Linux驱动：VPU

1. 前言

限于作者能力水平，本文可能存在谬误，因此而给读者带来的损失，作者不做任何承诺。

2. 概述

VPU 是用来进行图像、视频数据进行硬件编、解码的硬件模块。内部集成了 Encoder、Decoder 功能部件进行图像、视频数据进行硬件编、解码，以加速处理。

3. VPU 工作原理

3.1 VPU 编码工作流程

            ---------------|   ---------   |
输入数据 -->|->| Encoder |->|-> 编码后的输出数据|   ---------   ||               ||   ---------   ||  | Decoder |  ||   ---------   |---------------

3.2 VPU解码工作流程

              ---------------|   ---------   ||  | Encoder |  ||   ---------   ||               ||   ---------   |输入数据 -->|->| Decoder |->|-> 解码后的输出数据|   ---------   |---------------

4. Linux 下的 VPU

4.1 驱动架构

VPU驱动 可基于 V4L2子系统 框架完成。
1. 分别为 Encoder 和 Decoder 各注册1个 /dev/videoX 设备(总共2个video设备)。

/* 注册 Encoder 设备 */
vfd->vfl_dir = VFL_DIR_M2M;
video_register_device(vfd, VFL_TYPE_GRABBER, ...)/* 注册 Decoder 设备 */
vfd->vfl_dir = VFL_DIR_M2M;
video_register_device(vfd, VFL_TYPE_GRABBER, ...)

设备数据传输方向为 VFL_DIR_M2M , 表明设备是设备完成的功能内存间的数据传输拷贝。
2. 在 open() 调用中，在打开文件句柄的私有数据 file_private 绑定设备 buffer 队列(vb2_queue)的类型、接口、IO模式、数据传输方向等。
这里以 Encoder 的 open() 调用为例加以说明:

/* Encoder【输入】数据队列初始化 */
encoder_vq_input.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE_MPLANE;
encoder_vq_input.io_modes = VB2_MMAP | VB2_USERPTR | VB2_DMABUF;
encoder_vq_input.ops = &xxx_vpu_encoder_qops;
encoder_vq_input.mem_ops = &vb2_dma_contig_memops;
...
vb2_queue_init(&encoder_vq_input);/* Encoder【输出】数据队列初始化 */
encoder_vq_output.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE_MPLANE;
encoder_vq_output.io_modes = VB2_MMAP | VB2_USERPTR | VB2_DMABUF;
encoder_vq_output.ops = &xxx_vpu_encoder_qops;
encoder_vq_output.mem_ops = &vb2_dma_contig_memops;
...
vb2_queue_init(&encoder_vq_output);...

4.2 用户空间编程框架(Encoder编码示例)

/* 打开设备(/dev/videoX为Encoder设备) */
fd = open("/dev/videoX", O_RDWR);/* 设置输入、输出数据格式 *//* 设置编码【输入】数据格式 */
fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE_MPLANE;
...
ioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt);
/* 设置编码【输出】数据格式 */
fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT_MPLANE;
...
ioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt);/* 请求输入、输出buffer，然后映射内核buffer到用户空间(IO模式为 V4l2_MEMORY_MMAP) *//* 请求【输入】buffer并映射到用户空间 */
rb.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE_MPLANE;
rb.memory = V4l2_MEMORY_MMAP;
rb.count = 1;
ioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &rb);buf.index = i;
buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE_MPLANE;
buf.memory = V4l2_MEMORY_MMAP;
buf.length = num_input_planes;
buf.m.planes = input_planes;
ioctl(fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf);input_buffer.start = mmap(0, ..., PROT_READ|PROT_WRITE, ...);
input_buffer.length = ...;/* 请求【输出】buffer并映射到用户空间 */
rb.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE_MPLANE;
rb.memory = V4l2_MEMORY_MMAP;
rb.count = 1;
ioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &rb);buf.index = i;
buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE_MPLANE;
buf.memory = V4l2_MEMORY_MMAP;
buf.length = num_output_planes;
buf.m.planes = output_planes;
ioctl(fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf);output_buffer.start = mmap(0, ..., PROT_READ|PROT_WRITE, ...);
output_buffer.length = ...;/* 将【输出】buffer入队，然后开启【输出流】 */
buf.index = i;
buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT_MPLANE;
buf.memory = V4l2_MEMORY_MMAP;
buf.length = num_output_planes;
buf.m.planes = output_planes;
output_planes[i].bytesused = output_planes[i].length;
ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf);type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT_MPLANE;
ioctl(fd, VIDIOC_STREAMON, &type);/* 设置编码输入数据，将【输入】buffer入队，然后开启【输入流】 */
/* 设置编码输入数据 */
memcpy(input_buffer.start, input_data, input_data_size);buf.index = i;
buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE_MPLANE;
buf.memory = V4l2_MEMORY_MMAP;
buf.length = num_input_planes;
buf.m.planes = input_planes;
input_planes[i].bytesused = input_planes[i].length;
ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf);type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE_MPLANE;
ioctl(fd, VIDIOC_STREAMON, &type);/* 出队编码队列(vb2_queue)中就绪的【输出缓冲】 */
(vb2_buffer/v4l2_buffer, vb2_plane/v4l2_plane)
buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT_MPLANE;
buf.memory = V4L2_MEM_TYPE;
buf.length = num_output_planes;
buf.m.planes = output_planes;
ioctl(fd, VIDIOC_DQBUF, &buf);/* 拷贝编码好的数据到目的缓冲(假定 output plane 数目为1) */
memcpy(output_data, output_buffer.start,  buf.m.planes[0].bytesused);/* 关闭设备 */
close(fd);

4.3 VPU 驱动工作流程小结

                                               VPU-----------------------------|   -----------------------   ||  |       Encoder         |  ||  |   -----------------   |  |--->|->|->| encoding buffer |->|->|--->^    |  |   -----------------   |  |    |输入数据队列(vb2_queue)	   |    |   -----------------------   |    |      输出数据队列(vb2_queue)-----------------------    |    |                             |    |     -----------------------|      vb2_buffer[]     |-->|    |   -----------------------   |    |--> |       vb2_buffer[]     |-----------------------	   |    |  |       Decoder         |  |    |     -----------------------v    |  |  -----------------    |  |    |--->|->|->| decoding buffer |->|->|--->|  |  -----------------    |  ||   -----------------------   |-----------------------------

Encoder/Decoder完成编、解码动作后:

(1) 拷贝编、解码后的数据到输出队列中某个vb2_buffer的缓冲:   memcpy(output_buffer, input_buffer, size);
(2) 标记输入数据队列中某个vb2_buffer中的数据编、解码完成: vb2_buffer_done(&in_vb, VB2_BUF_STATE_DONE);
(3) 设置输出缓冲负载(输出数据大小): vb2_set_plane_payload(&out_vb, 0, size);
(4) 标记输出数据队列中某个vb2_buffer中的数据编、解码输出数据就绪: vb2_buffer_done(&out_vb, VB2_BUF_STATE_DONE);

4.4 示例

这是一个实际的范例，来自开源方案 FrienlyARM：VPU范例 。
该方案基于 S5P6818 的 SoC 。

4.4.1 FrienlyARM的方案内核NX VPU驱动补丁

/** drivers/media/platform/nx-vpu/nx_vpu_enc_v4l2.c */
void vpu_enc_get_seq_info(struct nx_vpu_ctx *ctx)
{.../* 注释下面这一段代码 *//*{struct nx_vpu_buf *dst_mb;unsigned long flags;spin_lock_irqsave(&ctx->dev->irqlock, flags);dst_mb = list_entry(ctx->strm_queue.next, struct nx_vpu_buf,list);list_del(&dst_mb->list);ctx->strm_queue_cnt--;vb2_set_plane_payload(&dst_mb->vb, 0, ctx->strm_size);vb2_buffer_done(&dst_mb->vb, VB2_BUF_STATE_DONE);spin_unlock_irqrestore(&ctx->dev->irqlock, flags);}*/
}static void nx_vpu_enc_buf_queue(struct vb2_buffer *vb)
{...if (vq->type == V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT_MPLANE) {...} else if (vq->type == V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE_MPLANE) {buf->used = 0;if (ctx->img_fmt.num_planes == 1)NX_DbgMsg(INFO_MSG, "adding to src: %p(%08lx)\n",vb, (unsigned long)nx_vpu_mem_plane_addr(ctx, vb, 0));else if (ctx->img_fmt.num_planes == 2)NX_DbgMsg(INFO_MSG, "adding to src: %p(%08lx, %08lx)\n",vb, (unsigned long)nx_vpu_mem_plane_addr(ctx, vb, 0),(unsigned long)nx_vpu_mem_plane_addr(ctx, vb, 1));else if (ctx->img_fmt.num_planes == 3)NX_DbgMsg(INFO_MSG, "adding to src: %p(%08lx, %08lx, %08lx)\n",vb, (unsigned long)nx_vpu_mem_plane_addr(ctx, vb, 0),(unsigned long)nx_vpu_mem_plane_addr(ctx, vb, 1),(unsigned long)nx_vpu_mem_plane_addr(ctx, vb, 2));}...
}int nx_vpu_enc_open(struct nx_vpu_ctx *ctx)
{...ctx->vq_img.io_modes = VB2_MMAP | VB2_USERPTR | VB2_DMABUF;......ctx->vq_strm.io_modes = VB2_MMAP | VB2_USERPTR | VB2_DMABUF;...
}

/** drivers\media\platform\nx-vpu\nx_vpu_v4l2.c*/
#define	DST_QUEUE_OFF_BASE	(1 << 30)int vidioc_querybuf(struct file *file, void *priv, struct v4l2_buffer *buf)
{struct nx_vpu_ctx *ctx = fh_to_ctx(file->private_data);int ret = 0;FUNC_IN();...if (buf->type == V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT_MPLANE) {...} else if (buf->type == V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE_MPLANE) {...//buf->m.planes[0].m.mem_offset += DST_QUEUE_OFF_BASE;/* Adjust MMAP memory offsets for the CAPTURE queue */if (buf->memory == V4L2_MEMORY_MMAP /*&& !V4L2_TYPE_IS_OUTPUT(ctx->vq_img->type)*/) {if (V4L2_TYPE_IS_MULTIPLANAR(ctx->vq_img.type)) {int i;for (i = 0; i < buf->length; ++i)buf->m.planes[i].m.mem_offset += DST_QUEUE_OFF_BASE;} else {buf->m.offset += DST_QUEUE_OFF_BASE;}}} else {...}return ret;
}

我为 S5P6818 的 VPU 编写了一个测试程序 nxvpu-yuv2jpg.c ，该程序用于将 YUV420 或 GREY 格式数据转换为 MJEPG 格式数据，实现代码见 S5P6818 VPU测试范例代码 。

5. 参考资料

https://wiki.friendlyelec.com/wiki/index.php/NanoPC-T3_Plus/zh