drivers/media/video/uvc/uvc_queue.c

   1 /*
   2  *      uvc_queue.c  --  USB Video Class driver - Buffers management
   3  *
   4  *      Copyright (C) 2005-2009
   5  *          Laurent Pinchart (laurent.pinchart@skynet.be)
   6  *
   7  *      This program is free software; you can redistribute it and/or modify
   8  *      it under the terms of the GNU General Public License as published by
   9  *      the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
  10  *      (at your option) any later version.
  11  *
  12  */
  13
  14 #include <linux/kernel.h>
  15 #include <linux/mm.h>
  16 #include <linux/list.h>
  17 #include <linux/module.h>
  18 #include <linux/usb.h>
  19 #include <linux/videodev2.h>
  20 #include <linux/vmalloc.h>
  21 #include <linux/wait.h>
  22 #include <asm/atomic.h>
  23
  24 #include "uvcvideo.h"
  25
  26 /* ------------------------------------------------------------------------
  27  * Video buffers queue management.
  28  *
  29  * Video queues is initialized by uvc_queue_init(). The function performs
  30  * basic initialization of the uvc_video_queue struct and never fails.
  31  *
  32  * Video buffer allocation and freeing are performed by uvc_alloc_buffers and
  33  * uvc_free_buffers respectively. The former acquires the video queue lock,
  34  * while the later must be called with the lock held (so that allocation can
  35  * free previously allocated buffers). Trying to free buffers that are mapped
  36  * to user space will return -EBUSY.
  37  *
  38  * Video buffers are managed using two queues. However, unlike most USB video
  39  * drivers that use an in queue and an out queue, we use a main queue to hold
  40  * all queued buffers (both 'empty' and 'done' buffers), and an irq queue to
  41  * hold empty buffers. This design (copied from video-buf) minimizes locking
  42  * in interrupt, as only one queue is shared between interrupt and user
  43  * contexts.
  44  *
  45  * Use cases
  46  * ---------
  47  *
  48  * Unless stated otherwise, all operations that modify the irq buffers queue
  49  * are protected by the irq spinlock.
  50  *
  51  * 1. The user queues the buffers, starts streaming and dequeues a buffer.
  52  *
  53  *    The buffers are added to the main and irq queues. Both operations are
  54  *    protected by the queue lock, and the later is protected by the irq
  55  *    spinlock as well.
  56  *
  57  *    The completion handler fetches a buffer from the irq queue and fills it
  58  *    with video data. If no buffer is available (irq queue empty), the handler
  59  *    returns immediately.
  60  *
  61  *    When the buffer is full, the completion handler removes it from the irq
  62  *    queue, marks it as done (UVC_BUF_STATE_DONE) and wakes its wait queue.
  63  *    At that point, any process waiting on the buffer will be woken up. If a
  64  *    process tries to dequeue a buffer after it has been marked done, the
  65  *    dequeing will succeed immediately.
  66  *
  67  * 2. Buffers are queued, user is waiting on a buffer and the device gets
  68  *    disconnected.
  69  *
  70  *    When the device is disconnected, the kernel calls the completion handler
  71  *    with an appropriate status code. The handler marks all buffers in the
  72  *    irq queue as being erroneous (UVC_BUF_STATE_ERROR) and wakes them up so
  73  *    that any process waiting on a buffer gets woken up.
  74  *
  75  *    Waking up up the first buffer on the irq list is not enough, as the
  76  *    process waiting on the buffer might restart the dequeue operation
  77  *    immediately.
  78  *
  79  */
  80
  81 void uvc_queue_init(struct uvc_video_queue *queue, enum v4l2_buf_type type)
  82 {
  83         mutex_init(&queue->mutex);
  84         spin_lock_init(&queue->irqlock);
  85         INIT_LIST_HEAD(&queue->mainqueue);
  86         INIT_LIST_HEAD(&queue->irqqueue);
  87         queue->type = type;
  88 }
  89
  90 /*
  91  * Allocate the video buffers.
  92  *
  93  * Pages are reserved to make sure they will not be swapped, as they will be
  94  * filled in the URB completion handler.
  95  *
  96  * Buffers will be individually mapped, so they must all be page aligned.
  97  */
  98 int uvc_alloc_buffers(struct uvc_video_queue *queue, unsigned int nbuffers,
  99                 unsigned int buflength)
 100 {
 101         unsigned int bufsize = PAGE_ALIGN(buflength);
 102         unsigned int i;
 103         void *mem = NULL;
 104         int ret;
 105
 106         if (nbuffers > UVC_MAX_VIDEO_BUFFERS)
 107                 nbuffers = UVC_MAX_VIDEO_BUFFERS;
 108
 109         mutex_lock(&queue->mutex);
 110
 111         if ((ret = uvc_free_buffers(queue)) < 0)
 112                 goto done;
 113
 114         /* Bail out if no buffers should be allocated. */
 115         if (nbuffers == 0)
 116                 goto done;
 117
 118         /* Decrement the number of buffers until allocation succeeds. */
 119         for (; nbuffers > 0; --nbuffers) {
 120                 mem = vmalloc_32(nbuffers * bufsize);
 121                 if (mem != NULL)
 122                         break;
 123         }
 124
 125         if (mem == NULL) {
 126                 ret = -ENOMEM;
 127                 goto done;
 128         }
 129
 130         for (i = 0; i < nbuffers; ++i) {
 131                 memset(&queue->buffer[i], 0, sizeof queue->buffer[i]);
 132                 queue->buffer[i].buf.index = i;
 133                 queue->buffer[i].buf.m.offset = i * bufsize;
 134                 queue->buffer[i].buf.length = buflength;
 135                 queue->buffer[i].buf.type = queue->type;
 136                 queue->buffer[i].buf.sequence = 0;
 137                 queue->buffer[i].buf.field = V4L2_FIELD_NONE;
 138                 queue->buffer[i].buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
 139                 queue->buffer[i].buf.flags = 0;
 140                 init_waitqueue_head(&queue->buffer[i].wait);
 141         }
 142
 143         queue->mem = mem;
 144         queue->count = nbuffers;
 145         queue->buf_size = bufsize;
 146         ret = nbuffers;
 147
 148 done:
 149         mutex_unlock(&queue->mutex);
 150         return ret;
 151 }
 152
 153 /*
 154  * Free the video buffers.
 155  *
 156  * This function must be called with the queue lock held.
 157  */
 158 int uvc_free_buffers(struct uvc_video_queue *queue)
 159 {
 160         unsigned int i;
 161
 162         for (i = 0; i < queue->count; ++i) {
 163                 if (queue->buffer[i].vma_use_count != 0)
 164                         return -EBUSY;
 165         }
 166
 167         if (queue->count) {
 168                 uvc_queue_cancel(queue, 0);
 169                 INIT_LIST_HEAD(&queue->mainqueue);
 170                 vfree(queue->mem);
 171                 queue->count = 0;
 172         }
 173
 174         return 0;
 175 }
 176
 177 /*
 178  * Check if buffers have been allocated.
 179  */
 180 int uvc_queue_allocated(struct uvc_video_queue *queue)
 181 {
 182         int allocated;
 183
 184         mutex_lock(&queue->mutex);
 185         allocated = queue->count != 0;
 186         mutex_unlock(&queue->mutex);
 187
 188         return allocated;
 189 }
 190
 191 static void __uvc_query_buffer(struct uvc_buffer *buf,
 192                 struct v4l2_buffer *v4l2_buf)
 193 {
 194         memcpy(v4l2_buf, &buf->buf, sizeof *v4l2_buf);
 195
 196         if (buf->vma_use_count)
 197                 v4l2_buf->flags |= V4L2_BUF_FLAG_MAPPED;
 198
 199         switch (buf->state) {
 200         case UVC_BUF_STATE_ERROR:
 201         case UVC_BUF_STATE_DONE:
 202                 v4l2_buf->flags |= V4L2_BUF_FLAG_DONE;
 203                 break;
 204         case UVC_BUF_STATE_QUEUED:
 205         case UVC_BUF_STATE_ACTIVE:
 206         case UVC_BUF_STATE_READY:
 207                 v4l2_buf->flags |= V4L2_BUF_FLAG_QUEUED;
 208                 break;
 209         case UVC_BUF_STATE_IDLE:
 210         default:
 211                 break;
 212         }
 213 }
 214
 215 int uvc_query_buffer(struct uvc_video_queue *queue,
 216                 struct v4l2_buffer *v4l2_buf)
 217 {
 218         int ret = 0;
 219
 220         mutex_lock(&queue->mutex);
 221         if (v4l2_buf->index >= queue->count) {
 222                 ret = -EINVAL;
 223                 goto done;
 224         }
 225
 226         __uvc_query_buffer(&queue->buffer[v4l2_buf->index], v4l2_buf);
 227
 228 done:
 229         mutex_unlock(&queue->mutex);
 230         return ret;
 231 }
 232
 233 /*
 234  * Queue a video buffer. Attempting to queue a buffer that has already been
 235  * queued will return -EINVAL.
 236  */
 237 int uvc_queue_buffer(struct uvc_video_queue *queue,
 238         struct v4l2_buffer *v4l2_buf)
 239 {
 240         struct uvc_buffer *buf;
 241         unsigned long flags;
 242         int ret = 0;
 243
 244         uvc_trace(UVC_TRACE_CAPTURE, "Queuing buffer %u.\n", v4l2_buf->index);
 245
 246         if (v4l2_buf->type != queue->type ||
 247             v4l2_buf->memory != V4L2_MEMORY_MMAP) {
 248                 uvc_trace(UVC_TRACE_CAPTURE, "[E] Invalid buffer type (%u) "
 249                         "and/or memory (%u).\n", v4l2_buf->type,
 250                         v4l2_buf->memory);
 251                 return -EINVAL;
 252         }
 253
 254         mutex_lock(&queue->mutex);
 255         if (v4l2_buf->index >= queue->count) {
 256                 uvc_trace(UVC_TRACE_CAPTURE, "[E] Out of range index.\n");
 257                 ret = -EINVAL;
 258                 goto done;
 259         }
 260
 261         buf = &queue->buffer[v4l2_buf->index];
 262         if (buf->state != UVC_BUF_STATE_IDLE) {
 263                 uvc_trace(UVC_TRACE_CAPTURE, "[E] Invalid buffer state "
 264                         "(%u).\n", buf->state);
 265                 ret = -EINVAL;
 266                 goto done;
 267         }
 268
 269         if (v4l2_buf->type == V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT &&
 270             v4l2_buf->bytesused > buf->buf.length) {
 271                 uvc_trace(UVC_TRACE_CAPTURE, "[E] Bytes used out of bounds.\n");
 272                 ret = -EINVAL;
 273                 goto done;
 274         }
 275
 276         spin_lock_irqsave(&queue->irqlock, flags);
 277         if (queue->flags & UVC_QUEUE_DISCONNECTED) {
 278                 spin_unlock_irqrestore(&queue->irqlock, flags);
 279                 ret = -ENODEV;
 280                 goto done;
 281         }
 282         buf->state = UVC_BUF_STATE_QUEUED;
 283         if (v4l2_buf->type == V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE)
 284                 buf->buf.bytesused = 0;
 285         else
 286                 buf->buf.bytesused = v4l2_buf->bytesused;
 287
 288         list_add_tail(&buf->stream, &queue->mainqueue);
 289         list_add_tail(&buf->queue, &queue->irqqueue);
 290         spin_unlock_irqrestore(&queue->irqlock, flags);
 291
 292 done:
 293         mutex_unlock(&queue->mutex);
 294         return ret;
 295 }
 296
 297 static int uvc_queue_waiton(struct uvc_buffer *buf, int nonblocking)
 298 {
 299         if (nonblocking) {
 300                 return (buf->state != UVC_BUF_STATE_QUEUED &&
 301                         buf->state != UVC_BUF_STATE_ACTIVE &&
 302                         buf->state != UVC_BUF_STATE_READY)
 303                         ? 0 : -EAGAIN;
 304         }
 305
 306         return wait_event_interruptible(buf->wait,
 307                 buf->state != UVC_BUF_STATE_QUEUED &&
 308                 buf->state != UVC_BUF_STATE_ACTIVE &&
 309                 buf->state != UVC_BUF_STATE_READY);
 310 }
 311
 312 /*
 313  * Dequeue a video buffer. If nonblocking is false, block until a buffer is
 314  * available.
 315  */
 316 int uvc_dequeue_buffer(struct uvc_video_queue *queue,
 317                 struct v4l2_buffer *v4l2_buf, int nonblocking)
 318 {
 319         struct uvc_buffer *buf;
 320         int ret = 0;
 321
 322         if (v4l2_buf->type != queue->type ||
 323             v4l2_buf->memory != V4L2_MEMORY_MMAP) {
 324                 uvc_trace(UVC_TRACE_CAPTURE, "[E] Invalid buffer type (%u) "
 325                         "and/or memory (%u).\n", v4l2_buf->type,
 326                         v4l2_buf->memory);
 327                 return -EINVAL;
 328         }
 329
 330         mutex_lock(&queue->mutex);
 331         if (list_empty(&queue->mainqueue)) {
 332                 uvc_trace(UVC_TRACE_CAPTURE, "[E] Empty buffer queue.\n");
 333                 ret = -EINVAL;
 334                 goto done;
 335         }
 336
 337         buf = list_first_entry(&queue->mainqueue, struct uvc_buffer, stream);
 338         if ((ret = uvc_queue_waiton(buf, nonblocking)) < 0)
 339                 goto done;
 340
 341         uvc_trace(UVC_TRACE_CAPTURE, "Dequeuing buffer %u (%u, %u bytes).\n",
 342                 buf->buf.index, buf->state, buf->buf.bytesused);
 343
 344         switch (buf->state) {
 345         case UVC_BUF_STATE_ERROR:
 346                 uvc_trace(UVC_TRACE_CAPTURE, "[W] Corrupted data "
 347                         "(transmission error).\n");
 348                 ret = -EIO;
 349         case UVC_BUF_STATE_DONE:
 350                 buf->state = UVC_BUF_STATE_IDLE;
 351                 break;
 352
 353         case UVC_BUF_STATE_IDLE:
 354         case UVC_BUF_STATE_QUEUED:
 355         case UVC_BUF_STATE_ACTIVE:
 356         case UVC_BUF_STATE_READY:
 357         default:
 358                 uvc_trace(UVC_TRACE_CAPTURE, "[E] Invalid buffer state %u "
 359                         "(driver bug?).\n", buf->state);
 360                 ret = -EINVAL;
 361                 goto done;
 362         }
 363
 364         list_del(&buf->stream);
 365         __uvc_query_buffer(buf, v4l2_buf);
 366
 367 done:
 368         mutex_unlock(&queue->mutex);
 369         return ret;
 370 }
 371
 372 /*
 373  * Poll the video queue.
 374  *
 375  * This function implements video queue polling and is intended to be used by
 376  * the device poll handler.
 377  */
 378 unsigned int uvc_queue_poll(struct uvc_video_queue *queue, struct file *file,
 379                 poll_table *wait)
 380 {
 381         struct uvc_buffer *buf;
 382         unsigned int mask = 0;
 383
 384         mutex_lock(&queue->mutex);
 385         if (list_empty(&queue->mainqueue)) {
 386                 mask |= POLLERR;
 387                 goto done;
 388         }
 389         buf = list_first_entry(&queue->mainqueue, struct uvc_buffer, stream);
 390
 391         poll_wait(file, &buf->wait, wait);
 392         if (buf->state == UVC_BUF_STATE_DONE ||
 393             buf->state == UVC_BUF_STATE_ERROR) {
 394                 if (queue->type == V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE)
 395                         mask |= POLLIN | POLLRDNORM;
 396                 else
 397                         mask |= POLLOUT | POLLWRNORM;
 398         }
 399
 400 done:
 401         mutex_unlock(&queue->mutex);
 402         return mask;
 403 }
 404
 405 /*
 406  * Enable or disable the video buffers queue.
 407  *
 408  * The queue must be enabled before starting video acquisition and must be
 409  * disabled after stopping it. This ensures that the video buffers queue
 410  * state can be properly initialized before buffers are accessed from the
 411  * interrupt handler.
 412  *
 413  * Enabling the video queue initializes parameters (such as sequence number,
 414  * sync pattern, ...). If the queue is already enabled, return -EBUSY.
 415  *
 416  * Disabling the video queue cancels the queue and removes all buffers from
 417  * the main queue.
 418  *
 419  * This function can't be called from interrupt context. Use
 420  * uvc_queue_cancel() instead.
 421  */
 422 int uvc_queue_enable(struct uvc_video_queue *queue, int enable)
 423 {
 424         unsigned int i;
 425         int ret = 0;
 426
 427         mutex_lock(&queue->mutex);
 428         if (enable) {
 429                 if (uvc_queue_streaming(queue)) {
 430                         ret = -EBUSY;
 431                         goto done;
 432                 }
 433                 queue->sequence = 0;
 434                 queue->flags |= UVC_QUEUE_STREAMING;
 435                 queue->buf_used = 0;
 436         } else {
 437                 uvc_queue_cancel(queue, 0);
 438                 INIT_LIST_HEAD(&queue->mainqueue);
 439
 440                 for (i = 0; i < queue->count; ++i)
 441                         queue->buffer[i].state = UVC_BUF_STATE_IDLE;
 442
 443                 queue->flags &= ~UVC_QUEUE_STREAMING;
 444         }
 445
 446 done:
 447         mutex_unlock(&queue->mutex);
 448         return ret;
 449 }
 450
 451 /*
 452  * Cancel the video buffers queue.
 453  *
 454  * Cancelling the queue marks all buffers on the irq queue as erroneous,
 455  * wakes them up and removes them from the queue.
 456  *
 457  * If the disconnect parameter is set, further calls to uvc_queue_buffer will
 458  * fail with -ENODEV.
 459  *
 460  * This function acquires the irq spinlock and can be called from interrupt
 461  * context.
 462  */
 463 void uvc_queue_cancel(struct uvc_video_queue *queue, int disconnect)
 464 {
 465         struct uvc_buffer *buf;
 466         unsigned long flags;
 467
 468         spin_lock_irqsave(&queue->irqlock, flags);
 469         while (!list_empty(&queue->irqqueue)) {
 470                 buf = list_first_entry(&queue->irqqueue, struct uvc_buffer,
 471                                        queue);
 472                 list_del(&buf->queue);
 473                 buf->state = UVC_BUF_STATE_ERROR;
 474                 wake_up(&buf->wait);
 475         }
 476         /* This must be protected by the irqlock spinlock to avoid race
 477          * conditions between uvc_queue_buffer and the disconnection event that
 478          * could result in an interruptible wait in uvc_dequeue_buffer. Do not
 479          * blindly replace this logic by checking for the UVC_DEV_DISCONNECTED
 480          * state outside the queue code.
 481          */
 482         if (disconnect)
 483                 queue->flags |= UVC_QUEUE_DISCONNECTED;
 484         spin_unlock_irqrestore(&queue->irqlock, flags);
 485 }
 486
 487 struct uvc_buffer *uvc_queue_next_buffer(struct uvc_video_queue *queue,
 488                 struct uvc_buffer *buf)
 489 {
 490         struct uvc_buffer *nextbuf;
 491         unsigned long flags;
 492
 493         if ((queue->flags & UVC_QUEUE_DROP_INCOMPLETE) &&
 494             buf->buf.length != buf->buf.bytesused) {
 495                 buf->state = UVC_BUF_STATE_QUEUED;
 496                 buf->buf.bytesused = 0;
 497                 return buf;
 498         }
 499
 500         spin_lock_irqsave(&queue->irqlock, flags);
 501         list_del(&buf->queue);
 502         buf->state = UVC_BUF_STATE_DONE;
 503         if (!list_empty(&queue->irqqueue))
 504                 nextbuf = list_first_entry(&queue->irqqueue, struct uvc_buffer,
 505                                            queue);
 506         else
 507                 nextbuf = NULL;
 508         spin_unlock_irqrestore(&queue->irqlock, flags);
 509
 510         buf->buf.sequence = queue->sequence++;
 511
 512         wake_up(&buf->wait);
 513         return nextbuf;
 514 }
 515