the right NULL pointer checks and returns -ENODEV if subdev
252 is NULL, -ENOIOCTLCMD if either subdev->core or subdev->core->g_chip_ident is
253 NULL, or the actual result of the subdev->ops->core->g_chip_ident ops.
254
255 It is also possible to call all or a subset of the sub-devices:
256
257         v4l2_device_call_all(v4l2_dev, 0, core, g_chip_ident, &chip);
258
259 Any subdev that does not support this ops is skipped and error results are
260 ignored. If you want to check for errors use this:
261
262         err = v4l2_device_call_until_err(v4l2_dev, 0, core, g_chip_ident, &chip);
263
264 Any error except -ENOIOCTLCMD will exit the loop with that error. If no
265 errors (except -ENOIOCTLCMD) occured, then 0 is returned.
266
267 The second argument to both calls is a group ID. If 0, then all subdevs are
268 called. If non-zero, then only those whose group ID match that value will
269 be called. Before a bridge driver registers a subdev it can set subdev->grp_id
270 to whatever value it wants (it's 0 by default). This value is owned by the
271 bridge driver and the sub-device driver will never modify or use it.
272
273 The group ID gives the bridge driver more control how callbacks are called.
274 For example, there may be multiple audio chips on a board, each capable of
275 changing the volume. But usually only one will actually be used when the
276 user want to change the volume. You can set the group ID for that subdev to
277 e.g. AUDIO_CONTROLLER and specify that as the group ID value when calling
278 v4l2_device_call_all(). That ensures that it will only go to the subdev
279 that needs it.
280
281 The advantage of using v4l2_subdev is that it is a generic struct and does
282 not contain any knowledge about the underlying hardware. So a driver might
283 contain several subdevs that use an I2C bus, but also a subdev that is
284 controlled through GPIO pins. This distinction is only relevant when setting
285 up the device, but once the subdev is registered it is completely transparent.
286
287
288 I2C sub-device drivers
289 ----------------------
290
291 Since these drivers are so common, special helper functions are available to
292 ease the use of these drivers (v4l2-common.h).
293
294 The recommended method of adding v4l2_subdev support to an I2C driver is to
295 embed the v4l2_subdev struct into the state struct that is created for each
296 I2C device instance. Very simple devices have no state struct and in that case
297 you can just create a v4l2_subdev directly.
298
299 A typical state struct would look like this (where 'chipname' is replaced by
300 the name of the chip):
301
302 struct chipname_state {
303         struct v4l2_subdev sd;
304         ...  /* additional state fields */
305 };
306
307 Initialize the v4l2_subdev struct as follows:
308
309         v4l2_i2c_subdev_init(&state->sd, client, subdev_ops);
310
311 This function will fill in all the fields of v4l2_subdev and ensure that the
312 v4l2_subdev and i2c_client both point to one another.
313
314 You should also add a helper inline function to go from a v4l2_subdev pointer
315 to a chipname_state struct:
316
317 static inline struct chipname_state *to_state(struct v4l2_subdev *sd)
318 {
319         return container_of(sd, struct chipname_state, sd);
320 }
321
322 Use this to go from the v4l2_subdev struct to the i2c_client struct:
323
324         struct i2c_client *client = v4l2_get_subdevdata(sd);
325
326 And this to go from an i2c_client to a v4l2_subdev struct:
327
328         struct v4l2_subdev *sd = i2c_get_clientdata(client);
329
330 Finally you need to make a command function to make driver->command()
331 call the right subdev_ops functions:
332
333 static int subdev_command(struct i2c_client *client, unsigned cmd, void *arg)
334 {
335         return v4l2_subdev_command(i2c_get_clientdata(client), cmd, arg);
336 }
337
338 If driver->command is never used then you can leave this out. Eventually the
339 driver->command usage should be removed from v4l.
340
341 Make sure to call v4l2_device_unregister_subdev(sd) when the remove() callback
342 is called. This will unregister the sub-device from the bridge driver. It is
343 safe to call this even if the sub-device was never registered.
344
345 You need to do this because when the bridge driver destroys the i2c adapter
346 the remove() callbacks are called of the i2c devices on that adapter.
347 After that the corresponding v4l2_subdev structures are invalid, so they
348 have to be unregistered first. Calling v4l2_device_unregister_subdev(sd)
349 from the remove() callback ensures that this is always done correctly.
350
351
352 The bridge driver also has some helper functions it can use:
353
354 struct v4l2_subdev *sd = v4l2_i2c_new_subdev(adapter, "module_foo", "chipid", 0x36);
355
356 This loads the given module (can be NULL if no module needs to be loaded) and
357 calls i2c_new_device() with the given i2c_adapter and chip/address arguments.
358 If all goes well, then it registers the subdev with the v4l2_device. It gets
359 the v4l2_device by calling i2c_get_adapdata(adapter), so you should make sure
360 that adapdata is set to v4l2_device when you setup the i2c_adapter in your
361 driver.
362
363 You can also use v4l2_i2c_new_probed_subdev() which is very similar to
364 v4l2_i2c_new_subdev(), except that it has an array of possible I2C addresses
365 that it should probe. Internally it calls i2c_new_probed_device().
366
367 Both functions return NULL if something went wrong.
368
369
370 struct video_device
371 -------------------
372
373 The actual device nodes in the /dev directory are created using the
374 video_device struct (v4l2-dev.h). This struct can either be allocated
375 dynamically or embedded in a larger struct.
376
377 To allocate it dynamically use:
378
379         struct video_device *vdev = video_device_alloc();
380
381         if (vdev == NULL)
382                 return -ENOMEM;
383
384         vdev->release = video_device_release;
385
386 If you embed it in a larger struct, then you must set the release()
387 callback to your own function:
388
389         struct video_device *vdev = &my_vdev->vdev;
390
391         vdev->release = my_vdev_release;
392
393 The release callback must be set and it is called when the last user
394 of the video device exits.
395
396 The default video_device_release() callback just calls kfree to free the
397 allocated memory.
398
399 You should also set these fields:
400
401 - v4l2_dev: set to the v4l2_device parent device.
402 - name: set to something descriptive and unique.
403 - fops: set to the v4l2_file_operations struct.
404 - ioctl_ops: if you use the v4l2_ioctl_ops to simplify ioctl maintenance
405   (highly recommended to use this and it might become compulsory in the
406   future!), then set this to your v4l2_ioctl_ops struct.
407
408 If you use v4l2_ioctl_ops, then you should set either .unlocked_ioctl or
409 .ioctl to video_ioctl2 in your v4l2_file_operations struct.
410
411 The v4l2_file_operations struct is a subset of file_operations. The main
412 difference is that the inode argument is omitted since it is never used.
413
414
415 video_device registration
416 -------------------------
417
418 Next you register the video device: this will create the character device
419 for you.
420
421         err = video_register_device(vdev, VFL_TYPE_GRABBER, -1);
422         if (err) {
423                 video_device_release(vdev); /* or kfree(my_vdev); */
424                 return err;
425         }
426
427 Which device is registered depends on the type argument. The following
428 types exist:
429
430 VFL_TYPE_GRABBER: videoX for video input/output devices
431 VFL_TYPE_VBI: vbiX for vertical blank data (i.e. closed captions, teletext)
432 VFL_TYPE_RADIO: radioX for radio tuners
433 VFL_TYPE_VTX: vtxX for teletext devices (deprecated, don't use)
434
435 The last argument gives you a certain amount of control over the device
436 kernel number used (i.e. the X in videoX). Normally you will pass -1 to
437 let the v4l2 framework pick the first free number. But if a driver creates
438 many devices, then it can be useful to have different video devices in
439 separate ranges. For example, video capture devices start at 0, video
440 output devices start at 16.
441
442 So you can use the last argument to specify a minimum kernel number and
443 the v4l2 framework will try to pick the first free number that is equal
444 or higher to what you passed. If that fails, then it will just pick the
445 first free number.
446
447 Whenever a device node is created some attributes are also created for you.
448 If you look in /sys/class/video4linux you see the devices. Go into e.g.
449 video0 and you will see 'name' and 'index' attributes. The 'name' attribute
450 is the 'name' field of the video_device struct. The 'index' attribute is
451 a device node index that can be assigned by the driver, or that is calculated
452 for you.
453
454 If you call video_register_device(), then the index is just increased by
455 1 for each device node you register. The first video device node you register
456 always starts off with 0.
457
458 Alternatively you can call video_register_device_index() which is identical
459 to video_register_device(), but with an extra index argument. Here you can
460 pass a specific index value (between 0 and 31) that should be used.
461
462 Users can setup udev rules that utilize the index attribute to make fancy
463 device names (e.g. 'mpegX' for MPEG video capture device nodes).
464
465 After the device was successfully registered, then you can use these fields:
466
467 - vfl_type: the device type passed to video_register_device.
468 - minor: the assigned device minor number.
469 - num: the device kernel number (i.e. the X in videoX).
470 - index: the device index number (calculated or set explicitly using
471   video_register_device_index).
472
473 If the registration failed, then you need to call video_device_release()
474 to free the allocated video_device struct, or free your own struct if the
475 video_device was embedded in it. The vdev->release() callback will never
476 be called if the registration failed, nor should you ever attempt to
477 unregister the device if the registration failed.
478
479
480 video_device cleanup
481 --------------------
482
483 When the video device nodes have to be removed, either during the unload
484 of the driver or because the USB device was disconnected, then you should
485 unregister them:
486
487         video_unregister_device(vdev);
488
489 This will remove the device nodes from sysfs (causing udev to remove them
490 from /dev).
491
492 After video_unregister_device() returns no new opens can be done.
493
494 However, in the case of USB devices some application might still have one
495 of these device nodes open. You should block all new accesses to read,
496 write, poll, etc. except possibly for certain ioctl operations like
497 queueing buffers.
498
499 When the last user of the video device node exits, then the vdev->release()
500 callback is called and you can do the final cleanup there.
501
502
503 video_device helper functions
504 -----------------------------
505
506 There are a few useful helper functions:
507
508 You can set/get driver private data in the video_device struct using:
509
510 void *video_get_drvdata(struct video_device *vdev);
511 void video_set_drvdata(struct video_device *vdev, void *data);
512
513 Note that you can safely call video_set_drvdata() before calling
514 video_register_device().
515
516 And this function:
517
518 struct video_device *video_devdata(struct file *file);
519
520 returns the video_device belonging to the file struct.
521
522 The final helper function combines video_get_drvdata with
523 video_devdata:
524
525 void *video_drvdata(struct file *file);
526
527 You can go from a video_device struct to the v4l2_device struct using:
528
529 struct v4l2_device *v4l2_dev = vdev->v4l2_dev;
530
531 video buffer helper functions
532 -----------------------------
533
534 The v4l2 core API provides a standard method for dealing with video
535 buffers. Those methods allow a driver to implement read(), mmap() and
536 overlay() on a consistent way.
537
538 There are currently methods for using video buffers on devices that
539 supports DMA with scatter/gather method (videobuf-dma-sg), DMA with
540 linear access (videobuf-dma-contig), and vmalloced buffers, mostly
541 used on USB drivers (videobuf-vmalloc).
542
543 Any driver using videobuf should provide operations (callbacks) for
544 four handlers:
545
546 ops->buf_setup   - calculates the size of the video buffers and avoid they
547                    to waste more than some maximum limit of RAM;
548 ops->buf_prepare - fills the video buffer structs and calls
549                    videobuf_iolock() to alloc and prepare mmaped memory;
550 ops->buf_queue   - advices the driver that another buffer were
551                    requested (by read() or by QBUF);
552 ops->buf_release - frees any buffer that were allocated.
553
554 In order to use it, the driver need to have a code (generally called at
555 interrupt context) that will properly handle the buffer request lists,
556 announcing that a new buffer were filled.
557
558 The irq handling code should handle the videobuf task lists, in order
559 to advice videobuf that a new frame were filled, in order to honor to a
560 request. The code is generally like this one:
561         if (list_empty(&dma_q->active))
562                 return;
563
564         buf = list_entry(dma_q->active.next, struct vbuffer, vb.queue);
565
566         if (!waitqueue_active(&buf->vb.done))
567                 return;
568
569         /* Some logic to handle the buf may be needed here */
570
571         list_del(&buf->vb.queue);
572         do_gettimeofday(&buf->vb.ts);
573         wake_up(&buf->vb.done);
574
575 Those are the videobuffer functions used on drivers, implemented on
576 videobuf-core:
577
578 - Videobuf init functions
579   videobuf_queue_sg_init()
580       Initializes the videobuf infrastructure. This function should be
581       called before any other videobuf function on drivers that uses DMA
582       Scatter/Gather buffers.
583
584   videobuf_queue_dma_contig_init
585       Initializes the videobuf infrastructure. This function should be
586       called before any other videobuf function on drivers that need DMA
587       contiguous buffers.
588
589   videobuf_queue_vmalloc_init()
590       Initializes the videobuf infrastructure. This function should be
591       called before any other videobuf function on USB (and other drivers)
592       that need a vmalloced type of videobuf.
593
594 - videobuf_iolock()
595   Prepares the videobuf memory for the proper method (read, mmap, overlay).
596
597 - videobuf_queue_is_busy()
598   Checks if a videobuf is streaming.
599
600 - videobuf_queue_cancel()
601   Stops video handling.
602
603 - videobuf_mmap_free()
604   frees mmap buffers.
605
606 - videobuf_stop()
607   Stops video handling, ends mmap and frees mmap and other buffers.
608
609 - V4L2 api functions. Those functions correspond to VIDIOC_foo ioctls:
610    videobuf_reqbufs(), videobuf_querybuf(), videobuf_qbuf(),
611    videobuf_dqbuf(), videobuf_streamon(), videobuf_streamoff().
612
613 - V4L1 api function (corresponds to VIDIOCMBUF ioctl):
614    videobuf_cgmbuf()
615       This function is used to provide backward compatibility with V4L1
616       API.
617
618 - Some help functions for read()/poll() operations:
619    videobuf_read_stream()
620       For continuous stream read()
621    videobuf_read_one()
622       For snapshot read()
623    videobuf_poll_stream()
624       polling help function
625
626 The better way to understand it is to take a look at vivi driver. One
627 of the main reasons for vivi is to be a videobuf usage example. the
628 vivi_thread_tick() does the task that the IRQ callback would do on PCI
629 drivers (or the irq callback on USB).