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| 【IT168 專稿】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USB 攝像頭WinCE系統(tǒng)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(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),，這對初級開發(fā)人員在開發(fā)WinCE USB攝像頭程序時(shí)是一個(gè)難點(diǎn)?！ ∏岸螘r(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,?！?strong> 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)通過設(shè)備管理器來完成對流接口驅(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,?！ ∫话銇碚f，主機(jī)和USB外設(shè)之間的通訊是由在主機(jī)端通過USBD模塊和HCD模塊使用的PIPE訪問一個(gè)通用的邏輯設(shè)備來完成,。也就是說,，USBD和HCD是一組抽象出來用于訪問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,。有了對這個(gè)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí),，那么我們在進(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提供的接口針對特定的物理設(shè)備來完成USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。(見圖)
圖 利用USBD完成USB設(shè)備程序
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| (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,?！ ×黩?qū)動(dòng)是指通過為內(nèi)核系統(tǒng)提供流接口函數(shù)來實(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來管理，它是通過調(diào)用ActivateDeviceEx()函數(shù)來實(shí)現(xiàn)加載流驅(qū)動(dòng)的,。ActivateDeviceEx()的參數(shù)是注冊表中相應(yīng)的鍵,，用來設(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)用程序就可以通過調(diào)用CreateFile(),、ReadFile()、WirteFile()等函數(shù)來訪問流驅(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來管理的,，由于他們在注冊表中有各自相應(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。簡單的說,，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)用程序是不能訪問和調(diào)用的?！ ≡谏弦欢蚊枋鲋形覀兲岬阶詣?dòng)加載的概念,，這是從驅(qū)動(dòng)加載時(shí)間來區(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,。一般來說,，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)的接口來看，USB攝像頭驅(qū)動(dòng)又屬于流驅(qū)動(dòng)接口,。但相對于普通的流驅(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)程序模型來開發(fā)USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,。流驅(qū)動(dòng)是指通過流接口函數(shù)來實(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上就是對各種流函數(shù)進(jìn)行調(diào)用?！ ∮钟捎赨SB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),。 |
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| 二.USB攝像頭流驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)過程 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，我們首先需要利用USBD提供的接口針對特定的物理設(shè)備來完成USB攝像頭客戶端驅(qū)動(dòng)程序,。雖然WinCE 沒有提供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?！ 「鶕?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,。通過這種機(jī)制方式,，USB攝像頭就可在流接口的管理下通過文件系統(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)的注冊表函數(shù)，而是使用RegisterClientDriverID(),、RegisterClientSettings()函數(shù)來注冊相應(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)刪除注冊鍵并釋放其它相關(guān)資源,。同樣,，它是通過調(diào)用UnRegisterClientSettings()和UnRegisterClientDriverID()函數(shù)來刪除由驅(qū)動(dòng)程序的USBInstallDriver()函數(shù)創(chuàng)建的所有注冊鍵。因此,，我們在驅(qū)動(dòng)程序中需要嚴(yán)格按照這三個(gè)函數(shù)的原型來實(shí)現(xiàn),，否則就不能為設(shè)備管理器所識(shí)別?！ ?3)在注冊表中配置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)注冊表中的,。所以，內(nèi)核系統(tǒng)會(huì)先訪問注冊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)備的注冊鍵來定位正確的驅(qū)動(dòng)程序。如果注冊表信息與 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表中配置相關(guān)的USB 攝像頭驅(qū)動(dòng)信息,。 |
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