WinCE平臺USB攝像頭驅動(dòng)開(kāi)發(fā)流程

由于良好的性能、低廉的價(jià)格和靈活方便的特性，USB 攝像頭正被廣泛的集成到嵌入式系統中。例如，通過(guò)USB 攝像頭WinCE系統可以很方便地得到實(shí)時(shí)圖像，這對某些要求實(shí)時(shí)圖象監控的嵌入式系統是一個(gè)很不錯的選擇。但是由于嵌入式硬件平臺的多樣性，以及WinCE對USB設備驅動(dòng)開(kāi)發(fā)只提供了底層支持，再加上許多攝像頭廠(chǎng)商尚未提供WinCE下的USB攝像頭驅動(dòng)，這對初級開(kāi)發(fā)人員在開(kāi)發(fā)WinCE USB攝像頭程序時(shí)是一個(gè)難點(diǎn)。

前段時(shí)間，公司委派我負責一個(gè)嵌入式項目，項目要求是在WinCE平臺上集成USB攝像頭驅動(dòng)和視頻采集程序。這個(gè)項目的關(guān)鍵是要集成USB攝像頭驅動(dòng),并高效的把攝像頭設備進(jìn)行初始化以取得一幅完整的圖像。幸好我以前開(kāi)發(fā)過(guò)WinCE USB的主從設備的驅動(dòng)程序。但雖然如此，我還是花了一些時(shí)間來(lái)調整系統的穩定性和可靠性。在這里我分享在這次項目實(shí)踐中得到的經(jīng)驗和教訓，希望大家能少走彎路。

一. 什么是USB設備驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)?

隨著(zhù)USB設備的普及，USB設備驅動(dòng)開(kāi)發(fā)在嵌入式系統變得越來(lái)越重要了。為了支持不同類(lèi)型的硬件可以連接到WinCE平臺上，微軟提供了具有定制接口的流接口驅動(dòng)程序模型。WinCE的USB外圍設備一般是使用流接口驅動(dòng)程序。流接口驅動(dòng)程序是指通過(guò)系統提供的文件系統API與應用程序交互;WinCE內核系統會(huì )通過(guò)設備管理器來(lái)完成對流接口驅動(dòng)程序的加載、卸載等管理工作;而流接口驅動(dòng)程序則會(huì )通過(guò)調用USBD模塊提供的接口函數實(shí)現與底層USB設備通信。因此，在進(jìn)行USB設備驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)之前，我們必須先了解USB設備驅動(dòng)的結構和分類(lèi)。

(1)主機與USB攝像頭的通訊結構

USB攝像頭驅動(dòng)程序主要是利用系統提供的底層接口配置設備和攝像頭設備進(jìn)行通訊。因此，WinCE的USB攝像頭驅動(dòng)分為兩層：USB Client設備驅動(dòng)程序和底層的WinCE函數實(shí)現層。而底層的函數層本身又由兩部分組成，即通用串行總線(xiàn)驅動(dòng)程序(USBD)模塊和較低層的主控制器驅動(dòng)程序(HCD)模塊。HCD負責最底層的處理，USBD模塊實(shí)現較高的USBD函數接口。因此，USB攝像頭驅動(dòng)主要是利用USBD接口函數和外圍USB攝像頭打交道。

一般來(lái)說(shuō)，主機和USB外設之間的通訊是由在主機端通過(guò)USBD模塊和HCD模塊使用的PIPE訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)通用的邏輯設備來(lái)完成。也就是說(shuō)，USBD和HCD是一組抽象出來(lái)用于訪(fǎng)問(wèn)USB設備的邏輯接口，它們主要是負責管理USB外設的連接、加載、移除、數據傳輸和通用的配置。其中HCD是由主機控制和驅動(dòng)的，是為USBD提供底層的功能訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)。而USBD則是由USB總線(xiàn)驅動(dòng)的，位于HCD的上層，是利用HCD的服務(wù)提供較高層次抽象的功能。

由于HCD和USBD都是面向一致的邏輯設備接口，因此如果嵌入式系統中擁有多種USB物理外設的話(huà)，那么就需要有唯一對應的外設驅動(dòng)程序，也就是要有最上層的PIPE所連接的物理設備和USB設備驅動(dòng)程序。有了對這個(gè)結構的認識，那么我們在進(jìn)行USB設備驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)時(shí)首先要寫(xiě)的就是最上端的USB攝像頭客戶(hù)端驅動(dòng)程序，在WinCE的樣例程序中它也被稱(chēng)為USB Client Driver。它是工作于USBD之上，所以實(shí)際上我們的工作就變成了利用USBD提供的接口針對特定的物理設備來(lái)完成USB設備驅動(dòng)程序。(見(jiàn)圖)

(2)流驅動(dòng)程序的分類(lèi)和函數結構

WinCE驅動(dòng)程序是介于內核系統和物理設備之間的一個(gè)代碼層，它的主要作用是為內核系統提供一個(gè)接口用來(lái)操作不同的外圍設備，包括物理設備和虛擬設備。驅動(dòng)程序提供給內核系統的接口一般可以分為：本地驅動(dòng)(Native Drivers)和流驅動(dòng)(Stream Drivers)。我從這次項目實(shí)踐中得到的經(jīng)驗是，WinCE下的所有驅動(dòng)都可以歸類(lèi)到這兩個(gè)里面，二者必居其一。

流驅動(dòng)是指通過(guò)為內核系統提供流接口函數來(lái)實(shí)現驅動(dòng)外圍設備，如XXX_Init()、XXX_Open()、XXX_Read()、XXX_Write()、XXX_Close()等。這一類(lèi)的驅動(dòng)由Device Manager來(lái)管理，它是通過(guò)調用ActivateDeviceEx()函數來(lái)實(shí)現加載流驅動(dòng)的。ActivateDeviceEx()的參數是注冊表中相應的鍵，用來(lái)設定加載流驅動(dòng)的屬性，如Index、Order、Prefix等等。流驅動(dòng)加載成功后，應用程序就可以通過(guò)調用CreateFile()、ReadFile()、WirteFile()等函數來(lái)訪(fǎng)問(wèn)流驅動(dòng)設備了。而與流驅動(dòng)相反，本地驅動(dòng)提供給內核系統的不是標準的流接口，而是事先約定好的特定接口。因此不同的本地驅動(dòng)設備，接口也是不一樣的。在WinCE中，常見(jiàn)的本地驅動(dòng)有LCD顯示驅動(dòng)、觸摸屏驅動(dòng)、鼠標和鍵盤(pán)驅動(dòng)及打印機驅動(dòng)等。從這里可以看出，本地驅動(dòng)主要是涉及與人機界面相關(guān)的驅動(dòng)。它們是由GWES來(lái)管理的，由于他們在注冊表中有各自相應的配置信息，因此它們會(huì )在系統啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)加載。簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是本地驅動(dòng)是由內核系統操作和調用的，一般的應用程序是不能訪(fǎng)問(wèn)和調用的。

在上一段描述中我們提到自動(dòng)加載的概念，這是從驅動(dòng)加載時(shí)間來(lái)區分的。主要分為兩種：一是系統啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)加載;二是需要時(shí)才加載。一般來(lái)說(shuō)，本地驅動(dòng)都是在啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)加載的。而需要時(shí)才加載的方式，顧名思義就是想加載時(shí)才加載、想卸載時(shí)就可卸載。USB設備的驅動(dòng)加載都是屬于需要時(shí)才加載的驅動(dòng)，例如USB攝像頭的驅動(dòng)程序。而從驅動(dòng)的接口來(lái)看，USB攝像頭驅動(dòng)又屬于流驅動(dòng)接口。但相對于普通的流驅動(dòng)接口，它增加了幾個(gè)特有的接口函數：如USBDeviceAttach()、USBInstallDriver()、USBUnInstallDriver()等。在這次項目的調試中，我們發(fā)現需要時(shí)才加載的驅動(dòng)程序有一個(gè)非常實(shí)用的好處，就是能在不修改嵌入式內核系統的情況下，應用程序可以動(dòng)態(tài)加載該驅動(dòng)以完成對硬件的操作，而操作完成后又可卸載其驅動(dòng)程序以節省有限的內存。

(3)USB設備驅動(dòng)程序入口點(diǎn)函數分析

大部分USB外圍設備由于功能性的原因會(huì )更適合使用流接口驅動(dòng)結構，所以一般都會(huì )采用加載式流接口驅動(dòng)程序模型來(lái)開(kāi)發(fā)USB設備驅動(dòng)程序。流驅動(dòng)是指通過(guò)流接口函數來(lái)實(shí)現驅動(dòng)外圍設備的。因此，編寫(xiě)流驅動(dòng)程序實(shí)際上就是對各種流函數進(jìn)行調用。

又由于USB攝像頭驅動(dòng)程序主要是和USBD打交道，所以我們必須詳細的了解USBD提供的函數。讓人感到幸運的是在WinCE下微軟已經(jīng)提供了通用串行總線(xiàn)驅動(dòng)程序(USBD)模塊、USBD接口函數全集、樣本主機控制器驅動(dòng)程序(HCD)模塊。所以，我們只需要根據USB攝像頭的硬件特性，利用USBD提供的不同函數就能實(shí)現流接口函數與外圍攝像頭設備的交互。就能大大的節省開(kāi)發(fā)時(shí)間，從而能更快速地進(jìn)行嵌入式開(kāi)發(fā)。