Merge branch 'v4l_for_linus' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/mchehab...
[firefly-linux-kernel-4.4.55.git] / Documentation / DocBook / media / v4l / dev-subdev.xml
1   <title>Sub-device Interface</title>
2
3   <note>
4     <title>Experimental</title>
5     <para>This is an <link linkend="experimental">experimental</link>
6     interface and may change in the future.</para>
7   </note>
8
9   <para>The complex nature of V4L2 devices, where hardware is often made of
10   several integrated circuits that need to interact with each other in a
11   controlled way, leads to complex V4L2 drivers. The drivers usually reflect
12   the hardware model in software, and model the different hardware components
13   as software blocks called sub-devices.</para>
14
15   <para>V4L2 sub-devices are usually kernel-only objects. If the V4L2 driver
16   implements the media device API, they will automatically inherit from media
17   entities. Applications will be able to enumerate the sub-devices and discover
18   the hardware topology using the media entities, pads and links enumeration
19   API.</para>
20
21   <para>In addition to make sub-devices discoverable, drivers can also choose
22   to make them directly configurable by applications. When both the sub-device
23   driver and the V4L2 device driver support this, sub-devices will feature a
24   character device node on which ioctls can be called to
25   <itemizedlist>
26     <listitem><para>query, read and write sub-devices controls</para></listitem>
27     <listitem><para>subscribe and unsubscribe to events and retrieve them</para></listitem>
28     <listitem><para>negotiate image formats on individual pads</para></listitem>
29   </itemizedlist>
30   </para>
31
32   <para>Sub-device character device nodes, conventionally named
33   <filename>/dev/v4l-subdev*</filename>, use major number 81.</para>
34
35   <section>
36     <title>Controls</title>
37     <para>Most V4L2 controls are implemented by sub-device hardware. Drivers
38     usually merge all controls and expose them through video device nodes.
39     Applications can control all sub-devices through a single interface.</para>
40
41     <para>Complex devices sometimes implement the same control in different
42     pieces of hardware. This situation is common in embedded platforms, where
43     both sensors and image processing hardware implement identical functions,
44     such as contrast adjustment, white balance or faulty pixels correction. As
45     the V4L2 controls API doesn't support several identical controls in a single
46     device, all but one of the identical controls are hidden.</para>
47
48     <para>Applications can access those hidden controls through the sub-device
49     node with the V4L2 control API described in <xref linkend="control" />. The
50     ioctls behave identically as when issued on V4L2 device nodes, with the
51     exception that they deal only with controls implemented in the sub-device.
52     </para>
53
54     <para>Depending on the driver, those controls might also be exposed through
55     one (or several) V4L2 device nodes.</para>
56   </section>
57
58   <section>
59     <title>Events</title>
60     <para>V4L2 sub-devices can notify applications of events as described in
61     <xref linkend="event" />. The API behaves identically as when used on V4L2
62     device nodes, with the exception that it only deals with events generated by
63     the sub-device. Depending on the driver, those events might also be reported
64     on one (or several) V4L2 device nodes.</para>
65   </section>
66
67   <section id="pad-level-formats">
68     <title>Pad-level Formats</title>
69
70     <warning><para>Pad-level formats are only applicable to very complex device that
71     need to expose low-level format configuration to user space. Generic V4L2
72     applications do <emphasis>not</emphasis> need to use the API described in
73     this section.</para></warning>
74
75     <note><para>For the purpose of this section, the term
76     <wordasword>format</wordasword> means the combination of media bus data
77     format, frame width and frame height.</para></note>
78
79     <para>Image formats are typically negotiated on video capture and
80     output devices using the format and <link
81     linkend="vidioc-subdev-g-selection">selection</link> ioctls. The
82     driver is responsible for configuring every block in the video
83     pipeline according to the requested format at the pipeline input
84     and/or output.</para>
85
86     <para>For complex devices, such as often found in embedded systems,
87     identical image sizes at the output of a pipeline can be achieved using
88     different hardware configurations. One such example is shown on
89     <xref linkend="pipeline-scaling" />, where
90     image scaling can be performed on both the video sensor and the host image
91     processing hardware.</para>
92
93     <figure id="pipeline-scaling">
94       <title>Image Format Negotiation on Pipelines</title>
95       <mediaobject>
96         <imageobject>
97           <imagedata fileref="pipeline.pdf" format="PS" />
98         </imageobject>
99         <imageobject>
100           <imagedata fileref="pipeline.png" format="PNG" />
101         </imageobject>
102         <textobject>
103           <phrase>High quality and high speed pipeline configuration</phrase>
104         </textobject>
105       </mediaobject>
106     </figure>
107
108     <para>The sensor scaler is usually of less quality than the host scaler, but
109     scaling on the sensor is required to achieve higher frame rates. Depending
110     on the use case (quality vs. speed), the pipeline must be configured
111     differently. Applications need to configure the formats at every point in
112     the pipeline explicitly.</para>
113
114     <para>Drivers that implement the <link linkend="media-controller-intro">media
115     API</link> can expose pad-level image format configuration to applications.
116     When they do, applications can use the &VIDIOC-SUBDEV-G-FMT; and
117     &VIDIOC-SUBDEV-S-FMT; ioctls. to negotiate formats on a per-pad basis.</para>
118
119     <para>Applications are responsible for configuring coherent parameters on
120     the whole pipeline and making sure that connected pads have compatible
121     formats. The pipeline is checked for formats mismatch at &VIDIOC-STREAMON;
122     time, and an &EPIPE; is then returned if the configuration is
123     invalid.</para>
124
125     <para>Pad-level image format configuration support can be tested by calling
126     the &VIDIOC-SUBDEV-G-FMT; ioctl on pad 0. If the driver returns an &EINVAL;
127     pad-level format configuration is not supported by the sub-device.</para>
128
129     <section>
130       <title>Format Negotiation</title>
131
132       <para>Acceptable formats on pads can (and usually do) depend on a number
133       of external parameters, such as formats on other pads, active links, or
134       even controls. Finding a combination of formats on all pads in a video
135       pipeline, acceptable to both application and driver, can't rely on formats
136       enumeration only. A format negotiation mechanism is required.</para>
137
138       <para>Central to the format negotiation mechanism are the get/set format
139       operations. When called with the <structfield>which</structfield> argument
140       set to <constant>V4L2_SUBDEV_FORMAT_TRY</constant>, the
141       &VIDIOC-SUBDEV-G-FMT; and &VIDIOC-SUBDEV-S-FMT; ioctls operate on a set of
142       formats parameters that are not connected to the hardware configuration.
143       Modifying those 'try' formats leaves the device state untouched (this
144       applies to both the software state stored in the driver and the hardware
145       state stored in the device itself).</para>
146
147       <para>While not kept as part of the device state, try formats are stored
148       in the sub-device file handles. A &VIDIOC-SUBDEV-G-FMT; call will return
149       the last try format set <emphasis>on the same sub-device file
150       handle</emphasis>. Several applications querying the same sub-device at
151       the same time will thus not interact with each other.</para>
152
153       <para>To find out whether a particular format is supported by the device,
154       applications use the &VIDIOC-SUBDEV-S-FMT; ioctl. Drivers verify and, if
155       needed, change the requested <structfield>format</structfield> based on
156       device requirements and return the possibly modified value. Applications
157       can then choose to try a different format or accept the returned value and
158       continue.</para>
159
160       <para>Formats returned by the driver during a negotiation iteration are
161       guaranteed to be supported by the device. In particular, drivers guarantee
162       that a returned format will not be further changed if passed to an
163       &VIDIOC-SUBDEV-S-FMT; call as-is (as long as external parameters, such as
164       formats on other pads or links' configuration are not changed).</para>
165
166       <para>Drivers automatically propagate formats inside sub-devices. When a
167       try or active format is set on a pad, corresponding formats on other pads
168       of the same sub-device can be modified by the driver. Drivers are free to
169       modify formats as required by the device. However, they should comply with
170       the following rules when possible:
171       <itemizedlist>
172         <listitem><para>Formats should be propagated from sink pads to source pads.
173         Modifying a format on a source pad should not modify the format on any
174         sink pad.</para></listitem>
175         <listitem><para>Sub-devices that scale frames using variable scaling factors
176         should reset the scale factors to default values when sink pads formats
177         are modified. If the 1:1 scaling ratio is supported, this means that
178         source pads formats should be reset to the sink pads formats.</para></listitem>
179       </itemizedlist>
180       </para>
181
182       <para>Formats are not propagated across links, as that would involve
183       propagating them from one sub-device file handle to another. Applications
184       must then take care to configure both ends of every link explicitly with
185       compatible formats. Identical formats on the two ends of a link are
186       guaranteed to be compatible. Drivers are free to accept different formats
187       matching device requirements as being compatible.</para>
188
189       <para><xref linkend="sample-pipeline-config" />
190       shows a sample configuration sequence for the pipeline described in
191       <xref linkend="pipeline-scaling" /> (table
192       columns list entity names and pad numbers).</para>
193
194       <table pgwide="0" frame="none" id="sample-pipeline-config">
195         <title>Sample Pipeline Configuration</title>
196         <tgroup cols="3">
197           <colspec colname="what"/>
198           <colspec colname="sensor-0" />
199           <colspec colname="frontend-0" />
200           <colspec colname="frontend-1" />
201           <colspec colname="scaler-0" />
202           <colspec colname="scaler-1" />
203           <thead>
204             <row>
205               <entry></entry>
206               <entry>Sensor/0</entry>
207               <entry>Frontend/0</entry>
208               <entry>Frontend/1</entry>
209               <entry>Scaler/0</entry>
210               <entry>Scaler/1</entry>
211             </row>
212           </thead>
213           <tbody valign="top">
214             <row>
215               <entry>Initial state</entry>
216               <entry>2048x1536</entry>
217               <entry>-</entry>
218               <entry>-</entry>
219               <entry>-</entry>
220               <entry>-</entry>
221             </row>
222             <row>
223               <entry>Configure frontend input</entry>
224               <entry>2048x1536</entry>
225               <entry><emphasis>2048x1536</emphasis></entry>
226               <entry><emphasis>2046x1534</emphasis></entry>
227               <entry>-</entry>
228               <entry>-</entry>
229             </row>
230             <row>
231               <entry>Configure scaler input</entry>
232               <entry>2048x1536</entry>
233               <entry>2048x1536</entry>
234               <entry>2046x1534</entry>
235               <entry><emphasis>2046x1534</emphasis></entry>
236               <entry><emphasis>2046x1534</emphasis></entry>
237             </row>
238             <row>
239               <entry>Configure scaler output</entry>
240               <entry>2048x1536</entry>
241               <entry>2048x1536</entry>
242               <entry>2046x1534</entry>
243               <entry>2046x1534</entry>
244               <entry><emphasis>1280x960</emphasis></entry>
245             </row>
246           </tbody>
247         </tgroup>
248       </table>
249
250       <para>
251       <orderedlist>
252         <listitem><para>Initial state. The sensor output is set to its native 3MP
253         resolution. Resolutions on the host frontend and scaler input and output
254         pads are undefined.</para></listitem>
255         <listitem><para>The application configures the frontend input pad resolution to
256         2048x1536. The driver propagates the format to the frontend output pad.
257         Note that the propagated output format can be different, as in this case,
258         than the input format, as the hardware might need to crop pixels (for
259         instance when converting a Bayer filter pattern to RGB or YUV).</para></listitem>
260         <listitem><para>The application configures the scaler input pad resolution to
261         2046x1534 to match the frontend output resolution. The driver propagates
262         the format to the scaler output pad.</para></listitem>
263         <listitem><para>The application configures the scaler output pad resolution to
264         1280x960.</para></listitem>
265       </orderedlist>
266       </para>
267
268       <para>When satisfied with the try results, applications can set the active
269       formats by setting the <structfield>which</structfield> argument to
270       <constant>V4L2_SUBDEV_FORMAT_ACTIVE</constant>. Active formats are changed
271       exactly as try formats by drivers. To avoid modifying the hardware state
272       during format negotiation, applications should negotiate try formats first
273       and then modify the active settings using the try formats returned during
274       the last negotiation iteration. This guarantees that the active format
275       will be applied as-is by the driver without being modified.
276       </para>
277     </section>
278
279     <section id="v4l2-subdev-selections">
280       <title>Selections: cropping, scaling and composition</title>
281
282       <para>Many sub-devices support cropping frames on their input or output
283       pads (or possible even on both). Cropping is used to select the area of
284       interest in an image, typically on an image sensor or a video decoder. It can
285       also be used as part of digital zoom implementations to select the area of
286       the image that will be scaled up.</para>
287
288       <para>Crop settings are defined by a crop rectangle and represented in a
289       &v4l2-rect; by the coordinates of the top left corner and the rectangle
290       size. Both the coordinates and sizes are expressed in pixels.</para>
291
292       <para>As for pad formats, drivers store try and active
293       rectangles for the selection targets <xref
294       linkend="v4l2-selections-common" />.</para>
295
296       <para>On sink pads, cropping is applied relative to the
297       current pad format. The pad format represents the image size as
298       received by the sub-device from the previous block in the
299       pipeline, and the crop rectangle represents the sub-image that
300       will be transmitted further inside the sub-device for
301       processing.</para>
302
303       <para>The scaling operation changes the size of the image by
304       scaling it to new dimensions. The scaling ratio isn't specified
305       explicitly, but is implied from the original and scaled image
306       sizes. Both sizes are represented by &v4l2-rect;.</para>
307
308       <para>Scaling support is optional. When supported by a subdev,
309       the crop rectangle on the subdev's sink pad is scaled to the
310       size configured using the &VIDIOC-SUBDEV-S-SELECTION; IOCTL
311       using <constant>V4L2_SEL_TGT_COMPOSE</constant>
312       selection target on the same pad. If the subdev supports scaling
313       but not composing, the top and left values are not used and must
314       always be set to zero.</para>
315
316       <para>On source pads, cropping is similar to sink pads, with the
317       exception that the source size from which the cropping is
318       performed, is the COMPOSE rectangle on the sink pad. In both
319       sink and source pads, the crop rectangle must be entirely
320       contained inside the source image size for the crop
321       operation.</para>
322
323       <para>The drivers should always use the closest possible
324       rectangle the user requests on all selection targets, unless
325       specifically told otherwise.
326       <constant>V4L2_SEL_FLAG_GE</constant> and
327       <constant>V4L2_SEL_FLAG_LE</constant> flags may be
328       used to round the image size either up or down. <xref
329       linkend="v4l2-selection-flags" /></para>
330     </section>
331
332     <section>
333       <title>Types of selection targets</title>
334
335       <section>
336         <title>Actual targets</title>
337
338         <para>Actual targets (without a postfix) reflect the actual
339         hardware configuration at any point of time. There is a BOUNDS
340         target corresponding to every actual target.</para>
341       </section>
342
343       <section>
344         <title>BOUNDS targets</title>
345
346         <para>BOUNDS targets is the smallest rectangle that contains all
347         valid actual rectangles. It may not be possible to set the actual
348         rectangle as large as the BOUNDS rectangle, however. This may be
349         because e.g. a sensor's pixel array is not rectangular but
350         cross-shaped or round. The maximum size may also be smaller than the
351         BOUNDS rectangle.</para>
352       </section>
353
354     </section>
355
356     <section>
357       <title>Order of configuration and format propagation</title>
358
359       <para>Inside subdevs, the order of image processing steps will
360       always be from the sink pad towards the source pad. This is also
361       reflected in the order in which the configuration must be
362       performed by the user: the changes made will be propagated to
363       any subsequent stages. If this behaviour is not desired, the
364       user must set
365       <constant>V4L2_SEL_FLAG_KEEP_CONFIG</constant> flag. This
366       flag causes no propagation of the changes are allowed in any
367       circumstances. This may also cause the accessed rectangle to be
368       adjusted by the driver, depending on the properties of the
369       underlying hardware.</para>
370
371       <para>The coordinates to a step always refer to the actual size
372       of the previous step. The exception to this rule is the source
373       compose rectangle, which refers to the sink compose bounds
374       rectangle --- if it is supported by the hardware.</para>
375
376       <orderedlist>
377         <listitem>Sink pad format. The user configures the sink pad
378         format. This format defines the parameters of the image the
379         entity receives through the pad for further processing.</listitem>
380
381         <listitem>Sink pad actual crop selection. The sink pad crop
382         defines the crop performed to the sink pad format.</listitem>
383
384         <listitem>Sink pad actual compose selection. The size of the
385         sink pad compose rectangle defines the scaling ratio compared
386         to the size of the sink pad crop rectangle. The location of
387         the compose rectangle specifies the location of the actual
388         sink compose rectangle in the sink compose bounds
389         rectangle.</listitem>
390
391         <listitem>Source pad actual crop selection. Crop on the source
392         pad defines crop performed to the image in the sink compose
393         bounds rectangle.</listitem>
394
395         <listitem>Source pad format. The source pad format defines the
396         output pixel format of the subdev, as well as the other
397         parameters with the exception of the image width and height.
398         Width and height are defined by the size of the source pad
399         actual crop selection.</listitem>
400       </orderedlist>
401
402       <para>Accessing any of the above rectangles not supported by the
403       subdev will return <constant>EINVAL</constant>. Any rectangle
404       referring to a previous unsupported rectangle coordinates will
405       instead refer to the previous supported rectangle. For example,
406       if sink crop is not supported, the compose selection will refer
407       to the sink pad format dimensions instead.</para>
408
409       <figure id="subdev-image-processing-crop">
410         <title>Image processing in subdevs: simple crop example</title>
411         <mediaobject>
412           <imageobject>
413             <imagedata fileref="subdev-image-processing-crop.svg"
414             format="SVG" scale="200" />
415           </imageobject>
416         </mediaobject>
417       </figure>
418
419       <para>In the above example, the subdev supports cropping on its
420       sink pad. To configure it, the user sets the media bus format on
421       the subdev's sink pad. Now the actual crop rectangle can be set
422       on the sink pad --- the location and size of this rectangle
423       reflect the location and size of a rectangle to be cropped from
424       the sink format. The size of the sink crop rectangle will also
425       be the size of the format of the subdev's source pad.</para>
426
427       <figure id="subdev-image-processing-scaling-multi-source">
428         <title>Image processing in subdevs: scaling with multiple sources</title>
429         <mediaobject>
430           <imageobject>
431             <imagedata fileref="subdev-image-processing-scaling-multi-source.svg"
432             format="SVG" scale="200" />
433           </imageobject>
434         </mediaobject>
435       </figure>
436
437       <para>In this example, the subdev is capable of first cropping,
438       then scaling and finally cropping for two source pads
439       individually from the resulting scaled image. The location of
440       the scaled image in the cropped image is ignored in sink compose
441       target. Both of the locations of the source crop rectangles
442       refer to the sink scaling rectangle, independently cropping an
443       area at location specified by the source crop rectangle from
444       it.</para>
445
446       <figure id="subdev-image-processing-full">
447         <title>Image processing in subdevs: scaling and composition
448         with multiple sinks and sources</title>
449         <mediaobject>
450           <imageobject>
451             <imagedata fileref="subdev-image-processing-full.svg"
452             format="SVG" scale="200" />
453           </imageobject>
454         </mediaobject>
455       </figure>
456
457       <para>The subdev driver supports two sink pads and two source
458       pads. The images from both of the sink pads are individually
459       cropped, then scaled and further composed on the composition
460       bounds rectangle. From that, two independent streams are cropped
461       and sent out of the subdev from the source pads.</para>
462
463     </section>
464
465   </section>
466
467   &sub-subdev-formats;