subdev子系统的注册与使用

原创已于 2025-08-29 09:55:19 修改 · 853 阅读

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#驱动开发 #c语言 #linux

于 2025-08-29 09:54:47 首次发布

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1. 序章：从“入职”到“开拍”

在之前的学习中，我们认识了 subdev 这位身怀绝技的“工作人员”（比如摄影师 Sensor）。但一个工作人员光有简历和技能还不够，他需要正式加入剧组（注册），并且能够听懂导演和制片人的指令（使用）。

这一讲，我们就将焦点完全放在 subdev 的生命周期上，解决两个核心问题：

Subdev 的“入职手续”是怎样办理的？ (内核注册过程)
“导演”（内核）和“制片人”（APP）如何向它下达指令？ (内核态与用户态的使用)

2. Subdev 的两种“岗位职责”

在办理入职手续前，我们首先要明确这个 subdev 的岗位职责。它决定了谁有权指挥它。主要分为两种模式：

幕后模式 (Kernel Internal):
- 职责描述: 这种 subdev 就像剧组里的场务或灯光助理，默默无闻地在幕后工作。它的所有操作都由“导演”（内核里的其他驱动，如 CSI/ISP 控制器）直接调用。
- 对用户: 上层 APP 完全感觉不到它的存在，摄像头驱动程序在内部“偷偷地”调用它的函数来完成硬件协同。
- 例子: 一个简单的镜头马达控制器，其对焦操作可能完全由 ISP 驱动在内部自动控制。
台前模式 (App Exposed):
- 职责描述: 对于功能复杂、参数繁多的硬件，比如 ISP，驱动程序需要提供一个途径，让“制片人”（APP）能够直接调整它的参数，就像导演指导演员的表演细节一样。
- 对用户: 这种 subdev 的函数会被“暴露”给用户空间，APP 可以通过操作一个设备文件来调用它们。
- 例子: 相机 APP 通过操作 ISP subdev 的设备节点，来调整降噪等级、锐度、色彩饱和度等参数。

3. 内核注册过程—— 办理“入职手续”

Subdev 的“入职手续”分为两步，由 V4L2 框架提供的标准函数完成。

第 1 步：登记到剧组花名册 (`v4l2_device_register_subdev`)

这是最基本、最核心的一步，所有 subdev 都必须执行。

int v4l2_device_register_subdev(struct v4l2_device *v4l2_dev,
				struct v4l2_subdev *sd);

// 核心代码
list_add_tail(&sd->list, &v4l2_dev->subdevs);

函数: int v4l2_device_register_subdev(struct v4l2_device *v4l2_dev, struct v4l2_subdev *sd);
作用: 这个函数将 subdev (工作人员) 注册到它所属的 v4l2_device (剧组) 中。
核心动作: 其本质就是 list_add_tail(&sd->list, &v4l2_dev->subdevs);，即将该 subdev 的链表节点挂载到 v4l2_device 的 subdevs 链表尾部。
意义: 从此，这个 subdev 就正式成为该设备的一部分，被内核统一管理。

第 2 步：分配独立的“休息室” (`v4l2_device_register_subdev_nodes`)

这一步是可选的，只针对需要暴露给 APP 的“台前模式”subdev。

int v4l2_device_register_subdev_nodes(struct v4l2_device *v4l2_dev);

v4l2_device_register_subdev_nodes
	struct video_device *vdev;
	vdev->fops = &v4l2_subdev_fops;
	err = __video_register_device(vdev, VFL_TYPE_SUBDEV, -1, 1,
					      sd->owner);
		name_base = "v4l-subdev";
		vdev->cdev->ops = &v4l2_fops;
		ret = cdev_add(vdev->cdev, MKDEV(VIDEO_MAJOR, vdev->minor), 1);

函数: int v4l2_device_register_subdev_nodes(struct v4l2_device *v4l2_dev);
作用: 这个函数会遍历（v4l2_device->subdevs 链表），检查（即 subdev->flags 中设置了 V4L2_SUBDEV_FL_HAS_DEVNODE 标志位），然后为举了手的 subdev 注册一个标准的字符设备节点，通常命名为 /dev/v4l-subdevX。
调用流程揭秘:
1. 为 subdev 分配一个 video_device 结构体（这是 Linux 视频设备的通用描述符）。
  
  设置两级操作集 (Two-Level fops): 这是理解调用流程的关键所在！
  - 底层 cdev 操作集: vdev->cdev->ops = &v4l2_fops; v4l2_fops 是 V4L2 框架的通用文件操作集。所有 V4L2 设备（无论是 video、vbi 还是 subdev）的字符设备 cdev 都使用它作为入口。它的 unlocked_ioctl 函数 (v4l2_ioctl) 是一个强大的中央调度器。
  - video_device 专属操作集: vdev->fops = &v4l2_subdev_fops; v4l2_subdev_fops 则是专为 subdev 节点准备的文件操作集。
  注册设备: 调用 __video_register_device，它内部会进一步调用 cdev_add，最终完成字符设备的注册。

工作原理: 这种两级设计非常精妙。当 APP 对 /dev/v4l-subdevX 发起 ioctl 时：
- VFS 首先调用的是底层 cdev 的 ops，也就是 v4l2_fops 里的 v4l2_ioctl 函数。
- v4l2_ioctl 这个中央调度器在做了一些通用检查后，会发现这是一个 subdev 类型的设备，于是它会进一步调用 video_device 专属的 fops，即 v4l2_subdev_fops 里的 unlocked_ioctl 函数 (subdev_ioctl)。
- 这样，调用就被精确地分发到了 subdev 的处理逻辑中。这种设计实现了通用逻辑（v4l2_fops）和特有逻辑（v4l2_subdev_fops）的完美分离。

4. Subdev 的使用 —— 下达工作指令

Subdev 注册成功后，就可以开始接收来自内核态和用户态的指令了。

4.1 内核态使用：导演的内部沟通

内核中的其他驱动（通常是桥接驱动）可以直接调用 subdev 的操作函数，但更推荐、更安全的方式是使用 v4l2_subdev_call 宏。

宏定义: #define v4l2_subdev_call(sd, o, f, args...)
示例: v4l2_subdev_call(sensor_sd, core, s_power, 1); // 打开 sensor 电源
来龙去脉: 这个宏的作用是在调用前进行一系列安全检查，如同一个严谨的副导演：
1. 检查 sd (subdev 实例) 是否为空？—— “摄影师在吗？”
2. 检查 sd->ops->o (操作类别，如 core) 是否为空？—— “他有核心技能手册吗？”
3. 检查 sd->ops->o->f (具体操作函数，如 s_power) 是否为空？—— “手册里写了怎么开机吗？” 只有所有检查都通过，才会执行真正的函数调用。这极大地增强了驱动代码的健壮性，避免了因调用空指针而导致的内核崩溃。

4.2 用户态使用：制片人的远程遥控

当 APP 对 /dev/v4l-subdevX 发起 ioctl 时，调用路径如下：
在这里插入图片描述

APP 发出指令
- 应用程序 open 打开设备文件，然后发起 ioctl() 系统调用。
VFS & CDEV 层 (第一级跳转)
- 内核的虚拟文件系统 (VFS) 根据设备号找到对应的 cdev (字符设备) 结构体。
- 它调用 cdev->ops->unlocked_ioctl。从图中清晰可见，这个指针指向 V4L2 框架的通用入口 v4l2_fops 里的 v4l2_ioctl 函数。
V4L2 中央调度器 (v4l2_ioctl)
- v4l2_ioctl 函数是一个“总调度员”，它会处理所有 V4L2 设备的 ioctl。
- 它通过 filp->private_data 找到对应的 video_device 结构体。
- 在进行了一系列通用检查后，它会将请求转发给 video_device 专属的操作集，即调用 vdev->fops->unlocked_ioctl。
Subdev 专属处理层 (第二级跳转)
- 从图中 video_device 的指针关系可以看到，对于 subdev 节点，vdev->fops 指向的是 v4l2_subdev_fops。
- 因此，v4l2_subdev_fops 里的 unlocked_ioctl 函数（即 subdev_ioctl）被调用。
命令分发与执行
- subdev_ioctl 调用 subdev_do_ioctl。
- subdev_do_ioctl 会通过 video_get_drvdata(vdev) 找到 v4l2_subdev 实例。
- 然后，它根据传入的 cmd (命令号)，在 switch-case 语句中找到对应的处理分支，最终通过 v4l2_subdev 实例中的 ops 指针，调用到我们驱动程序实现的具体函数，例如 pad->set_fmt。

这张图完美地诠释了分层与解耦的设计思想：VFS 只与 cdev 交互，cdev 交给通用的 V4L2 调度器，调度器再根据设备类型分发给专属的处理器，最终才到达具体的驱动实现。

总结

两种角色: subdev 可以只在内核内部被调用，也可以通过创建设备节点暴露给用户 APP。
两步注册: 通过 v4l2_device_register_subdev 加入“花名册”，再通过 v4l2_device_register_subdev_nodes 获得“独立休息室”。这个过程巧妙地运用了两级 fops 结构来实现通用与专用的分离。
两种调用方式: 内核通过安全的 v4l2_subdev_call 宏进行内部调度；APP 通过标准的 ioctl 接口，经由 v4l2_fops 和 v4l2_subdev_fops 的两级分发，对 subdev 进行远程遥控。