V4l2拓扑架构（基于Rk3568），你学会了吗？-51CTO.COM

一、设备节点、模块、拓扑结构关系

拓扑结构是我们了解MIPI-CSI内部模块以及与摄像头连接关系的最直观最便捷的方法。

如何表示拓扑结构？

file视角

v4l2视角

来自: 参考文档《RKISP_Driver_User_Manual_v1.3.pdf》

模块之间相互独立，通过struct media_entity来进行抽象，通常会将struct media_entity嵌入到其他结构中，以支持media framework功能；
entity模块包含struct media_pad，pad可以认为是端口，与其他模块进行联系的媒介，针对特定模块来说它是确定的；
pad通过struct media_link来建立连接，指定source和sink，即可将通路建立起来；
各个模块之间最终建立一条数据流，便是一条pipeline了，同一条pipeline中的模块，可以根据前一个模块查找到下一个模块，因此也可以很方便进行遍历，并做进一步的设置操作；

2. 设备节点-------少media的

在/sys/class/video4linux/下可以找到v4l2相关的设备节点：

rk3568_r:/ # ls sys/class/video4linux
ls sys/class/video4linux
v4l-subdev0  v4l-subdev2  video1  video3  video5  video7
v4l-subdev1  video0       video2  video4  video6  video8

rk3568_r:/ # cat sys/class/video4linux/video0/dev
cat sys/class/video4linux/video0/dev
81:0
rk3568_r:/ # cat sys/class/video4linux/video0/name
cat sys/class/video4linux/video0/name
rkisp_mainpath

udev文件系统会为我们在dev/目录下创建一个video0节点，即dev/video0

用户可以打开dev/video0节点，通过IOCTL命令和内核空间进行通信。

rk3568_r:/ # ls /dev/video* -l
ls /dev/video* -l
crw-rw---- 1 media camera 81,   0 2022-11-09 17:06 /dev/video0
crw-rw---- 1 media camera 81,   1 2022-11-09 17:06 /dev/video1
crw-rw---- 1 media camera 81,   2 2022-11-09 17:06 /dev/video2
crw-rw---- 1 media camera 81,   3 2022-11-09 17:06 /dev/video3
crw-rw---- 1 media camera 81,   4 2022-11-09 17:06 /dev/video4
crw-rw---- 1 media camera 81,   5 2022-11-09 17:06 /dev/video5
crw-rw---- 1 media camera 81,   6 2022-11-09 17:06 /dev/video6
crw-rw---- 1 media camera 81,   7 2022-11-09 17:06 /dev/video7
crw-rw---- 1 media camera 81,   8 2022-11-09 17:06 /dev/video8

rk3568_r:/ # ls /dev/v4l-sub* -l
ls /dev/v4l-sub* -l
crw-rw-rw- 1 media camera 81,   9 2022-11-09 17:06 /dev/v4l-subdev0
crw-rw-rw- 1 media camera 81,  10 2022-11-09 17:06 /dev/v4l-subdev1
crw-rw-rw- 1 media camera 81,  11 2022-11-09 17:06 /dev/v4l-subdev2

3. 拓扑结构图

命令media-ctl可以查看拓扑结构图

rk3568_r:/ # media-ctl -d /dev/media0 -p                  
media-ctl -d /dev/media0 -p                               
Opening media device /dev/media0                          
Enumerating entities                                      
Found 13 entities                                         
Enumerating pads and links                                
Media controller API version 0.0.255                      
                                                          
Media device information                                  
------------------------                                  
driver          rkisp-vir0                                
model           rkisp0                                    
serial                                                    
bus info                                                  
hw revision     0x0                                       
driver version  0.0.255                                   
                                                          
Device topology                                           
- entity 1: rkisp-isp-subdev (4 pads, 7 links)            
            type V4L2 subdev subtype Unknown              
            device node name /dev/v4l-subdev0             
        pad0: Sink                                        
                [fmt:SBGGR10/4224x3136                    
                 crop.bounds:(0,0)/4096x3072              
                 crop:(0,0)/4096x3072]                    
                <- "rkisp-csi-subdev":1 []                
                <- "rkisp_rawrd0_m":0 []                  
                <- "rkisp_rawrd2_s":0 []                  
        pad1: Sink                                        
                <- "rkisp-input-params":0 []              
        pad2: Source                                      
                [fmt:YUYV2X8/4096x3072                    
                 crop.bounds:(0,0)/4096x3072              
                 crop:(0,0)/4096x3072]                    
                -> "rkisp_mainpath":0 []                  
                -> "rkisp_selfpath":0 []                  
        pad3: Source                                      
                -> "rkisp-statistics":0 []                
                                                          
- entity 6: rkisp-csi-subdev (6 pads, 5 links)            
            type V4L2 subdev subtype Unknown              
            device node name /dev/v4l-subdev1             
        pad0: Sink                                        
                <- "rockchip-csi2-dphy0":1 []             
        pad1: Source                                      
                -> "rkisp-isp-subdev":0 []                
        pad2: Source                                      
                -> "rkisp_rawwr0":0 []                    
        pad3: Source                                      
        pad4: Source                                      
                -> "rkisp_rawwr2":0 []                    
        pad5: Source                                      
                -> "rkisp_rawwr3":0 []                    
                                                          
- entity 13: rkisp_mainpath (1 pad, 1 link)               
             type Node subtype V4L                        
             device node name /dev/video0                 
        pad0: Sink                                        
                <- "rkisp-isp-subdev":2 []                
                                                          
- entity 19: rkisp_selfpath (1 pad, 1 link)               
             type Node subtype V4L                        
             device node name /dev/video1                 
        pad0: Sink                                        
                <- "rkisp-isp-subdev":2 []                
                                                          
- entity 25: rkisp_rawwr0 (1 pad, 1 link)                 
             type Node subtype V4L                        
             device node name /dev/video2                 
        pad0: Sink                                        
                <- "rkisp-csi-subdev":2 []                
                                                          
- entity 31: rkisp_rawwr2 (1 pad, 1 link)                 
             type Node subtype V4L                        
             device node name /dev/video3                 
        pad0: Sink                                        
                <- "rkisp-csi-subdev":4 []                
                                                          
- entity 37: rkisp_rawwr3 (1 pad, 1 link)                 
             type Node subtype V4L                        
             device node name /dev/video4                 
        pad0: Sink                                        
                <- "rkisp-csi-subdev":5 []                
                                                          
- entity 43: rkisp_rawrd0_m (1 pad, 1 link)               
             type Node subtype V4L                        
             device node name /dev/video5                 
        pad0: Source                                      
                -> "rkisp-isp-subdev":0 []                
                                                          
- entity 49: rkisp_rawrd2_s (1 pad, 1 link)               
             type Node subtype V4L                        
             device node name /dev/video6                 
        pad0: Source                                      
                -> "rkisp-isp-subdev":0 []                
                                                          
- entity 55: rkisp-statistics (1 pad, 1 link)             
             type Node subtype V4L                        
             device node name /dev/video7                 
        pad0: Sink                                        
                <- "rkisp-isp-subdev":3 []                
                                                          
- entity 61: rkisp-input-params (1 pad, 1 link)           
             type Node subtype V4L                        
             device node name /dev/video8                 
        pad0: Source                                      
                -> "rkisp-isp-subdev":1 []                
                                                          
- entity 67: rockchip-csi2-dphy0 (2 pads, 2 links)        
             type V4L2 subdev subtype Unknown             
             device node name /dev/v4l-subdev2            
        pad0: Sink                                        
                <- "m00_b_ov13850 4-0010":0 []            
        pad1: Source                                      
                -> "rkisp-csi-subdev":0 []                
                                                          
- entity 70: m00_b_ov13850 4-0010 (1 pad, 1 link)         
             type V4L2 subdev subtype Sensor              
             device node name /dev/v4l-subdev3            
        pad0: Source                                      
                [fmt:SBGGR10/4224x3136]                   
                -> "rockchip-csi2-dphy0":0 []

下面是根据显示内容绘制的拓扑图：

拓扑结构

该图中各个entity对应的设备节点名称已经标注。模块的上方的黄色pad默认是source pad，下方的黄色pad是sink pad

字符设备类型主要有两种（只考虑摄像头）：

/dev/videox (x取值0~8) （所有设备共用主设备号81，次设备号区分）
/dev/v4l-subdevx (x取值0~3)

video设备主要用于图像操作，必须创建结构体struct video_device变量， v4l-subdev设备主要对应sensor等具体从设备，必须创建struct v4l2_subdev变量，内部的isp和csi、csi-dphy也都需要注册为subdev

这些entity由media_entity模块负责维护，将他们连接起来。

4. 模块功能

这些entity瑞芯微已经设定了他们各自的功能：

这些entity我们可以理解为一个个功能模块。

这些功能模块有的用于驱动csi、有的驱动isp、有的用于预览图像、有的用于统计视频信息、有的用于配置参数。

这些功能模块，并不是都一定每个camera控制器都有的，有一些是通用的，比如，mainpath、selfpath，有一些要完全看SoC设计，即使瑞芯微的SoC，不同型号，差别也不小。所以具体问题要具体分析，不可教条。

v4l2只定义了基本架构，定义好了回调函数接口，要实现模块具体功能只需要填充好对应的回调函数即可，应用层通过这些字符设备文件和对应的ioctrl命令，就可以实现相应的功能。

二、如何描述拓扑？

1. struct rkisp_device

rk3568的camera控制器使用结构体struct rkisp_device管理所有的资源。

/*
 * struct rkisp_device - ISP platform device
 * @base_addr: base register address
 * @active_sensor: sensor in-use, set when streaming on
 * @isp_sdev: ISP sub-device
 * @cap_dev: image capture device
 * @stats_vdev: ISP statistics output device
 * @params_vdev: ISP input parameters device
 * @dmarx_dev: image input device
 * @csi_dev: mipi csi device
 * @br_dev: bridge of isp and ispp device
 */
struct rkisp_device {
    struct list_head list;
    void __iomem *base_addr;
    struct device *dev;
    char name[128];
    void *sw_base_addr;
    struct rkisp_hw_dev *hw_dev;     
    struct v4l2_device v4l2_dev;
    struct v4l2_ctrl_handler ctrl_handler;
    struct media_device media_dev;
    struct v4l2_async_notifier notifier;
    struct v4l2_subdev *subdevs[RKISP_SD_MAX];
    struct rkisp_sensor_info *active_sensor;
    struct rkisp_sensor_info sensors[RKISP_MAX_SENSOR];
    int num_sensors;
    struct rkisp_isp_subdev isp_sdev;
    struct rkisp_capture_device cap_dev;
    struct rkisp_isp_stats_vdev stats_vdev;
    struct rkisp_isp_params_vdev params_vdev;
    struct rkisp_dmarx_device dmarx_dev;
    struct rkisp_csi_device csi_dev;
    struct rkisp_bridge_device br_dev;
    struct rkisp_luma_vdev luma_vdev;
    struct proc_dir_entry *procfs;
    struct rkisp_pipeline pipe;
    enum rkisp_isp_ver isp_ver;
    struct rkisp_emd_data emd_data_fifo[RKISP_EMDDATA_FIFO_MAX];
    unsigned int emd_data_idx;
    unsigned int emd_vc;
    unsigned int emd_dt;
    int vs_irq;
    struct gpio_desc *vs_irq_gpio;
    struct rkisp_hdr hdr;
    unsigned int isp_state;
    unsigned int isp_err_cnt;
    unsigned int isp_isr_cnt;
    unsigned int isp_inp;
    struct mutex apilock; /* mutex to serialize the calls of stream */
    struct mutex iqlock; /* mutex to serialize the calls of iq */
    wait_queue_head_t sync_onoff;
    dma_addr_t resmem_addr;
    phys_addr_t resmem_pa;
    size_t resmem_size;
    int dev_id;
    unsigned int skip_frame;
    unsigned int irq_ends;
    unsigned int irq_ends_mask;
    bool send_fbcgain;
    struct rkisp_ispp_buf *cur_fbcgain;
    struct rkisp_buffer *cur_spbuf;
    bool is_thunderboot;

    struct kfifo rdbk_kfifo;
    spinlock_t rdbk_lock;
    int rdbk_cnt;
    int rdbk_cnt_x1;
    int rdbk_cnt_x2;
    int rdbk_cnt_x3;
    u32 rd_mode;
    u8 filt_state[RDBK_F_MAX];
};

其中与isp2.1拓扑结构相关的的几个结构体成员以及他们之间的关系：

成员	含义	拓扑图中的entity	设备名
void __iomem *base_addr	基地址	-	-
struct rkisp_sensor_info *active_sensor;	正在使用的sensor	-	-
struct rkisp_isp_subdev isp_sdev;	isp模块	rkisp-isp-subdev	v4l-subdev0
struct rkisp_capture_device cap_dev;	capture模块, 维护struct vb2_v4l2_buffer	对应拓扑图中的rkisp_mainpath、rkisp_selfpath、rkisp_rawwr0、rkisp_rawwr2、rkisp_rawwr3	video0~video4
struct rkisp_isp_stats_vdev stats_vdev;	数据统计模块	rkisp-statistics	video7
struct rkisp_isp_params_vdev params_vdev;	参数配置模块	rkisp-input-params	video8
struct rkisp_dmarx_device dmarx_dev;	dma数据接收模块	rkisp_rawrd0_m、rkisp_rawrd2_s	video5、video6
struct rkisp_csi_device csi_dev;	csi的sub device从设备	rkisp-csi-subdev	v4l-subdev1
struct rkisp_bridge_device br_dev;	桥接模块备，isp2.0中有	-	-
enum rkisp_isp_ver isp_ver;	isp版本号，rk3568是2.1	-	-

2. 举例1：rkisp-csi-subdev注册到拓扑结构中

要添加到拓扑结构中，表示该模块的结构体中包含成员struct media_pad ，它和struct v4l2_subdev中的 struct media_entity entity;共同生成拓扑结构。

rkisp-csi-subdev设备结构体定义如下：

struct rkisp_csi_device {
 struct rkisp_device *ispdev;
 struct v4l2_subdev sd;
 struct media_pad pads[CSI_PAD_MAX];
 struct sink_info sink[CSI_PAD_MAX - 1];
 int max_pad;
 u32 err_cnt;
 u32 irq_cnt;
 u8 mipi_di[CSI_PAD_MAX - 1];
 u8 tx_first[HDR_DMA_MAX];
};

参考第二节的拓扑图中 entity6 :

由上图可知，该模块有6个pad，pad属性定义如下

#define MEDIA_PAD_FL_SINK   (1 << 0)
#define MEDIA_PAD_FL_SOURCE   (1 << 1)
#define MEDIA_PAD_FL_MUST_CONNECT  (1 << 2)

pad的名称定义如下：

enum rkisp_csi_pad {
 CSI_SINK = 0,
 CSI_SRC_CH0,
 CSI_SRC_CH1,
 CSI_SRC_CH2,
 CSI_SRC_CH3,
 CSI_SRC_CH4,
 CSI_PAD_MAX
};

isp的in pad

//isp的in pad
enum rkisp_isp_inp {
 INP_INVAL = 0,
 INP_RAWRD0 = BIT(0),
 INP_RAWRD1 = BIT(1),
 INP_RAWRD2 = BIT(2),
 INP_CSI = BIT(4),
 INP_DVP = BIT(5),
 INP_DMARX_ISP = BIT(6),
 INP_LVDS = BIT(7),
 INP_CIF = BIT(8),
};

根据该拓扑图，pads[0] 为sink ，pads[1~5] 均为source

以下是驱动中pad初始化代码：

rkisp_register_csi_subdev()
{
 ……
 v4l2_subdev_init(sd, &rkisp_csi_ops);
 sd->flags |= V4L2_SUBDEV_FL_HAS_DEVNODE;  //是否需要子节点
 sd->entity.ops = &rkisp_csi_media_ops;
 sd->entity.function = MEDIA_ENT_F_V4L2_SUBDEV_UNKNOWN;
 snprintf(sd->name, sizeof(sd->name), CSI_DEV_NAME);//名字前缀，#define CSI_DEV_NAME DRIVER_NAME "-csi-subdev"

 csi_dev->pads[CSI_SINK].flags =
  MEDIA_PAD_FL_SINK | MEDIA_PAD_FL_MUST_CONNECT; //pad0属性
 csi_dev->pads[CSI_SRC_CH0].flags =
  MEDIA_PAD_FL_SOURCE | MEDIA_PAD_FL_MUST_CONNECT; //pad1属性

 csi_dev->max_pad = CSI_SRC_CH0 + 1;
 if (dev->isp_ver == ISP_V20 || dev->isp_ver == ISP_V21) {
  csi_dev->max_pad = CSI_PAD_MAX;
  csi_dev->pads[CSI_SRC_CH1].flags = MEDIA_PAD_FL_SOURCE;//pad2属性
  csi_dev->pads[CSI_SRC_CH2].flags = MEDIA_PAD_FL_SOURCE;//pad3属性
  csi_dev->pads[CSI_SRC_CH3].flags = MEDIA_PAD_FL_SOURCE;//pad4属性
  csi_dev->pads[CSI_SRC_CH4].flags = MEDIA_PAD_FL_SOURCE;//pad5属性
 }

 ret = media_entity_pads_init(&sd->entity, csi_dev->max_pad,
         csi_dev->pads);
    ……
}

一些关键的宏汇总：

//各个模块对应的名字
【kernel\drivers\media\platform\rockchip\isp\dev.h】
#define DRIVER_NAME "rkisp"
#define ISP_VDEV_NAME DRIVER_NAME  "_ispdev"
#define SP_VDEV_NAME DRIVER_NAME   "_selfpath"
#define MP_VDEV_NAME DRIVER_NAME   "_mainpath"
#define DMA_VDEV_NAME DRIVER_NAME  "_dmapath"
#define RAW_VDEV_NAME DRIVER_NAME  "_rawpath"
#define DMATX0_VDEV_NAME DRIVER_NAME "_rawwr0"
#define DMATX1_VDEV_NAME DRIVER_NAME "_rawwr1"
#define DMATX2_VDEV_NAME DRIVER_NAME "_rawwr2"
#define DMATX3_VDEV_NAME DRIVER_NAME "_rawwr3"
#define DMARX0_VDEV_NAME DRIVER_NAME "_rawrd0_m"
#define DMARX1_VDEV_NAME DRIVER_NAME "_rawrd1_l"
#define DMARX2_VDEV_NAME DRIVER_NAME "_rawrd2_s"

#define GRP_ID_SENSOR   BIT(0)
#define GRP_ID_MIPIPHY   BIT(1)
#define GRP_ID_ISP    BIT(2)
#define GRP_ID_ISP_MP   BIT(3)
#define GRP_ID_ISP_SP   BIT(4)
#define GRP_ID_ISP_DMARX  BIT(5)
#define GRP_ID_ISP_BRIDGE  BIT(6)
#define GRP_ID_CSI    BIT(7)



//pad的属性
[kernel\include\uapi\linux\media.h]
#define MEDIA_PAD_FL_SINK    (1 << 0)
#define MEDIA_PAD_FL_SOURCE    (1 << 1)
#define MEDIA_PAD_FL_MUST_CONNECT  (1 << 2)

由代码可得，拓扑关系由csi_dev->pads描述。

最终调用函数media_entity_pads_init()注册。

rkisp_register_platform_subdevs()
 isp_subdev_notifier()
  v4l2_async_notifier_parse_fwnode_endpoints()
   __v4l2_async_notifier_parse_fwnode_endpoints()
   {
    for ( fwnode = fwnode_graph_get_next_endpoint())
    {
     dev_fwnode = fwnode_graph_get_port_parent(fwnode);
     is_available = fwnode_device_is_available(dev_fwnode);
     fwnode_handle_put(dev_fwnode);
      fwnode_graph_parse_endpoint(fwnode, &ep);
    }
    for ( fwnode = fwnode_graph_get_next_endpoint())
    {
     dev_fwnode = fwnode_graph_get_port_parent(fwnode);
     is_available = fwnode_device_is_available(dev_fwnode);
     fwnode_handle_put(dev_fwnode);
      fwnode_graph_parse_endpoint(fwnode, &ep);
     v4l2_async_notifier_fwnode_parse_endpoint();
    } 
    fwnode_handle_put(fwnode);   
   }

大家也可以试着去分析其他的模块。

三、设备树如何描述摄像头拓扑结构？

1. 设备树说明文档

瑞芯微MIPI-CSI设备树节点属性说明参考内核说明文档：

[kernel\Documentation\devicetree\bindings\media\]
video-interfaces.txt             关于sensor节点属性的说明，接口类型，
rockchip-isp1.txt                isp模块属性说明
rockchip-mipi-dphy.txt           dphy模块的说明
kernel\Documentation\devicetree\bindings\media\i2c\ovxxxxxx.txt  ov系列的摄像设备树说明

这些文档中有关于port、remote-endpoint等节点的详细说明，如果不是厂家，我们只需要搞懂摄像头拓扑结构即可。

2. ov13850

我们移植的摄像头为ov13850,他的连接关系如下：

数据通道通过mipi接口连接到rk3568的mipi通道0
Camera控制器的csi2-dphy0模块负责从mipi通道中接收数据帧

外设摄像头拓扑关系由设备树来描述，内核会自动解析并帮我们自动注册。

千言万语，不如一图：

由上图可得:

摄像头ov13850设备树只有一个port子节点，所以pad为0，out表示该pad是source pad
remote-endpoint属性表示该pad连接的上游模块的pad名字:mipi_in_ucam0，而模块csi2_dphy0中包含pad：mipi_in_ucam0，所以ov13850连接到该模块
csi2_dphy0 port0节点的mipi_in_ucam0设备，通过remote-endpoint即可知道该pad所连接的是设备ov13850的pad
综上可得csi2_dphy0的pad0（sink pad）连接的ov13850的pad0（source pad）

V4l2拓扑架构（基于Rk3568），你学会了吗？

一、 设备节点、模块、拓扑结构关系