WinCE平臺(tái)USB攝像頭驅(qū)動(dòng)開發(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(tǒng)中。例如，通過(guò)USB 攝像頭WinCE系統(tǒng)可以很方便地得到實(shí)時(shí)圖像，這對(duì)某些要求實(shí)時(shí)圖象監(jiān)控的嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)很不錯(cuò)的選擇。但是由于嵌入式硬件平臺(tái)的多樣性，以及WinCE對(duì)USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)只提供了底層支持，再加上許多攝像頭廠商尚未提供WinCE下的USB攝像頭驅(qū)動(dòng)，這對(duì)初級(jí)開發(fā)人員在開發(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(fù)責(zé)一個(gè)嵌入式項(xiàng)目，項(xiàng)目要求是在WinCE平臺(tái)上集成USB攝像頭驅(qū)動(dòng)和視頻采集程序。這個(gè)項(xiàng)目的關(guān)鍵是要集成USB攝像頭驅(qū)動(dòng),并高效的把攝像頭設(shè)備進(jìn)行初始化以取得一幅完整的圖像。幸好我以前開發(fā)過(guò)WinCE USB的主從設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。但雖然如此，我還是花了一些時(shí)間來(lái)調(diào)整系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在這里我分享在這次項(xiàng)目實(shí)踐中得到的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，希望大家能少走彎路。

一. 什么是USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)?

隨著USB設(shè)備的普及，USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)在嵌入式系統(tǒng)變得越來(lái)越重要了。為了支持不同類型的硬件可以連接到WinCE平臺(tái)上，微軟提供了具有定制接口的流接口驅(qū)動(dòng)程序模型。WinCE的USB外圍設(shè)備一般是使用流接口驅(qū)動(dòng)程序。流接口驅(qū)動(dòng)程序是指通過(guò)系統(tǒng)提供的文件系統(tǒng)API與應(yīng)用程序交互;WinCE內(nèi)核系統(tǒng)會(huì)通過(guò)設(shè)備管理器來(lái)完成對(duì)流接口驅(qū)動(dòng)程序的加載、卸載等管理工作;而流接口驅(qū)動(dòng)程序則會(huì)通過(guò)調(diào)用USBD模塊提供的接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)與底層USB設(shè)備通信。因此，在進(jìn)行USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)之前，我們必須先了解USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)和分類。

(1)主機(jī)與USB攝像頭的通訊結(jié)構(gòu)

USB攝像頭驅(qū)動(dòng)程序主要是利用系統(tǒng)提供的底層接口配置設(shè)備和攝像頭設(shè)備進(jìn)行通訊。因此，WinCE的USB攝像頭驅(qū)動(dòng)分為兩層：USB Client設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和底層的WinCE函數(shù)實(shí)現(xiàn)層。而底層的函數(shù)層本身又由兩部分組成，即通用串行總線驅(qū)動(dòng)程序(USBD)模塊和較低層的主控制器驅(qū)動(dòng)程序(HCD)模塊。HCD負(fù)責(zé)最底層的處理，USBD模塊實(shí)現(xiàn)較高的USBD函數(shù)接口。因此，USB攝像頭驅(qū)動(dòng)主要是利用USBD接口函數(shù)和外圍USB攝像頭打交道。

一般來(lái)說(shuō)，主機(jī)和USB外設(shè)之間的通訊是由在主機(jī)端通過(guò)USBD模塊和HCD模塊使用的PIPE訪問(wèn)一個(gè)通用的邏輯設(shè)備來(lái)完成。也就是說(shuō)，USBD和HCD是一組抽象出來(lái)用于訪問(wèn)USB設(shè)備的邏輯接口，它們主要是負(fù)責(zé)管理USB外設(shè)的連接、加載、移除、數(shù)據(jù)傳輸和通用的配置。其中HCD是由主機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)的，是為USBD提供底層的功能訪問(wèn)服務(wù)。而USBD則是由USB總線驅(qū)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(shè)備接口，因此如果嵌入式系統(tǒng)中擁有多種USB物理外設(shè)的話，那么就需要有唯一對(duì)應(yīng)的外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序，也就是要有最上層的PIPE所連接的物理設(shè)備和USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。有了對(duì)這個(gè)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，那么我們?cè)谶M(jìn)行USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)時(shí)首先要寫的就是最上端的USB攝像頭客戶端驅(qū)動(dòng)程序，在WinCE的樣例程序中它也被稱為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(duì)特定的物理設(shè)備來(lái)完成USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。(見圖)

(2)流驅(qū)動(dòng)程序的分類和函數(shù)結(jié)構(gòu)

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

流驅(qū)動(dòng)是指通過(guò)為內(nèi)核系統(tǒng)提供流接口函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)外圍設(shè)備，如XXX_Init()、XXX_Open()、XXX_Read()、XXX_Write()、XXX_Close()等。這一類的驅(qū)動(dòng)由Device Manager來(lái)管理，它是通過(guò)調(diào)用ActivateDeviceEx()函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)加載流驅(qū)動(dòng)的。ActivateDeviceEx()的參數(shù)是注冊(cè)表中相應(yīng)的鍵，用來(lái)設(shè)定加載流驅(qū)動(dòng)的屬性，如Index、Order、Prefix等等。流驅(qū)動(dòng)加載成功后，應(yīng)用程序就可以通過(guò)調(diào)用CreateFile()、ReadFile()、WirteFile()等函數(shù)來(lái)訪問(wèn)流驅(qū)動(dòng)設(shè)備了。而與流驅(qū)動(dòng)相反，本地驅(qū)動(dòng)提供給內(nèi)核系統(tǒng)的不是標(biāo)準(zhǔn)的流接口，而是事先約定好的特定接口。因此不同的本地驅(qū)動(dòng)設(shè)備，接口也是不一樣的。在WinCE中，常見的本地驅(qū)動(dòng)有LCD顯示驅(qū)動(dòng)、觸摸屏驅(qū)動(dòng)、鼠標(biāo)和鍵盤驅(qū)動(dòng)及打印機(jī)驅(qū)動(dòng)等。從這里可以看出，本地驅(qū)動(dòng)主要是涉及與人機(jī)界面相關(guān)的驅(qū)動(dòng)。它們是由GWES來(lái)管理的，由于他們?cè)谧?cè)表中有各自相應(yīng)的配置信息，因此它們會(huì)在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)加載。簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是本地驅(qū)動(dòng)是由內(nèi)核系統(tǒng)操作和調(diào)用的，一般的應(yīng)用程序是不能訪問(wèn)和調(diào)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(qū)動(dòng)加載時(shí)間來(lái)區(qū)分的。主要分為兩種：一是系統(tǒng)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(qū)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(shè)備的驅(qū)動(dòng)加載都是屬于需要時(shí)才加載的驅(qū)動(dòng)，例如USB攝像頭的驅(qū)動(dòng)程序。而從驅(qū)動(dòng)的接口來(lái)看，USB攝像頭驅(qū)動(dòng)又屬于流驅(qū)動(dòng)接口。但相對(duì)于普通的流驅(qū)動(dòng)接口，它增加了幾個(gè)特有的接口函數(shù)：如USBDeviceAttach()、USBInstallDriver()、USBUnInstallDriver()等。在這次項(xiàng)目的調(diào)試中，我們發(fā)現(xiàn)需要時(shí)才加載的驅(qū)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(nèi)核系統(tǒng)的情況下，應(yīng)用程序可以動(dòng)態(tài)加載該驅(qū)動(dòng)以完成對(duì)硬件的操作，而操作完成后又可卸載其驅(qū)動(dòng)程序以節(jié)省有限的內(nèi)存。

(3)USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序入口點(diǎn)函數(shù)分析

大部分USB外圍設(shè)備由于功能性的原因會(huì)更適合使用流接口驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，所以一般都會(huì)采用加載式流接口驅(qū)動(dòng)程序模型來(lái)開發(fā)USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。流驅(qū)動(dòng)是指通過(guò)流接口函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)外圍設(shè)備的。因此，編寫流驅(qū)動(dòng)程序?qū)嶋H上就是對(duì)各種流函數(shù)進(jìn)行調(diào)用。

又由于USB攝像頭驅(qū)動(dòng)程序主要是和USBD打交道，所以我們必須詳細(xì)的了解USBD提供的函數(shù)。讓人感到幸運(yùn)的是在WinCE下微軟已經(jīng)提供了通用串行總線驅(qū)動(dòng)程序(USBD)模塊、USBD接口函數(shù)全集、樣本主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)程序(HCD)模塊。所以，我們只需要根據(jù)USB攝像頭的硬件特性，利用USBD提供的不同函數(shù)就能實(shí)現(xiàn)流接口函數(shù)與外圍攝像頭設(shè)備的交互。就能大大的節(jié)省開發(fā)時(shí)間，從而能更快速地進(jìn)行嵌入式開發(fā)。[!--empirenews.page--]

二.USB攝像頭流驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

WinCE系統(tǒng)下的 USB 攝像頭驅(qū)動(dòng)程序的編寫不同于在 Windows系統(tǒng)下的編寫，因?yàn)樵赪inCE中對(duì)USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)只提供了底層支持。所以，在 WinCE系統(tǒng)下必須要根據(jù)所選擇的USB攝像頭的硬件特性自行編寫驅(qū)動(dòng)程序。根據(jù)我在這次項(xiàng)目中得到的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，具體可以分為以下三個(gè)步驟：

(1)創(chuàng)建USBD函數(shù)控制模塊

從上述的WinCE USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型及結(jié)構(gòu)分析圖中，我們可以清晰的看到主機(jī)和USB外設(shè)之間的實(shí)現(xiàn)方式。因此，我們首先需要編寫USB Client Driver。也就是說(shuō)，我們首先需要利用USBD提供的接口針對(duì)特定的物理設(shè)備來(lái)完成USB攝像頭客戶端驅(qū)動(dòng)程序。雖然WinCE 沒(méi)有提供USBD的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制，但是編寫USBD 可供采用的方法有：①是使用流接口函數(shù);②是使用現(xiàn)有的WinCE 應(yīng)用程序編程接口(API);③是創(chuàng)建用戶指定的API。

根據(jù)在這個(gè)項(xiàng)目的多次實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，我在編寫 USB攝像頭驅(qū)動(dòng)時(shí)采用了流接口驅(qū)動(dòng)模式，該驅(qū)動(dòng)程序的位置是位于 USBD 協(xié)議棧層上，屬于控制具體設(shè)備功能的客戶端驅(qū)動(dòng)程序。然后，我把流接口驅(qū)動(dòng)程序的流接口函數(shù)設(shè)計(jì)為匹配系統(tǒng)的文件系統(tǒng)API函數(shù)形式。通過(guò)這種機(jī)制方式，USB攝像頭就可在流接口的管理下通過(guò)文件系統(tǒng)API暴露給應(yīng)用層，這樣應(yīng)用層就可把USB攝像頭作為一種特殊的文件進(jìn)行操作，從而達(dá)到對(duì)USB攝像頭的控制。

(2)創(chuàng)建控制USB攝像頭的各種流接口函數(shù)

從結(jié)構(gòu)分析我們可知，所有的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序必須在它們的DLL庫(kù)設(shè)置一定的入口點(diǎn)函數(shù)與USBD模塊進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕换?。設(shè)置入口點(diǎn)函數(shù)有兩個(gè)作用：一是使得 USBD 模塊能與外部設(shè)備交互;二是使得驅(qū)動(dòng)程序能創(chuàng)建和管理任何可能需要的注冊(cè)鍵。

因此，在編寫USB攝像頭驅(qū)動(dòng)程序時(shí)有一個(gè)重要的步驟，就是要?jiǎng)?chuàng)建和實(shí)現(xiàn)三個(gè)入口函數(shù) USBDeviceAttach()，USBInstallDriver()，USBUninstallDriver()。實(shí)現(xiàn)這三個(gè)入口函數(shù)的主要目的是為了使客戶端驅(qū)動(dòng)與系統(tǒng)的 USBD協(xié)議棧進(jìn)行聯(lián)系。因?yàn)樵赨SB攝像頭接到主機(jī)后，USBD模塊會(huì)調(diào)用這個(gè)函數(shù)來(lái)初始化USB設(shè)備，取得USB設(shè)備信息和配置USB設(shè)備，并且申請(qǐng)必需的資源。USBInstallDrive是在第一次加載USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序時(shí)首先被調(diào)用，它使得驅(qū)動(dòng)程序能創(chuàng)建需要的注冊(cè)鍵。但需要值得注意的是，USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序不是使用標(biāo)準(zhǔn)的注冊(cè)表函數(shù)，而是使用RegisterClientDriverID()、RegisterClientSettings()函數(shù)來(lái)注冊(cè)相應(yīng)的設(shè)備信息。USBUninstallDriver則是在用戶刪除USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序時(shí)調(diào)用，負(fù)責(zé)刪除注冊(cè)鍵并釋放其它相關(guān)資源。同樣，它是通過(guò)調(diào)用UnRegisterClientSettings()和UnRegisterClientDriverID()函數(shù)來(lái)刪除由驅(qū)動(dòng)程序的USBInstallDriver()函數(shù)創(chuàng)建的所有注冊(cè)鍵。因此，我們?cè)隍?qū)動(dòng)程序中需要嚴(yán)格按照這三個(gè)函數(shù)的原型來(lái)實(shí)現(xiàn)，否則就不能為設(shè)備管理器所識(shí)別。

(3)在注冊(cè)表中配置USB攝像頭驅(qū)動(dòng)信息

USB攝像頭一般是使用需要時(shí)才加載的方式來(lái)加載的，因此在設(shè)備加載時(shí)會(huì)先檢查設(shè)備的相關(guān)信息。在WinCE系統(tǒng)中，這些相關(guān)的設(shè)備配置信息都是存儲(chǔ)在系統(tǒng)注冊(cè)表中的。所以，內(nèi)核系統(tǒng)會(huì)先訪問(wèn)注冊(cè)表以獲得必要的相關(guān)信息。例如，USBD模塊會(huì)使用一組跟蹤驅(qū)動(dòng)程序和設(shè)備的注冊(cè)鍵來(lái)定位正確的驅(qū)動(dòng)程序。如果注冊(cè)表信息與 USB 設(shè)備信息符合，USBD就會(huì)加載此驅(qū)動(dòng)程序，否則 USBD 就不會(huì)加載此程序。因此，編寫USB攝像頭驅(qū)動(dòng)程序的最后一個(gè)關(guān)鍵步驟，就是要正確的在注冊(cè)表中配置相關(guān)的USB 攝像頭驅(qū)動(dòng)信息。