Documentation/video4linux/videobuf

   1 An introduction to the videobuf layer
   2 Jonathan Corbet <corbet@lwn.net>
   3 Current as of 2.6.33
   4
   5 The videobuf layer functions as a sort of glue layer between a V4L2 driver
   6 and user space.  It handles the allocation and management of buffers for
   7 the storage of video frames.  There is a set of functions which can be used
   8 to implement many of the standard POSIX I/O system calls, including read(),
   9 poll(), and, happily, mmap().  Another set of functions can be used to
  10 implement the bulk of the V4L2 ioctl() calls related to streaming I/O,
  11 including buffer allocation, queueing and dequeueing, and streaming
  12 control.  Using videobuf imposes a few design decisions on the driver
  13 author, but the payback comes in the form of reduced code in the driver and
  14 a consistent implementation of the V4L2 user-space API.
  15
  16 Buffer types
  17
  18 Not all video devices use the same kind of buffers.  In fact, there are (at
  19 least) three common variations:
  20
  21  - Buffers which are scattered in both the physical and (kernel) virtual
  22    address spaces.  (Almost) all user-space buffers are like this, but it
  23    makes great sense to allocate kernel-space buffers this way as well when
  24    it is possible.  Unfortunately, it is not always possible; working with
  25    this kind of buffer normally requires hardware which can do
  26    scatter/gather DMA operations.
  27
  28  - Buffers which are physically scattered, but which are virtually
  29    contiguous; buffers allocated with vmalloc(), in other words.  These
  30    buffers are just as hard to use for DMA operations, but they can be
  31    useful in situations where DMA is not available but virtually-contiguous
  32    buffers are convenient.
  33
  34  - Buffers which are physically contiguous.  Allocation of this kind of
  35    buffer can be unreliable on fragmented systems, but simpler DMA
  36    controllers cannot deal with anything else.
  37
  38 Videobuf can work with all three types of buffers, but the driver author
  39 must pick one at the outset and design the driver around that decision.
  40
  41 [It's worth noting that there's a fourth kind of buffer: "overlay" buffers
  42 which are located within the system's video memory.  The overlay
  43 functionality is considered to be deprecated for most use, but it still
  44 shows up occasionally in system-on-chip drivers where the performance
  45 benefits merit the use of this technique.  Overlay buffers can be handled
  46 as a form of scattered buffer, but there are very few implementations in
  47 the kernel and a description of this technique is currently beyond the
  48 scope of this document.]
  49
  50 Data structures, callbacks, and initialization
  51
  52 Depending on which type of buffers are being used, the driver should
  53 include one of the following files:
  54
  55     <media/videobuf-dma-sg.h>           /* Physically scattered */
  56     <media/videobuf-vmalloc.h>          /* vmalloc() buffers    */
  57     <media/videobuf-dma-contig.h>       /* Physically contiguous */
  58
  59 The driver's data structure describing a V4L2 device should include a
  60 struct videobuf_queue instance for the management of the buffer queue,
  61 along with a list_head for the queue of available buffers.  There will also
  62 need to be an interrupt-safe spinlock which is used to protect (at least)
  63 the queue.
  64
  65 The next step is to write four simple callbacks to help videobuf deal with
  66 the management of buffers:
  67
  68     struct videobuf_queue_ops {
  69         int (*buf_setup)(struct videobuf_queue *q,
  70                          unsigned int *count, unsigned int *size);
  71         int (*buf_prepare)(struct videobuf_queue *q,
  72                            struct videobuf_buffer *vb,
  73                            enum v4l2_field field);
  74         void (*buf_queue)(struct videobuf_queue *q,
  75                           struct videobuf_buffer *vb);
  76         void (*buf_release)(struct videobuf_queue *q,
  77                             struct videobuf_buffer *vb);
  78     };
  79
  80 buf_setup() is called early in the I/O process, when streaming is being
  81 initiated; its purpose is to tell videobuf about the I/O stream.  The count
  82 parameter will be a suggested number of buffers to use; the driver should
  83 check it for rationality and adjust it if need be.  As a practical rule, a
  84 minimum of two buffers are needed for proper streaming, and there is
  85 usually a maximum (which cannot exceed 32) which makes sense for each
  86 device.  The size parameter should be set to the expected (maximum) size
  87 for each frame of data.
  88
  89 Each buffer (in the form of a struct videobuf_buffer pointer) will be
  90 passed to buf_prepare(), which should set the buffer's size, width, height,
  91 and field fields properly.  If the buffer's state field is
  92 VIDEOBUF_NEEDS_INIT, the driver should pass it to:
  93
  94     int videobuf_iolock(struct videobuf_queue* q, struct videobuf_buffer *vb,
  95                         struct v4l2_framebuffer *fbuf);
  96
  97 Among other things, this call will usually allocate memory for the buffer.
  98 Finally, the buf_prepare() function should set the buffer's state to
  99 VIDEOBUF_PREPARED.
 100
 101 When a buffer is queued for I/O, it is passed to buf_queue(), which should
 102 put it onto the driver's list of available buffers and set its state to
 103 VIDEOBUF_QUEUED.  Note that this function is called with the queue spinlock
 104 held; if it tries to acquire it as well things will come to a screeching
 105 halt.  Yes, this is the voice of experience.  Note also that videobuf may
 106 wait on the first buffer in the queue; placing other buffers in front of it
 107 could again gum up the works.  So use list_add_tail() to enqueue buffers.
 108
 109 Finally, buf_release() is called when a buffer is no longer intended to be
 110 used.  The driver should ensure that there is no I/O active on the buffer,
 111 then pass it to the appropriate free routine(s):
 112
 113     /* Scatter/gather drivers */
 114     int videobuf_dma_unmap(struct videobuf_queue *q,
 115                            struct videobuf_dmabuf *dma);
 116     int videobuf_dma_free(struct videobuf_dmabuf *dma);
 117
 118     /* vmalloc drivers */
 119     void videobuf_vmalloc_free (struct videobuf_buffer *buf);
 120
 121     /* Contiguous drivers */
 122     void videobuf_dma_contig_free(struct videobuf_queue *q,
 123                                   struct videobuf_buffer *buf);
 124
 125 One way to ensure that a buffer is no longer under I/O is to pass it to:
 126
 127     int videobuf_waiton(struct videobuf_buffer *vb, int non_blocking, int intr);
 128
 129 Here, vb is the buffer, non_blocking indicates whether non-blocking I/O
 130 should be used (it should be zero in the buf_release() case), and intr
 131 controls whether an interruptible wait is used.
 132
 133 File operations
 134
 135 At this point, much of the work is done; much of the rest is slipping
 136 videobuf calls into the implementation of the other driver callbacks.  The
 137 first step is in the open() function, which must initialize the
 138 videobuf queue.  The function to use depends on the type of buffer used:
 139
 140     void videobuf_queue_sg_init(struct videobuf_queue *q,
 141                                 struct videobuf_queue_ops *ops,
 142                                 struct device *dev,
 143                                 spinlock_t *irqlock,
 144                                 enum v4l2_buf_type type,
 145                                 enum v4l2_field field,
 146                                 unsigned int msize,
 147                                 void *priv);
 148
 149     void videobuf_queue_vmalloc_init(struct videobuf_queue *q,
 150                                 struct videobuf_queue_ops *ops,
 151                                 struct device *dev,
 152                                 spinlock_t *irqlock,
 153                                 enum v4l2_buf_type type,
 154                                 enum v4l2_field field,
 155                                 unsigned int msize,
 156                                 void *priv);
 157
 158     void videobuf_queue_dma_contig_init(struct videobuf_queue *q,
 159                                        struct videobuf_queue_ops *ops,
 160                                        struct device *dev,
 161                                        spinlock_t *irqlock,
 162                                        enum v4l2_buf_type type,
 163                                        enum v4l2_field field,
 164                                        unsigned int msize,
 165                                        void *priv);
 166
 167 In each case, the parameters are the same: q is the queue structure for the
 168 device, ops is the set of callbacks as described above, dev is the device
 169 structure for this video device, irqlock is an interrupt-safe spinlock to
 170 protect access to the data structures, type is the buffer type used by the
 171 device (cameras will use V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE, for example), field
 172 describes which field is being captured (often V4L2_FIELD_NONE for
 173 progressive devices), msize is the size of any containing structure used
 174 around struct videobuf_buffer, and priv is a private data pointer which
 175 shows up in the priv_data field of struct videobuf_queue.  Note that these
 176 are void functions which, evidently, are immune to failure.
 177
 178 V4L2 capture drivers can be written to support either of two APIs: the
 179 read() system call and the rather more complicated streaming mechanism.  As
 180 a general rule, it is necessary to support both to ensure that all
 181 applications have a chance of working with the device.  Videobuf makes it
 182 easy to do that with the same code.  To implement read(), the driver need
 183 only make a call to one of:
 184
 185     ssize_t videobuf_read_one(struct videobuf_queue *q,
 186                               char __user *data, size_t count,
 187                               loff_t *ppos, int nonblocking);
 188
 189     ssize_t videobuf_read_stream(struct videobuf_queue *q,
 190                                  char __user *data, size_t count,
 191                                  loff_t *ppos, int vbihack, int nonblocking);
 192
 193 Either one of these functions will read frame data into data, returning the
 194 amount actually read; the difference is that videobuf_read_one() will only
 195 read a single frame, while videobuf_read_stream() will read multiple frames
 196 if they are needed to satisfy the count requested by the application.  A
 197 typical driver read() implementation will start the capture engine, call
 198 one of the above functions, then stop the engine before returning (though a
 199 smarter implementation might leave the engine running for a little while in
 200 anticipation of another read() call happening in the near future).
 201
 202 The poll() function can usually be implemented with a direct call to:
 203
 204     unsigned int videobuf_poll_stream(struct file *file,
 205                                       struct videobuf_queue *q,
 206                                       poll_table *wait);
 207
 208 Note that the actual wait queue eventually used will be the one associated
 209 with the first available buffer.
 210
 211 When streaming I/O is done to kernel-space buffers, the driver must support
 212 the mmap() system call to enable user space to access the data.  In many
 213 V4L2 drivers, the often-complex mmap() implementation simplifies to a
 214 single call to:
 215
 216     int videobuf_mmap_mapper(struct videobuf_queue *q,
 217                              struct vm_area_struct *vma);
 218
 219 Everything else is handled by the videobuf code.
 220
 221 The release() function requires two separate videobuf calls:
 222
 223     void videobuf_stop(struct videobuf_queue *q);
 224     int videobuf_mmap_free(struct videobuf_queue *q);
 225
 226 The call to videobuf_stop() terminates any I/O in progress - though it is
 227 still up to the driver to stop the capture engine.  The call to
 228 videobuf_mmap_free() will ensure that all buffers have been unmapped; if
 229 so, they will all be passed to the buf_release() callback.  If buffers
 230 remain mapped, videobuf_mmap_free() returns an error code instead.  The
 231 purpose is clearly to cause the closing of the file descriptor to fail if
 232 buffers are still mapped, but every driver in the 2.6.32 kernel cheerfully
 233 ignores its return value.
 234
 235 ioctl() operations
 236
 237 The V4L2 API includes a very long list of driver callbacks to respond to
 238 the many ioctl() commands made available to user space.  A number of these
 239 - those associated with streaming I/O - turn almost directly into videobuf
 240 calls.  The relevant helper functions are:
 241
 242     int videobuf_reqbufs(struct videobuf_queue *q,
 243                          struct v4l2_requestbuffers *req);
 244     int videobuf_querybuf(struct videobuf_queue *q, struct v4l2_buffer *b);
 245     int videobuf_qbuf(struct videobuf_queue *q, struct v4l2_buffer *b);
 246     int videobuf_dqbuf(struct videobuf_queue *q, struct v4l2_buffer *b,
 247                        int nonblocking);
 248     int videobuf_streamon(struct videobuf_queue *q);
 249     int videobuf_streamoff(struct videobuf_queue *q);
 250
 251 So, for example, a VIDIOC_REQBUFS call turns into a call to the driver's
 252 vidioc_reqbufs() callback which, in turn, usually only needs to locate the
 253 proper struct videobuf_queue pointer and pass it to videobuf_reqbufs().
 254 These support functions can replace a great deal of buffer management
 255 boilerplate in a lot of V4L2 drivers.
 256
 257 The vidioc_streamon() and vidioc_streamoff() functions will be a bit more
 258 complex, of course, since they will also need to deal with starting and
 259 stopping the capture engine.
 260
 261 Buffer allocation
 262
 263 Thus far, we have talked about buffers, but have not looked at how they are
 264 allocated.  The scatter/gather case is the most complex on this front.  For
 265 allocation, the driver can leave buffer allocation entirely up to the
 266 videobuf layer; in this case, buffers will be allocated as anonymous
 267 user-space pages and will be very scattered indeed.  If the application is
 268 using user-space buffers, no allocation is needed; the videobuf layer will
 269 take care of calling get_user_pages() and filling in the scatterlist array.
 270
 271 If the driver needs to do its own memory allocation, it should be done in
 272 the vidioc_reqbufs() function, *after* calling videobuf_reqbufs().  The
 273 first step is a call to:
 274
 275     struct videobuf_dmabuf *videobuf_to_dma(struct videobuf_buffer *buf);
 276
 277 The returned videobuf_dmabuf structure (defined in
 278 <media/videobuf-dma-sg.h>) includes a couple of relevant fields:
 279
 280     struct scatterlist  *sglist;
 281     int                 sglen;
 282
 283 The driver must allocate an appropriately-sized scatterlist array and
 284 populate it with pointers to the pieces of the allocated buffer; sglen
 285 should be set to the length of the array.
 286
 287 Drivers using the vmalloc() method need not (and cannot) concern themselves
 288 with buffer allocation at all; videobuf will handle those details.  The
 289 same is normally true of contiguous-DMA drivers as well; videobuf will
 290 allocate the buffers (with dma_alloc_coherent()) when it sees fit.  That
 291 means that these drivers may be trying to do high-order allocations at any
 292 time, an operation which is not always guaranteed to work.  Some drivers
 293 play tricks by allocating DMA space at system boot time; videobuf does not
 294 currently play well with those drivers.
 295
 296 As of 2.6.31, contiguous-DMA drivers can work with a user-supplied buffer,
 297 as long as that buffer is physically contiguous.  Normal user-space
 298 allocations will not meet that criterion, but buffers obtained from other
 299 kernel drivers, or those contained within huge pages, will work with these
 300 drivers.
 301
 302 Filling the buffers
 303
 304 The final part of a videobuf implementation has no direct callback - it's
 305 the portion of the code which actually puts frame data into the buffers,
 306 usually in response to interrupts from the device.  For all types of
 307 drivers, this process works approximately as follows:
 308
 309  - Obtain the next available buffer and make sure that somebody is actually
 310    waiting for it.
 311
 312  - Get a pointer to the memory and put video data there.
 313
 314  - Mark the buffer as done and wake up the process waiting for it.
 315
 316 Step (1) above is done by looking at the driver-managed list_head structure
 317 - the one which is filled in the buf_queue() callback.  Because starting
 318 the engine and enqueueing buffers are done in separate steps, it's possible
 319 for the engine to be running without any buffers available - in the
 320 vmalloc() case especially.  So the driver should be prepared for the list
 321 to be empty.  It is equally possible that nobody is yet interested in the
 322 buffer; the driver should not remove it from the list or fill it until a
 323 process is waiting on it.  That test can be done by examining the buffer's
 324 done field (a wait_queue_head_t structure) with waitqueue_active().
 325
 326 A buffer's state should be set to VIDEOBUF_ACTIVE before being mapped for
 327 DMA; that ensures that the videobuf layer will not try to do anything with
 328 it while the device is transferring data.
 329
 330 For scatter/gather drivers, the needed memory pointers will be found in the
 331 scatterlist structure described above.  Drivers using the vmalloc() method
 332 can get a memory pointer with:
 333
 334     void *videobuf_to_vmalloc(struct videobuf_buffer *buf);
 335
 336 For contiguous DMA drivers, the function to use is:
 337
 338     dma_addr_t videobuf_to_dma_contig(struct videobuf_buffer *buf);
 339
 340 The contiguous DMA API goes out of its way to hide the kernel-space address
 341 of the DMA buffer from drivers.
 342
 343 The final step is to set the size field of the relevant videobuf_buffer
 344 structure to the actual size of the captured image, set state to
 345 VIDEOBUF_DONE, then call wake_up() on the done queue.  At this point, the
 346 buffer is owned by the videobuf layer and the driver should not touch it
 347 again.
 348
 349 Developers who are interested in more information can go into the relevant
 350 header files; there are a few low-level functions declared there which have
 351 not been talked about here.  Also worthwhile is the vivi driver
 352 (drivers/media/video/vivi.c), which is maintained as an example of how V4L2
 353 drivers should be written.  Vivi only uses the vmalloc() API, but it's good
 354 enough to get started with.  Note also that all of these calls are exported
 355 GPL-only, so they will not be available to non-GPL kernel modules.