Merge branch 'simplify_PRT' into release
[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 This is a rough schematic of how it all relates:
53
54     device instances
55       |
56       +-sub-device instances
57       |
58       \-V4L2 device nodes
59           |
60           \-filehandle instances
61
62
63 Structure of the framework
64 --------------------------
65
66 The framework closely resembles the driver structure: it has a v4l2_device
67 struct for the device instance data, a v4l2_subdev struct to refer to
68 sub-device instances, the video_device struct stores V4L2 device node data
69 and in the future a v4l2_fh struct will keep track of filehandle instances
70 (this is not yet implemented).
71
72
73 struct v4l2_device
74 ------------------
75
76 Each device instance is represented by a struct v4l2_device (v4l2-device.h).
77 Very simple devices can just allocate this struct, but most of the time you
78 would embed this struct inside a larger struct.
79
80 You must register the device instance:
81
82         v4l2_device_register(struct device *dev, struct v4l2_device *v4l2_dev);
83
84 Registration will initialize the v4l2_device struct and link dev->driver_data
85 to v4l2_dev. Registration will also set v4l2_dev->name to a value derived from
86 dev (driver name followed by the bus_id, to be precise). You may change the
87 name after registration if you want.
88
89 The first 'dev' argument is normally the struct device pointer of a pci_dev,
90 usb_device or platform_device.
91
92 You unregister with:
93
94         v4l2_device_unregister(struct v4l2_device *v4l2_dev);
95
96 Unregistering will also automatically unregister all subdevs from the device.
97
98 Sometimes you need to iterate over all devices registered by a specific
99 driver. This is usually the case if multiple device drivers use the same
100 hardware. E.g. the ivtvfb driver is a framebuffer driver that uses the ivtv
101 hardware. The same is true for alsa drivers for example.
102
103 You can iterate over all registered devices as follows:
104
105 static int callback(struct device *dev, void *p)
106 {
107         struct v4l2_device *v4l2_dev = dev_get_drvdata(dev);
108
109         /* test if this device was inited */
110         if (v4l2_dev == NULL)
111                 return 0;
112         ...
113         return 0;
114 }
115
116 int iterate(void *p)
117 {
118         struct device_driver *drv;
119         int err;
120
121         /* Find driver 'ivtv' on the PCI bus.
122            pci_bus_type is a global. For USB busses use usb_bus_type. */
123         drv = driver_find("ivtv", &pci_bus_type);
124         /* iterate over all ivtv device instances */
125         err = driver_for_each_device(drv, NULL, p, callback);
126         put_driver(drv);
127         return err;
128 }
129
130 Sometimes you need to keep a running counter of the device instance. This is
131 commonly used to map a device instance to an index of a module option array.
132
133 The recommended approach is as follows:
134
135 static atomic_t drv_instance = ATOMIC_INIT(0);
136
137 static int __devinit drv_probe(struct pci_dev *dev,
138                                 const struct pci_device_id *pci_id)
139 {
140         ...
141         state->instance = atomic_inc_return(&drv_instance) - 1;
142 }
143
144
145 struct v4l2_subdev
146 ------------------
147
148 Many drivers need to communicate with sub-devices. These devices can do all
149 sort of tasks, but most commonly they handle audio and/or video muxing,
150 encoding or decoding. For webcams common sub-devices are sensors and camera
151 controllers.
152
153 Usually these are I2C devices, but not necessarily. In order to provide the
154 driver with a consistent interface to these sub-devices the v4l2_subdev struct
155 (v4l2-subdev.h) was created.
156
157 Each sub-device driver must have a v4l2_subdev struct. This struct can be
158 stand-alone for simple sub-devices or it might be embedded in a larger struct
159 if more state information needs to be stored. Usually there is a low-level
160 device struct (e.g. i2c_client) that contains the device data as setup
161 by the kernel. It is recommended to store that pointer in the private
162 data of v4l2_subdev using v4l2_set_subdevdata(). That makes it easy to go
163 from a v4l2_subdev to the actual low-level bus-specific device data.
164
165 You also need a way to go from the low-level struct to v4l2_subdev. For the
166 common i2c_client struct the i2c_set_clientdata() call is used to store a
167 v4l2_subdev pointer, for other busses you may have to use other methods.
168
169 From the bridge driver perspective you load the sub-device module and somehow
170 obtain the v4l2_subdev pointer. For i2c devices this is easy: you call
171 i2c_get_clientdata(). For other busses something similar needs to be done.
172 Helper functions exists for sub-devices on an I2C bus that do most of this
173 tricky work for you.
174
175 Each v4l2_subdev contains function pointers that sub-device drivers can
176 implement (or leave NULL if it is not applicable). Since sub-devices can do
177 so many different things and you do not want to end up with a huge ops struct
178 of which only a handful of ops are commonly implemented, the function pointers
179 are sorted according to category and each category has its own ops struct.
180
181 The top-level ops struct contains pointers to the category ops structs, which
182 may be NULL if the subdev driver does not support anything from that category.
183
184 It looks like this:
185
186 struct v4l2_subdev_core_ops {
187         int (*g_chip_ident)(struct v4l2_subdev *sd, struct v4l2_dbg_chip_ident *chip);
188         int (*log_status)(struct v4l2_subdev *sd);
189         int (*init)(struct v4l2_subdev *sd, u32 val);
190         ...
191 };
192
193 struct v4l2_subdev_tuner_ops {
194         ...
195 };
196
197 struct v4l2_subdev_audio_ops {
198         ...
199 };
200
201 struct v4l2_subdev_video_ops {
202         ...
203 };
204
205 struct v4l2_subdev_ops {
206         const struct v4l2_subdev_core_ops  *core;
207         const struct v4l2_subdev_tuner_ops *tuner;
208         const struct v4l2_subdev_audio_ops *audio;
209         const struct v4l2_subdev_video_ops *video;
210 };
211
212 The core ops are common to all subdevs, the other categories are implemented
213 depending on the sub-device. E.g. a video device is unlikely to support the
214 audio ops and vice versa.
215
216 This setup limits the number of function pointers while still making it easy
217 to add new ops and categories.
218
219 A sub-device driver initializes the v4l2_subdev struct using:
220
221         v4l2_subdev_init(subdev, &ops);
222
223 Afterwards you need to initialize subdev->name with a unique name and set the
224 module owner. This is done for you if you use the i2c helper functions.
225
226 A device (bridge) driver needs to register the v4l2_subdev with the
227 v4l2_device:
228
229         int err = v4l2_device_register_subdev(device, subdev);
230
231 This can fail if the subdev module disappeared before it could be registered.
232 After this function was called successfully the subdev->dev field points to
233 the v4l2_device.
234
235 You can unregister a sub-device using:
236
237         v4l2_device_unregister_subdev(subdev);
238
239 Afterwards the subdev module can be unloaded and subdev->dev == NULL.
240
241 You can call an ops function either directly:
242
243         err = subdev->ops->core->g_chip_ident(subdev, &chip);
244
245 but it is better and easier to use this macro:
246
247         err = v4l2_subdev_call(subdev, core, g_chip_ident, &chip);
248
249 The macro will to the right NULL pointer checks and returns -ENODEV if subdev
250 is NULL, -ENOIOCTLCMD if either subdev->core or subdev->core->g_chip_ident is
251 NULL, or the actual result of the subdev->ops->core->g_chip_ident ops.
252
253 It is also possible to call all or a subset of the sub-devices:
254
255         v4l2_device_call_all(dev, 0, core, g_chip_ident, &chip);
256
257 Any subdev that does not support this ops is skipped and error results are
258 ignored. If you want to check for errors use this:
259
260         err = v4l2_device_call_until_err(dev, 0, core, g_chip_ident, &chip);
261
262 Any error except -ENOIOCTLCMD will exit the loop with that error. If no
263 errors (except -ENOIOCTLCMD) occured, then 0 is returned.
264
265 The second argument to both calls is a group ID. If 0, then all subdevs are
266 called. If non-zero, then only those whose group ID match that value will
267 be called. Before a bridge driver registers a subdev it can set subdev->grp_id
268 to whatever value it wants (it's 0 by default). This value is owned by the
269 bridge driver and the sub-device driver will never modify or use it.
270
271 The group ID gives the bridge driver more control how callbacks are called.
272 For example, there may be multiple audio chips on a board, each capable of
273 changing the volume. But usually only one will actually be used when the
274 user want to change the volume. You can set the group ID for that subdev to
275 e.g. AUDIO_CONTROLLER and specify that as the group ID value when calling
276 v4l2_device_call_all(). That ensures that it will only go to the subdev
277 that needs it.
278
279 The advantage of using v4l2_subdev is that it is a generic struct and does
280 not contain any knowledge about the underlying hardware. So a driver might
281 contain several subdevs that use an I2C bus, but also a subdev that is
282 controlled through GPIO pins. This distinction is only relevant when setting
283 up the device, but once the subdev is registered it is completely transparent.
284
285
286 I2C sub-device drivers
287 ----------------------
288
289 Since these drivers are so common, special helper functions are available to
290 ease the use of these drivers (v4l2-common.h).
291
292 The recommended method of adding v4l2_subdev support to an I2C driver is to
293 embed the v4l2_subdev struct into the state struct that is created for each
294 I2C device instance. Very simple devices have no state struct and in that case
295 you can just create a v4l2_subdev directly.
296
297 A typical state struct would look like this (where 'chipname' is replaced by
298 the name of the chip):
299
300 struct chipname_state {
301         struct v4l2_subdev sd;
302         ...  /* additional state fields */
303 };
304
305 Initialize the v4l2_subdev struct as follows:
306
307         v4l2_i2c_subdev_init(&state->sd, client, subdev_ops);
308
309 This function will fill in all the fields of v4l2_subdev and ensure that the
310 v4l2_subdev and i2c_client both point to one another.
311
312 You should also add a helper inline function to go from a v4l2_subdev pointer
313 to a chipname_state struct:
314
315 static inline struct chipname_state *to_state(struct v4l2_subdev *sd)
316 {
317         return container_of(sd, struct chipname_state, sd);
318 }
319
320 Use this to go from the v4l2_subdev struct to the i2c_client struct:
321
322         struct i2c_client *client = v4l2_get_subdevdata(sd);
323
324 And this to go from an i2c_client to a v4l2_subdev struct:
325
326         struct v4l2_subdev *sd = i2c_get_clientdata(client);
327
328 Finally you need to make a command function to make driver->command()
329 call the right subdev_ops functions:
330
331 static int subdev_command(struct i2c_client *client, unsigned cmd, void *arg)
332 {
333         return v4l2_subdev_command(i2c_get_clientdata(client), cmd, arg);
334 }
335
336 If driver->command is never used then you can leave this out. Eventually the
337 driver->command usage should be removed from v4l.
338
339 Make sure to call v4l2_device_unregister_subdev(sd) when the remove() callback
340 is called. This will unregister the sub-device from the bridge driver. It is
341 safe to call this even if the sub-device was never registered.
342
343
344 The bridge driver also has some helper functions it can use:
345
346 struct v4l2_subdev *sd = v4l2_i2c_new_subdev(adapter, "module_foo", "chipid", 0x36);
347
348 This loads the given module (can be NULL if no module needs to be loaded) and
349 calls i2c_new_device() with the given i2c_adapter and chip/address arguments.
350 If all goes well, then it registers the subdev with the v4l2_device. It gets
351 the v4l2_device by calling i2c_get_adapdata(adapter), so you should make sure
352 that adapdata is set to v4l2_device when you setup the i2c_adapter in your
353 driver.
354
355 You can also use v4l2_i2c_new_probed_subdev() which is very similar to
356 v4l2_i2c_new_subdev(), except that it has an array of possible I2C addresses
357 that it should probe. Internally it calls i2c_new_probed_device().
358
359 Both functions return NULL if something went wrong.
360
361
362 struct video_device
363 -------------------
364
365 The actual device nodes in the /dev directory are created using the
366 video_device struct (v4l2-dev.h). This struct can either be allocated
367 dynamically or embedded in a larger struct.
368
369 To allocate it dynamically use:
370
371         struct video_device *vdev = video_device_alloc();
372
373         if (vdev == NULL)
374                 return -ENOMEM;
375
376         vdev->release = video_device_release;
377
378 If you embed it in a larger struct, then you must set the release()
379 callback to your own function:
380
381         struct video_device *vdev = &my_vdev->vdev;
382
383         vdev->release = my_vdev_release;
384
385 The release callback must be set and it is called when the last user
386 of the video device exits.
387
388 The default video_device_release() callback just calls kfree to free the
389 allocated memory.
390
391 You should also set these fields:
392
393 - v4l2_dev: set to the v4l2_device parent device.
394 - name: set to something descriptive and unique.
395 - fops: set to the v4l2_file_operations struct.
396 - ioctl_ops: if you use the v4l2_ioctl_ops to simplify ioctl maintenance
397   (highly recommended to use this and it might become compulsory in the
398   future!), then set this to your v4l2_ioctl_ops struct.
399
400 If you use v4l2_ioctl_ops, then you should set either .unlocked_ioctl or
401 .ioctl to video_ioctl2 in your v4l2_file_operations struct.
402
403 The v4l2_file_operations struct is a subset of file_operations. The main
404 difference is that the inode argument is omitted since it is never used.
405
406
407 video_device registration
408 -------------------------
409
410 Next you register the video device: this will create the character device
411 for you.
412
413         err = video_register_device(vdev, VFL_TYPE_GRABBER, -1);
414         if (err) {
415                 video_device_release(vdev); /* or kfree(my_vdev); */
416                 return err;
417         }
418
419 Which device is registered depends on the type argument. The following
420 types exist:
421
422 VFL_TYPE_GRABBER: videoX for video input/output devices
423 VFL_TYPE_VBI: vbiX for vertical blank data (i.e. closed captions, teletext)
424 VFL_TYPE_RADIO: radioX for radio tuners
425 VFL_TYPE_VTX: vtxX for teletext devices (deprecated, don't use)
426
427 The last argument gives you a certain amount of control over the device
428 kernel number used (i.e. the X in videoX). Normally you will pass -1 to
429 let the v4l2 framework pick the first free number. But if a driver creates
430 many devices, then it can be useful to have different video devices in
431 separate ranges. For example, video capture devices start at 0, video
432 output devices start at 16.
433
434 So you can use the last argument to specify a minimum kernel number and
435 the v4l2 framework will try to pick the first free number that is equal
436 or higher to what you passed. If that fails, then it will just pick the
437 first free number.
438
439 Whenever a device node is created some attributes are also created for you.
440 If you look in /sys/class/video4linux you see the devices. Go into e.g.
441 video0 and you will see 'name' and 'index' attributes. The 'name' attribute
442 is the 'name' field of the video_device struct. The 'index' attribute is
443 a device node index that can be assigned by the driver, or that is calculated
444 for you.
445
446 If you call video_register_device(), then the index is just increased by
447 1 for each device node you register. The first video device node you register
448 always starts off with 0.
449
450 Alternatively you can call video_register_device_index() which is identical
451 to video_register_device(), but with an extra index argument. Here you can
452 pass a specific index value (between 0 and 31) that should be used.
453
454 Users can setup udev rules that utilize the index attribute to make fancy
455 device names (e.g. 'mpegX' for MPEG video capture device nodes).
456
457 After the device was successfully registered, then you can use these fields:
458
459 - vfl_type: the device type passed to video_register_device.
460 - minor: the assigned device minor number.
461 - num: the device kernel number (i.e. the X in videoX).
462 - index: the device index number (calculated or set explicitly using
463   video_register_device_index).
464
465 If the registration failed, then you need to call video_device_release()
466 to free the allocated video_device struct, or free your own struct if the
467 video_device was embedded in it. The vdev->release() callback will never
468 be called if the registration failed, nor should you ever attempt to
469 unregister the device if the registration failed.
470
471
472 video_device cleanup
473 --------------------
474
475 When the video device nodes have to be removed, either during the unload
476 of the driver or because the USB device was disconnected, then you should
477 unregister them:
478
479         video_unregister_device(vdev);
480
481 This will remove the device nodes from sysfs (causing udev to remove them
482 from /dev).
483
484 After video_unregister_device() returns no new opens can be done.
485
486 However, in the case of USB devices some application might still have one
487 of these device nodes open. You should block all new accesses to read,
488 write, poll, etc. except possibly for certain ioctl operations like
489 queueing buffers.
490
491 When the last user of the video device node exits, then the vdev->release()
492 callback is called and you can do the final cleanup there.
493
494
495 video_device helper functions
496 -----------------------------
497
498 There are a few useful helper functions:
499
500 You can set/get driver private data in the video_device struct using:
501
502 void *video_get_drvdata(struct video_device *dev);
503 void video_set_drvdata(struct video_device *dev, void *data);
504
505 Note that you can safely call video_set_drvdata() before calling
506 video_register_device().
507
508 And this function:
509
510 struct video_device *video_devdata(struct file *file);
511
512 returns the video_device belonging to the file struct.
513
514 The final helper function combines video_get_drvdata with
515 video_devdata:
516
517 void *video_drvdata(struct file *file);
518
519 You can go from a video_device struct to the v4l2_device struct using:
520
521 struct v4l2_device *v4l2_dev = vdev->v4l2_dev;