WinCE平臺USB攝像頭驅動開發流程

由于良好的性能、低廉的價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USB 攝像頭WinCE系統可以很方便地得到實時圖像，這對某些要求實時圖象監控的嵌入式系統是一個很不錯的選擇。但是由于嵌入式硬件平臺的多樣性，以及WinCE對USB設備驅動開發只提供了底層支持，再加上許多攝像頭廠商尚未提供WinCE下的USB攝像頭驅動，這對初級開發人員在開發WinCE USB攝像頭程序時是一個難點。

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

一. 什么是USB設備驅動程序開發?

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

(1)主機與USB攝像頭的通訊結構

USB攝像頭驅動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行通訊。因此，WinCE的USB攝像頭驅動分為兩層：USB Client設備驅動程序和底層的WinCE函數實現層。而底層的函數層本身又由兩部分組成，即通用串行總線驅動程序(USBD)模塊和較低層的主控制器驅動程序(HCD)模塊。HCD負責最底層的處理，USBD模塊實現較高的USBD函數接口。因此，USB攝像頭驅動主要是利用USBD接口函數和外圍USB攝像頭打交道。

一般來說，主機和USB外設之間的通訊是由在主機端通過USBD模塊和HCD模塊使用的PIPE訪問一個通用的邏輯設備來完成。也就是說，USBD和HCD是一組抽象出來用于訪問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的，是為USBD提供底層的功能訪問服務。而USBD則是由USB總線驅動的，位于HCD的上層，是利用HCD的服務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，那么就需要有唯一對應的外設驅動程序，也就是要有最上層的PIPE所連接的物理設備和USB設備驅動程序。有了對這個結構的認識，那么我們在進行USB設備驅動程序開發時首先要寫的就是最上端的USB攝像頭客戶端驅動程序，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完成USB設備驅動程序。(見圖)

(2)流驅動程序的分類和函數結構

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

流驅動是指通過為內核系統提供流接口函數來實現驅動外圍設備，如XXX_Init()、XXX_Open()、XXX_Read()、XXX_Write()、XXX_Close()等。這一類的驅動由Device Manager來管理，它是通過調用ActivateDeviceEx()函數來實現加載流驅動的。ActivateDeviceEx()的參數是注冊表中相應的鍵，用來設定加載流驅動的屬性，如Index、Order、Prefix等等。流驅動加載成功后，應用程序就可以通過調用CreateFile()、ReadFile()、WirteFile()等函數來訪問流驅動設備了。而與流驅動相反，本地驅動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設備，接口也是不一樣的。在WinCE中，常見的本地驅動有LCD顯示驅動、觸摸屏驅動、鼠標和鍵盤驅動及打印機驅動等。從這里可以看出，本地驅動主要是涉及與人機界面相關的驅動。它們是由GWES來管理的，由于他們在注冊表中有各自相應的配置信息，因此它們會在系統啟動時自動加載。簡單的說，就是本地驅動是由內核系統操作和調用的，一般的應用程序是不能訪問和調用的。

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

(3)USB設備驅動程序入口點函數分析

大部分USB外圍設備由于功能性的原因會更適合使用流接口驅動結構，所以一般都會采用加載式流接口驅動程序模型來開發USB設備驅動程序。流驅動是指通過流接口函數來實現驅動外圍設備的。因此，編寫流驅動程序實際上就是對各種流函數進行調用。

又由于USB攝像頭驅動程序主要是和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下微軟已經提供了通用串行總線驅動程序(USBD)模塊、USBD接口函數全集、樣本主機控制器驅動程序(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。就能大大的節省開發時間，從而能更快速地進行嵌入式開發。