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v4l2 编程接口(一) — ioctl

WBOY
WBOYオリジナル
2016-06-07 15:32:241597ブラウズ

在应用程序获取视频数据的流程中，都是通过 ioctl 命令与驱动程序进行交互，常见的 ioctl 命令有： [cpp] view plaincopyprint? VIDIOC_QUERYCAP /*获取设备支持的操作*/ VIDIOC_G_FMT /*获取设置支持的视频式*/ VIDIOC_S_FMT /*设置捕获视频的式*/ VIDIOC_R

在应用程序获取视频数据的流程中，都是通过 ioctl 命令与驱动程序进行交互，常见的 ioctl 命令有：

[cpp] view plaincopyprint?

  1. VIDIOC_QUERYCAP     /* 获取设备支持的操作 */  
  2. VIDIOC_G_FMT        /* 获取设置支持的视频格式 */  
  3. VIDIOC_S_FMT        /* 设置捕获视频的格式 */  
  4. VIDIOC_REQBUFS      /* 向驱动提出申请内存的请求 */  
  5. VIDIOC_QUERYBUF     /* 向驱动查询申请到的内存 */  
  6. VIDIOC_QBUF         /* 将空闲的内存加入可捕获视频的队列 */  
  7. VIDIOC_DQBUF        /* 将已经捕获好视频的内存拉出已捕获视频的队列 */  
  8. VIDIOC_STREAMON     /* 打开视频流 */  
  9. VIDIOC_STREAMOFF    /* 关闭视频流 */  
  10. VIDIOC_QUERYCTRL    /* 查询驱动是否支持该命令 */  
  11. VIDIOC_G_CTRL       /* 获取当前命令值 */  
  12. VIDIOC_S_CTRL       /* 设置新的命令值 */  
  13. VIDIOC_G_TUNER      /* 获取调谐器信息 */  
  14. VIDIOC_S_TUNER      /* 设置调谐器信息 */  
  15. VIDIOC_G_FREQUENCY  /* 获取调谐器频率 */  
  16. VIDIOC_S_FREQUENCY  /* 设置调谐器频率 */   
VIDIOC_QUERYCAP     /* 获取设备支持的操作 */
VIDIOC_G_FMT        /* 获取设置支持的视频格式 */
VIDIOC_S_FMT        /* 设置捕获视频的格式 */
VIDIOC_REQBUFS      /* 向驱动提出申请内存的请求 */
VIDIOC_QUERYBUF     /* 向驱动查询申请到的内存 */
VIDIOC_QBUF         /* 将空闲的内存加入可捕获视频的队列 */
VIDIOC_DQBUF        /* 将已经捕获好视频的内存拉出已捕获视频的队列 */
VIDIOC_STREAMON     /* 打开视频流 */
VIDIOC_STREAMOFF    /* 关闭视频流 */
VIDIOC_QUERYCTRL    /* 查询驱动是否支持该命令 */
VIDIOC_G_CTRL       /* 获取当前命令值 */
VIDIOC_S_CTRL       /* 设置新的命令值 */
VIDIOC_G_TUNER      /* 获取调谐器信息 */
VIDIOC_S_TUNER      /* 设置调谐器信息 */
VIDIOC_G_FREQUENCY  /* 获取调谐器频率 */
VIDIOC_S_FREQUENCY  /* 设置调谐器频率 */
1、struct v4l2_capability 与 VIDIOC_QUERYCAP
VIDIOC_QUERYCAP 命令通过结构 v4l2_capability 获取设备支持的操作模式：

[cpp] view plaincopyprint?

  1. struct v4l2_capability {  
  2.     __u8    driver[16];     /* i.e. "bttv" */  
  3.     __u8    card[32];       /* i.e. "Hauppauge WinTV" */  
  4.     __u8    bus_info[32];   /* "PCI:" + pci_name(pci_dev) */  
  5.     __u32   version;        /* should use KERNEL_VERSION() */  
  6.     __u32   capabilities;   /* Device capabilities */  
  7.     __u32   reserved[4];  
  8. };  
struct v4l2_capability {
	__u8	driver[16];     /* i.e. "bttv" */
	__u8	card[32];       /* i.e. "Hauppauge WinTV" */
	__u8	bus_info[32];   /* "PCI:" + pci_name(pci_dev) */
	__u32   version;        /* should use KERNEL_VERSION() */
	__u32	capabilities;   /* Device capabilities */
	__u32	reserved[4];
};
其中域 capabilities 代表设备支持的操作模式，常见的值有 V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE | V4L2_CAP_STREAMING 表示是一个视频捕捉设备并且具有数据流控制模式；另外 driver 域需要和 struct video_device 中的 name 匹配。
2、struct v4l2_format 与 VIDIOC_G_FMT、VIDIOC_S_FMT、VIDIOC_TRY_FMT

通常用 VIDIOC_S_FMT 命令通过结构 v4l2_format 初始化捕获视频的格式，如果要改变格式则用 VIDIOC_TRY_FMT 命令：

[cpp] view plaincopyprint?

  1. struct v4l2_format {  
  2.     enum v4l2_buf_type type;  
  3.     union {  
  4.         struct v4l2_pix_format         pix;     /* V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE */  
  5.         struct v4l2_window             win;     /* V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OVERLAY */  
  6.         struct v4l2_vbi_format         vbi;     /* V4L2_BUF_TYPE_VBI_CAPTURE */  
  7.         struct v4l2_sliced_vbi_format  sliced;  /* V4L2_BUF_TYPE_SLICED_VBI_CAPTURE */  
  8.         __u8   raw_data[200];                   /* user-defined */  
  9.     } fmt;  
  10. };  
  11. 其中  
  12. enum v4l2_buf_type {  
  13.     V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE        = 1,  
  14.     V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT         = 2,  
  15.     V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OVERLAY        = 3,  
  16.     ...  
  17.     V4L2_BUF_TYPE_PRIVATE              = 0x80,  
  18. };  
  19.   
  20. struct v4l2_pix_format {  
  21.     __u32                   width;  
  22.     __u32                   height;  
  23.     __u32                   pixelformat;  
  24.     enum v4l2_field         field;  
  25.     __u32                   bytesperline;   /* for padding, zero if unused */  
  26.     __u32                   sizeimage;  
  27.     enum v4l2_colorspace    colorspace;  
  28.     __u32                   priv;           /* private data, depends on pixelformat */  
  29. };  
struct v4l2_format {
	enum v4l2_buf_type type;
	union {
		struct v4l2_pix_format         pix;     /* V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE */
		struct v4l2_window             win;     /* V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OVERLAY */
		struct v4l2_vbi_format         vbi;     /* V4L2_BUF_TYPE_VBI_CAPTURE */
		struct v4l2_sliced_vbi_format  sliced;  /* V4L2_BUF_TYPE_SLICED_VBI_CAPTURE */
		__u8   raw_data[200];                   /* user-defined */
	} fmt;
};
其中
enum v4l2_buf_type {
	V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE        = 1,
	V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT         = 2,
	V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OVERLAY        = 3,
	...
	V4L2_BUF_TYPE_PRIVATE              = 0x80,
};

struct v4l2_pix_format {
	__u32                   width;
	__u32                   height;
	__u32                   pixelformat;
	enum v4l2_field         field;
	__u32                   bytesperline;   /* for padding, zero if unused */
	__u32                   sizeimage;
	enum v4l2_colorspace    colorspace;
	__u32                   priv;           /* private data, depends on pixelformat */
};
常见的捕获模式为 V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE 即视频捕捉模式，在此模式下 fmt 联合体采用域 v4l2_pix_format：其中 width 为视频的宽、height 为视频的高、pixelformat 为视频数据格式（常见的值有 V4L2_PIX_FMT_YUV422P | V4L2_PIX_FMT_RGB565）、bytesperline 为一行图像占用的字节数、sizeimage 则为图像占用的总字节数、colorspace 指定设备的颜色空间。
3、struct v4l2_requestbuffers 与 VIDIOC_REQBUFS

VIDIOC_REQBUFS 命令通过结构 v4l2_requestbuffers 请求驱动申请一片连续的内存用于缓存视频信息：

[cpp] view plaincopyprint?

  1. struct v4l2_requestbuffers {  
  2.     __u32                   count;  
  3.     enum v4l2_buf_type      type;  
  4.     enum v4l2_memory        memory;  
  5.     __u32                   reserved[2];  
  6. };  
  7. 其中  
  8. enum v4l2_memory {  
  9.     V4L2_MEMORY_MMAP             = 1,  
  10.     V4L2_MEMORY_USERPTR          = 2,  
  11.     V4L2_MEMORY_OVERLAY          = 3,  
  12. };  
struct v4l2_requestbuffers {
	__u32                   count;
	enum v4l2_buf_type      type;
	enum v4l2_memory        memory;
	__u32                   reserved[2];
};
其中
enum v4l2_memory {
	V4L2_MEMORY_MMAP             = 1,
	V4L2_MEMORY_USERPTR          = 2,
	V4L2_MEMORY_OVERLAY          = 3,
};
count 指定根据图像占用空间大小申请的缓存区个数，type 为视频捕获模式，memory 为内存区的使用方式。

4、struct v4l2_buffer与 VIDIOC_QUERYBUF

VIDIOC_QUERYBUF 命令通过结构 v4l2_buffer 查询驱动申请的内存区信息：

[cpp] view plaincopyprint?

  1. struct v4l2_buffer {  
  2.     __u32                   index;  
  3.     enum v4l2_buf_type      type;  
  4.     __u32                   bytesused;  
  5.     __u32                   flags;  
  6.     enum v4l2_field         field;  
  7.     struct timeval          timestamp;  
  8.     struct v4l2_timecode    timecode;  
  9.     __u32                   sequence;  
  10.   
  11.     /* memory location */  
  12.     enum v4l2_memory        memory;  
  13.     union {  
  14.             __u32           offset;  
  15.             unsigned long   userptr;  
  16.     } m;  
  17.     __u32                   length;  
  18.     __u32                   input;  
  19.     __u32                   reserved;  
  20. };  
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;
};
index 为缓存编号，type 为视频捕获模式，bytesused 为缓存已使用空间大小，flags 为缓存当前状态（常见值有 V4L2_BUF_FLAG_MAPPED | V4L2_BUF_FLAG_QUEUED | V4L2_BUF_FLAG_DONE，分别代表当前缓存已经映射、缓存可以采集数据、缓存可以提取数据），timestamp 为时间戳，sequence为缓存序号，memory 为缓存使用方式，offset 为当前缓存与内存区起始地址的偏移，length 为缓存大小，reserved 一般用于传递物理地址值。
另外 VIDIOC_QBUF 和 VIDIOC_DQBUF 命令都采用结构 v4l2_buffer 与驱动通信：VIDIOC_QBUF 命令向驱动传递应用程序已经处理完的缓存，即将缓存加入空闲可捕获视频的队列，传递的主要参数为 index；VIDIOC_DQBUF 命令向驱动获取已经存放有视频数据的缓存，v4l2_buffer 的各个域几乎都会被更新，但主要的参数也是 index，应用程序会根据 index 确定可用数据的起始地址和范围。

5、enum v4l2_buf_type 与 VIDIOC_STREAMON、VIDIOC_STREAMOFF

这两个命令使用的只是一个整形数据，即 v4l2_buf_type，一般只要指定其值为 V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE 即可。

6、struct v4l2_queryctrl 与 VIDIOC_QUERYCTRL

VIDIOC_QUERYCTRL 命令通过结构 v4l2_queryctrl 查询驱动是否支持该 id 代表的命令，并返回该命令的各种参数：

[cpp] view plaincopyprint?

  1. struct v4l2_queryctrl {  
  2.     __u32                id;            /* 命令编号 */  
  3.     enum v4l2_ctrl_type  type;          /* 命令值的类型 */  
  4.     __u8                 name[32];      /* 命令名称*/  
  5.     __s32                minimum;       /* 最小的命令值 */  
  6.     __s32                maximum;       /* 最大的命令值 */  
  7.     __s32                step;          /* 命令值变化的步长 */  
  8.     __s32                default_value; /* 默认的命令值 */  
  9.     __u32                flags;         /* 命令的标志 */  
  10.     __u32                reserved[2];   /* 命令值的位图表示 */  
  11. };  
  12. 其中  
  13. enum v4l2_ctrl_type {  
  14.     V4L2_CTRL_TYPE_INTEGER       = 1,   /* 整形 */  
  15.     V4L2_CTRL_TYPE_BOOLEAN       = 2,   /* 真值 */  
  16.     V4L2_CTRL_TYPE_MENU          = 3,   /* 菜单 */  
  17.     V4L2_CTRL_TYPE_BUTTON        = 4,   /* 无值 */  
  18.     V4L2_CTRL_TYPE_INTEGER64     = 5,   /* 后面三种不常用 */  
  19.     V4L2_CTRL_TYPE_CTRL_CLASS    = 6,  
  20.     V4L2_CTRL_TYPE_STRING        = 7,  
  21. };  
  22. 命令的标志取值如下：  
  23. /*  Control flags  */  
  24. #define V4L2_CTRL_FLAG_DISABLED     0x0001   
  25. #define V4L2_CTRL_FLAG_GRABBED      0x0002   
  26. #define V4L2_CTRL_FLAG_READ_ONLY    0x0004   
  27. #define V4L2_CTRL_FLAG_UPDATE       0x0008   
  28. #define V4L2_CTRL_FLAG_INACTIVE     0x0010   
  29. #define V4L2_CTRL_FLAG_SLIDER       0x0020   
  30. #define V4L2_CTRL_FLAG_WRITE_ONLY   0x0040   
  31.   
  32. /*  Query flag, to be ORed with the control ID */  
  33. #define V4L2_CTRL_FLAG_NEXT_CTRL    0x80000000   
struct v4l2_queryctrl {
	__u32                id;            /* 命令编号 */
	enum v4l2_ctrl_type  type;          /* 命令值的类型 */
	__u8                 name[32];	    /* 命令名称*/
	__s32                minimum;       /* 最小的命令值 */
	__s32                maximum;       /* 最大的命令值 */
	__s32                step;          /* 命令值变化的步长 */
	__s32                default_value; /* 默认的命令值 */
	__u32                flags;         /* 命令的标志 */
	__u32                reserved[2];   /* 命令值的位图表示 */
};
其中
enum v4l2_ctrl_type {
	V4L2_CTRL_TYPE_INTEGER	     = 1,   /* 整形 */
	V4L2_CTRL_TYPE_BOOLEAN	     = 2,   /* 真值 */
	V4L2_CTRL_TYPE_MENU          = 3,   /* 菜单 */
	V4L2_CTRL_TYPE_BUTTON	     = 4,   /* 无值 */
	V4L2_CTRL_TYPE_INTEGER64     = 5,   /* 后面三种不常用 */
	V4L2_CTRL_TYPE_CTRL_CLASS    = 6,
	V4L2_CTRL_TYPE_STRING        = 7,
};
命令的标志取值如下：
/*  Control flags  */
#define V4L2_CTRL_FLAG_DISABLED		0x0001
#define V4L2_CTRL_FLAG_GRABBED		0x0002
#define V4L2_CTRL_FLAG_READ_ONLY 	0x0004
#define V4L2_CTRL_FLAG_UPDATE 		0x0008
#define V4L2_CTRL_FLAG_INACTIVE 	0x0010
#define V4L2_CTRL_FLAG_SLIDER 		0x0020
#define V4L2_CTRL_FLAG_WRITE_ONLY 	0x0040

/*  Query flag, to be ORed with the control ID */
#define V4L2_CTRL_FLAG_NEXT_CTRL	0x80000000

id 是命令的编号，常见的命令有两种：一种以 V4L2_CID_BASE 为起始值，是公用命令；一种以 V4L2_CID_PRIVATE_BASE 为起始值，是私有命令。在一般的应用中命令值可见如下：

[cpp] view plaincopyprint?

  1. V4L2_CID_CONTRAST               (V4L2_CID_BASE+1)            /* 对比度调节 */  
  2. V4L2_CID_SATURATION             (V4L2_CID_BASE+2)            /* 饱和度调节 */  
  3. V4L2_CID_AUDIO_VOLUME           (V4L2_CID_BASE+5)            /* 音量调节 */  
  4. V4L2_CID_AUDIO_MUTE             (V4L2_CID_BASE+9)            /* 静音设置 */  
  5. V4L2_CID_DO_WHITE_BALANCE       (V4L2_CID_BASE+13)           /* 白平衡调节 */  
  6. V4L2_CID_GAMMA                  (V4L2_CID_BASE+16)           /* 伽马值调节 */  
  7. V4L2_CID_EXPOSURE               (V4L2_CID_BASE+17)           /* 曝光度调节 */  
  8.   
  9. V4L2_CID_PRIVATE_ATXX_FLASH     (V4L2_CID_PRIVATE_BASE + 2)  /* 闪光灯控制 */  
  10. V4L2_CID_PRIVATE_ATXX_FRAME     (V4L2_CID_PRIVATE_BASE + 12) /* 帧率调节 */   
V4L2_CID_CONTRAST               (V4L2_CID_BASE+1)            /* 对比度调节 */
V4L2_CID_SATURATION             (V4L2_CID_BASE+2)            /* 饱和度调节 */
V4L2_CID_AUDIO_VOLUME           (V4L2_CID_BASE+5)            /* 音量调节 */
V4L2_CID_AUDIO_MUTE             (V4L2_CID_BASE+9)            /* 静音设置 */
V4L2_CID_DO_WHITE_BALANCE       (V4L2_CID_BASE+13)           /* 白平衡调节 */
V4L2_CID_GAMMA                  (V4L2_CID_BASE+16)           /* 伽马值调节 */
V4L2_CID_EXPOSURE               (V4L2_CID_BASE+17)           /* 曝光度调节 */

V4L2_CID_PRIVATE_ATXX_FLASH     (V4L2_CID_PRIVATE_BASE + 2)  /* 闪光灯控制 */
V4L2_CID_PRIVATE_ATXX_FRAME     (V4L2_CID_PRIVATE_BASE + 12) /* 帧率调节 */

 type 为命令值的类型（总共有7中类型的值），name 是命令的名称，reserved 则是命令值的位图表示，驱动会将所有的命令值都以 bit 的形式写到 64 位的域中，上层应用查询时可以根据位图判断命令支持的值。

7、struct v4l2_control 与 VIDIOC_G_CTRL、VIDIOC_S_CTRL

VIDIOC_S_CTRL 或 VIDIOC_G_CTRL 命令通过结构 v4l2_control 设置或者获取 id 命令的值：

[cpp] view plaincopyprint?

  1. struct v4l2_control {  
  2.     __u32            id;  
  3.     __s32            value;  
  4. };  
struct v4l2_control {
	__u32		     id;
	__s32		     value;
};

这个结构只有 2 个域，id 是命令编号，value 则是命令的值。

8、struct v4l2_tuner 与 VIDIOC_G_TUNER、VIDIOC_S_TUNER

VIDIOC_S_TUNER 或 VIDIOC_G_TUNER 命令通过结构 v4l2_tuner 设置调谐器的信息：

[cpp] view plaincopyprint?

  1. struct v4l2_tuner {  
  2.     __u32                   index;           /* 调谐器编号，由应用程序设置 */  
  3.     __u8                    name[32];        /* 调谐器名称 */  
  4.     enum v4l2_tuner_type    type;            /* 调谐器类型 */  
  5.     __u32                   capability;      /* 调谐器支持的操作 */  
  6.     __u32                   rangelow;        /* 最低频率值，单位为62.5Hz或者62.5KHz */  
  7.     __u32                   rangehigh;       /* 最高频率值 */  
  8.     __u32                   rxsubchans;      /* 接收的音频信号类型 */  
  9.     __u32                   audmode;         /* 当前音频播放形式 */  
  10.     __s32                   signal;          /* 信号强度 */  
  11.     __s32                   afc;             /* 自动频率控制 */  
  12.     __u32                   reserved[4];     /* 保留备用 */  
  13. };  
  14. 其中  
  15. enum v4l2_tuner_type {  
  16.     V4L2_TUNER_RADIO             = 1,        /* 调频收音机 */  
  17.     V4L2_TUNER_ANALOG_TV         = 2,        /* 模拟电视高频头 */  
  18.     V4L2_TUNER_DIGITAL_TV        = 3,        /* 数字电视高频头 */  
  19. };  
struct v4l2_tuner {
	__u32                   index;           /* 调谐器编号，由应用程序设置 */
	__u8                    name[32];        /* 调谐器名称 */
	enum v4l2_tuner_type    type;            /* 调谐器类型 */
	__u32                   capability;      /* 调谐器支持的操作 */
	__u32                   rangelow;        /* 最低频率值，单位为62.5Hz或者62.5KHz */
	__u32                   rangehigh;       /* 最高频率值 */
	__u32                   rxsubchans;      /* 接收的音频信号类型 */
	__u32                   audmode;         /* 当前音频播放形式 */
	__s32                   signal;          /* 信号强度 */
	__s32                   afc;             /* 自动频率控制 */
	__u32                   reserved[4];     /* 保留备用 */
};
其中
enum v4l2_tuner_type {
	V4L2_TUNER_RADIO             = 1,        /* 调频收音机 */
	V4L2_TUNER_ANALOG_TV         = 2,        /* 模拟电视高频头 */
	V4L2_TUNER_DIGITAL_TV        = 3,        /* 数字电视高频头 */
};
其中域 type 有三种类型；capability 域一般为 V4L2_TUNER_CAP_LOW，表明频率调节的步长是62.5Hz，如果没有这个标志位则步长为62.5KHz；rangelow 与 rangehigh 是调谐器可以调频率的最高值和最低值，但都以步长为单位表示；rxsubchans 表示调谐器接收的音频信号类型，常见值有 V4L2_TUNER_SUB_MONO | V4L2_TUNER_SUB_STEREO  即单声道与立体声；audmode 表示以何种方式播放声音，常见值有 V4L2_TUNER_MODE_MONO | V4L2_TUNER_MODE_STEREO，即以单声道还是立体声的方式播放；signal 为当前信号强度，一般取值范围为 0 - 65535。
9、struct v4l2_frequency 与 VIDIOC_G_FREQUENCY、VIDIOC_S_FREQUENCY

VIDIOC_S_FREQUENCY 或 VIDIOC_G_FREQUENCY 命令通过结构 v4l2_frequency 设置或获取当前频率值：

[cpp] view plaincopyprint?

  1. struct v4l2_frequency {  
  2.     __u32                 tuner;          /* 调谐器编号 */  
  3.     enum v4l2_tuner_type  type;           /* 调谐器类型 */  
  4.     __u32                 frequency;      /* 调谐器频率 */  
  5.     __u32                 reserved[8];  
  6. };  
struct v4l2_frequency {
	__u32                 tuner;          /* 调谐器编号 */
	enum v4l2_tuner_type  type;           /* 调谐器类型 */
	__u32                 frequency;      /* 调谐器频率 */
	__u32                 reserved[8];
};
注意：frequency 的值是以62.5Hz 或者 62.5KHZ 为单位的。

附：_IO、_IOR、_IOW、_IOWR 宏的使用说明

驱动程序中 ioctl  函数传递的变量 cmd 是应用程序向驱动程序请求处理的命令。cmd 除了用于区别不同命令的数值，还可包含有助于处理的几种信息。cmd 的大小为 32 bit，共分 4 个域：

bit29 ~ bit31： 3bit  为 “读写” 区，作用是区分是读命令还是写命令。
bit16 ~ bit28：13bit 为 "数据大小" 区，表示 ioctl 中的 arg 变量传递的数据大小；有时候为 14bit 即将 bit29 覆盖。
bit8 ~ bit15：   8bit  为 “魔数"(也称为"幻数")区，这个值用以与其它设备驱动程序的 ioctl 命令进行区别。
bit0 ~ bit7：     8bit  为 "序号" 区，是区分命令的命令顺序序号。

魔数（magic number）
魔数范围为 0~255 。通常，用英文字符 'A' ~ 'Z' 或者 'a' ~ 'z' 来表示。设备驱动程序从传递进来的命令获取魔数，然后与自身处理的魔数想比较，如果相同则处理，不同则不处理。魔数是拒绝误使用的初步辅助参数。设备驱动程序可以通过宏 _IOC_TYPE (cmd) 来获取魔数。不同的设备驱动程序最好设置不同的魔数，但并不是要求绝对，也是可以使用其他设备驱动程序已用过的魔数。

基数（序号）
基数用于区别各种命令。通常，从 0开始递增，相同设备驱动程序上可以重复使用该值。例如，读和写命令中使用了相同的基数，设备驱动程序也能分辨出来，原因在于设备驱动程序区分命令时使用 switch ，且直接使用命令变量 cmd 值。创建命令的宏生成的值由多个域组合而成，所以即使是相同的基数，也会判断为不同的命令。设备驱动程序想要从命令中获取该基数，就使用宏 _IOC_NR (cmd)。

下面我们看一下上述宏在内核中的原型：

[cpp] view plaincopyprint?

  1. /* 
  2.  * Our DIR and SIZE overlap in order to simulteneously provide 
  3.  * a non-zero _IOC_NONE (for binary compatibility) and 
  4.  * 14 bits of size as on i386. Here's the layout: 
  5.  * 
  6.  *   0xE0000000   DIR            3bit 
  7.  *   0x80000000   DIR = WRITE    bit31 
  8.  *   0x40000000   DIR = READ     bit30 
  9.  *   0x20000000   DIR = NONE     bit29 
  10.  *   0x3FFF0000   SIZE (overlaps NONE bit)  13bit 
  11.  *   0x0000FF00   TYPE           8bit 
  12.  *   0x000000FF   NR (CMD)       8bit 
  13.  */  
  14. /* 各个域的长度 */  
  15. #define _IOC_NRBITS      8   
  16. #define _IOC_TYPEBITS    8   
  17. #define _IOC_SIZEBITS   13  /* Actually 14, see below. */   
  18. #define _IOC_DIRBITS     3   
  19. /* 各个域的掩码 */  
  20. #define _IOC_NRMASK      ((1   
  21. #define _IOC_TYPEMASK    ((1   
  22. #define _IOC_SIZEMASK    ((1   
  23. #define _IOC_XSIZEMASK   ((1   
  24. #define _IOC_DIRMASK     ((1   
  25. /* 各个域的偏移 */  
  26. #define _IOC_NRSHIFT     0   
  27. #define _IOC_TYPESHIFT   (_IOC_NRSHIFT + _IOC_NRBITS)       /* 8 */   
  28. #define _IOC_SIZESHIFT   (_IOC_TYPESHIFT + _IOC_TYPEBITS)   /* 16 */   
  29. #define _IOC_DIRSHIFT    (_IOC_SIZESHIFT + _IOC_SIZEBITS)   /* 29 */   
  30. /* 读写域的值 */  
  31. #define _IOC_NONE        1U   
  32. #define _IOC_READ        2U   
  33. #define _IOC_WRITE       4U   
  34.   
  35. #define _IOC(dir,type,nr,size) \   
  36.         (((dir)  /* 读写方向左移 29bit */  
  37.          ((type) /* 幻数左移 8bit */  
  38.          ((nr)   /* 命令序号 */  
  39.          ((size) /* 参数大小左移 16bit */  
  40. /* 宏原型，这里将会根据传递的数据类型取其长度 */  
  41. #define _IO(type,nr)        _IOC(_IOC_NONE,(type),(nr),0)   
  42. #define _IOR(type,nr,size)  _IOC(_IOC_READ,(type),(nr),sizeof(size))   
  43. #define _IOW(type,nr,size)  _IOC(_IOC_WRITE,(type),(nr),sizeof(size))   
  44. #define _IOWR(type,nr,size) _IOC(_IOC_READ|_IOC_WRITE,(type),(nr),sizeof(size))   
  45. /* 获取各个域的值 */  
  46. #define _IOC_DIR(nr)        (((nr) >> _IOC_DIRSHIFT) & _IOC_DIRMASK)   
  47. #define _IOC_TYPE(nr)       (((nr) >> _IOC_TYPESHIFT) & _IOC_TYPEMASK)   
  48. #define _IOC_NR(nr)         (((nr) >> _IOC_NRSHIFT) & _IOC_NRMASK)   
  49. #define _IOC_SIZE(nr)       (((nr) >> _IOC_SIZESHIFT) & _IOC_SIZEMASK)   
/*
 * Our DIR and SIZE overlap in order to simulteneously provide
 * a non-zero _IOC_NONE (for binary compatibility) and
 * 14 bits of size as on i386. Here's the layout:
 *
 *   0xE0000000   DIR            3bit
 *   0x80000000   DIR = WRITE    bit31
 *   0x40000000   DIR = READ     bit30
 *   0x20000000   DIR = NONE     bit29
 *   0x3FFF0000   SIZE (overlaps NONE bit)  13bit
 *   0x0000FF00   TYPE           8bit
 *   0x000000FF   NR (CMD)       8bit
 */
/* 各个域的长度 */
#define _IOC_NRBITS      8
#define _IOC_TYPEBITS    8
#define _IOC_SIZEBITS   13	/* Actually 14, see below. */
#define _IOC_DIRBITS     3
/* 各个域的掩码 */
#define _IOC_NRMASK      ((1 > _IOC_DIRSHIFT) & _IOC_DIRMASK)
#define _IOC_TYPE(nr)       (((nr) >> _IOC_TYPESHIFT) & _IOC_TYPEMASK)
#define _IOC_NR(nr)         (((nr) >> _IOC_NRSHIFT) & _IOC_NRMASK)
#define _IOC_SIZE(nr)       (((nr) >> _IOC_SIZESHIFT) & _IOC_SIZEMASK)
这里特别说明一下 _IO 宏，该宏没有可传递的变量，只用于发送命令。这是因为变量需要可变数据，只作为命令（比如 reset）使用时，没有必要判断设备上的数据，因此设备驱动程序没有必要执行文件相关的处理。在 v4l2 中使用示例如下：

[cpp] view plaincopyprint?

  1. #define VIDIOC_QUERYCAP      _IOR('V',  0, struct v4l2_capability)   
  2. #define VIDIOC_RESERVED       _IO('V',  1)   
  3. #define VIDIOC_S_FMT        _IOWR('V',  5, struct v4l2_format)   
  4. #define VIDIOC_STREAMON      _IOW('V', 18, int)   
#define VIDIOC_QUERYCAP      _IOR('V',  0, struct v4l2_capability)
#define VIDIOC_RESERVED       _IO('V',  1)
#define VIDIOC_S_FMT        _IOWR('V',  5, struct v4l2_format)
#define VIDIOC_STREAMON      _IOW('V', 18, int)
v4l2 中对上述宏命令的处理在 video_ioctl2 函数中：

[cpp] view plaincopyprint?

  1. static unsigned long cmd_input_size(unsigned int cmd)  
  2. {  
  3. #define CMDINSIZE(cmd, type, field)                 \   
  4.     case VIDIOC_##cmd:                  \  
  5.         return offsetof(struct v4l2_##type, field) +    \  /* 域的偏移 */  
  6.             sizeof(((struct v4l2_##type *)0)->field);      /* 域的长度 */  
  7.   
  8.     switch (cmd) {  
  9.         CMDINSIZE(ENUM_FMT,     fmtdesc,    type);  
  10.         CMDINSIZE(G_FMT,        format,     type);  
  11.         ...  
  12.         CMDINSIZE(ENUM_FRAMESIZES,  frmsizeenum,    pixel_format);  
  13.         CMDINSIZE(ENUM_FRAMEINTERVALS,  frmivalenum,    height);  
  14.     default:  
  15.         return _IOC_SIZE(cmd);  /* 剩下的是需要全部拷贝的命令 */  
  16.     }  
  17. }  
  18.   
  19. long video_ioctl2(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg)  
  20. {  
  21.     char    sbuf[128];          /* 在栈中分配128个字节空间用来储存命令的参数 */  
  22.     void    *mbuf = NULL;  
  23.     void    *parg = NULL;       /* 参数存放的首地址 */  
  24.     long    err  = -EINVAL;  
  25.     int     is_ext_ctrl;  
  26.     size_t  ctrls_size = 0;  
  27.     void __user *user_ptr = NULL;  
  28.   
  29.     ...  
  30.     /* 判断是否包含读写命令,如果是则将用户空间的参数值拷贝到内核 */  
  31.     if (_IOC_DIR(cmd) != _IOC_NONE) {  
  32.         /* 判断参数大小是否超过128字节 */  
  33.         if (_IOC_SIZE(cmd) sizeof(sbuf)) {  
  34.             parg = sbuf;  
  35.         } else {  
  36.             /* 如果超过128字节则从堆中申请 */  
  37.             mbuf = kmalloc(_IOC_SIZE(cmd), GFP_KERNEL);  
  38.             if (NULL == mbuf)  
  39.                 return -ENOMEM;  
  40.             parg = mbuf;  
  41.         }  
  42.   
  43.         err = -EFAULT;  
  44.         /* 如果包含写命令 */  
  45.         if (_IOC_DIR(cmd) & _IOC_WRITE) {  
  46.             /* 计算需要拷贝的有效数据长度,有的命令不需要全部拷贝 */  
  47.             unsigned long n = cmd_input_size(cmd);  
  48.             /* 从用户空间拷贝参数值 */  
  49.             if (copy_from_user(parg, (void __user *)arg, n))  
  50.                 goto out;  
  51.   
  52.             /* 将剩下的空间清零 */  
  53.             if (n 
  54.                 memset((u8 *)parg + n, 0, _IOC_SIZE(cmd) - n);  
  55.         } else {  
  56.             /* 如果是只读命令则将整个buffer清零 */  
  57.             memset(parg, 0, _IOC_SIZE(cmd));  
  58.         }  
  59.     }  
  60.   
  61.     ...  
  62.     /* 调用 v4l2_ioctl_ops 的成员函数处理命令 */  
  63.     err = __video_do_ioctl(file, cmd, parg);  
  64.     if (err == -ENOIOCTLCMD)  
  65.         err = -EINVAL;  
  66.     ...  
  67.     if (err 
  68.         goto out;  
  69.   
  70. out_ext_ctrl:  
  71.     /* 如果包含读命令则将参数值拷贝到用户空间 */  
  72.     switch (_IOC_DIR(cmd)) {  
  73.     case _IOC_READ:  
  74.     case (_IOC_WRITE | _IOC_READ):  
  75.         if (copy_to_user((void __user *)arg, parg, _IOC_SIZE(cmd)))  
  76.             err = -EFAULT;  
  77.         break;  
  78.     }  
  79.   
  80. out:  
  81.     kfree(mbuf);  
  82.     return err;  
  83. }  
  84. EXPORT_SYMBOL(video_ioctl2);  
static unsigned long cmd_input_size(unsigned int cmd)
{
#define CMDINSIZE(cmd, type, field) 				\
	case VIDIOC_##cmd: 					\
		return offsetof(struct v4l2_##type, field) + 	\  /* 域的偏移 */
			sizeof(((struct v4l2_##type *)0)->field);      /* 域的长度 */

	switch (cmd) {
		CMDINSIZE(ENUM_FMT,		fmtdesc,	type);
		CMDINSIZE(G_FMT,		format,		type);
		...
		CMDINSIZE(ENUM_FRAMESIZES,	frmsizeenum,	pixel_format);
		CMDINSIZE(ENUM_FRAMEINTERVALS,	frmivalenum,	height);
	default:
		return _IOC_SIZE(cmd);  /* 剩下的是需要全部拷贝的命令 */
	}
}

long video_ioctl2(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
	char	sbuf[128];          /* 在栈中分配128个字节空间用来储存命令的参数 */
	void    *mbuf = NULL;
	void	*parg = NULL;       /* 参数存放的首地址 */
	long	err  = -EINVAL;
	int     is_ext_ctrl;
	size_t  ctrls_size = 0;
	void __user *user_ptr = NULL;

	...
	/* 判断是否包含读写命令,如果是则将用户空间的参数值拷贝到内核 */
	if (_IOC_DIR(cmd) != _IOC_NONE) {
		/* 判断参数大小是否超过128字节 */
		if (_IOC_SIZE(cmd)
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