实例介绍
本论文以USB视频类协议为标准,进行相关项目的技术研发。 整个系统分为两部分,一部分是设备端,也就是带有USB接口的数 字摄像机,在这里我们称之为Firmware;另一部分是PC端的基于 Windows操作系统的驱动程序。
题任务描述;第二章介绍了相关的UB技术;第三章介绍了USB视 频类协议的相关知识,以及在嵌入式系统( Elate OS)下USB设备视 频功能的实现;第四章详细介绍了 Windows下WDM驱动程序的开 发方法,以及设备端在 Windows系统下驱动程序的设计与实现。 关键词:USB视频类协议嵌入式系统驱动程序WDM THE RESEARCH AND COMPLETION OF DIGITAL VIDEO TRANSPORT BASE ON USB SPECIFICATION ABSTRACT Under the development of the communication and computer technologies, more and more varieties and quantities of the information are needed to be exchanged by the people, which are required to provide a cheap and worldwide means of connection. The USB technology adapts to the tendency of the computers, and it is a kind of high speed, bidirectional, economical, and hot plug serial interface. So far, the USB technology is rapidly developing There is not a universal USB specification for the development of digital video device, so the manufacturer must make special USB video specification base on the uSb basic specification for the video device. It causes a result that every manufacturer must develop the windows driver for the device and many devices of different manufacture are not compatible in Windows OS USB Implementers Forum issues USb Video Device Class Specification Revision 1.0 in 2003.9. This specification defines the video stream function of device, details the basic descriptor and class specified descriptor, and interprets the video class request for the control of video stream. This specification is to be widely used on digital camera in the fut ure We develop our project base on the usb video class specification The system includes two parts: one part is the device, which is the digital video camera with USB interface, and we call it firmware. Another part is PC driver for Windows OS. The content of the project includes: develop the firmware driver to convert the usb basic specification to the uSB video class specification; develop the kernel model Wdm pc driver which runs in Windows OS, and complete the function to transfer the video data from digital video camera to pc by uSB line The content of this thesis is arranged as below: In chapter 1, the architecture of the whole system is presented and the task of this thesis is described also In chapter 2, introduce the technology about uSB. In chapter3, introduce the USB video specification and complete the video transfer function for the device in embedded system (Elate OS). In chapter 4, introduce how to develop the WDM driver, design and complete the Wdm driver which runs in Windows OS for the device KEY WORDS: USb driver WdM embedded system video class spe cification 独创性(或创新性)声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外,论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一切相关责任。 本人签名: 日期 v 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定,即 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许学位论文被查阅和借 阅:学校可以公布学位论文的全部或部分内容,可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇編学位论文。(保密的学位论文在解密后遵守此规定 保密论文注释:本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释:本学位论文不属于保密范围,适用本授权书。 本人签名: 日期:∽化 导师签名 日期:2如(、, 北京邮电大学硕士研究生论文 USB协议数宇视频传輸的砑究与实现 第一章系统总体设计 1.1系统背景介绍 随着计算机技术的飞速发展以及多媒体技术的广泛应用,各种新的外设不 断涌现,其中数字音视频设备的发展尤其迅速,如各式各样的mp3、数码照相机 数字摄像机等等。这些音视频设备的广泛应用,使得外设与计算机之间数据的交 换量越来越太,尤其是实时视频数据的传输,对计算机接口的承受力提出了更高 的要求。因此,在设备接口中就有了比串口并口速度更快的USB1.0/20接口以 及IEEE1394。 在主机一侧,由于有多种的操作系统,比如微软的 windows系列操作系统 开放源码的LNUX系统等。而主机上的接口性能与操作系统有很大的关系,操 作系统内核对接口的支持程度在很大程度上决定了接口的整体性能。当某一个数 字视频设备通过接口与主机进行通信时,存在于主机系统内的驱动程序起了决定 性的作用,它为数据的传输提供了支持与保证。因此,针对相应的操作系统设计 开发一套好的驱动程序在很大程度上决定了数据传输的可靠性和有效性 综上所述,选择一个适当的接口,设计实现相应设备的驱动程序,是实现 数据有效、可靠传输的根本保证 1.2关于USB技术 随着计算机应用的拓展,PC机的外设越来越多,机箱后的插口也形形色色 并行口、串行口、键盘口、鼠标口、游戏手柄接口、音频输入输岀口、视频输岀 PC机有限的IO插槽无法满足日益增加的外设需要。因此,简化外设 扩充方法,使之方便易行成为各个PC机厂家面临的重大研究课题。在这个背景 下, Microsoft公司于1994年提出了Pug&Play(即插即用)方案,这种技术解 决了用户选择资源的困难,由系统自动设置,但新外设的安装仍然相当麻烦,而 且外设扩充数量的问题也没有解决。因此,在1996年召开的面向PC机硬件技术 工作者会议上, Compaq、 Intel和 Microsoft三家厂商提出了设备插架( DeviceBay) 概念。 USB就是设备插架的一种规范。至今,各种USB的外设已经有上千种。 那么,USB为什么如此受青睐呢?这要从它的历史和它自身的很多优点谈起。 USB是英文 Universal serial bus的缩写,中文含义是“通用串行总线”。最初 USB是由 COMPAQ、 DIGITAL QUIPMENT、IBM、 INTEL、 MICROSOFT、NEC 以及 Northern telecom七家公司共同开发的一种新的外设连接技术,并于1996 北京邮电大学硕士研究生论文 USB协议数字视频传输的研究与实现 年提出了1.0版本,198年更新为11。其目标是发展一种兼容低速和高速的通 信技术,从而可以为广大用户提供一种可共享的、可扩充的、使用方便的串行总 线,将串行遹信技术推向21世纪。 USB技术得以广泛发展和应用的主要原因有以下几点: 1.速度 速度快是USB最突出的特点之一。在USB1.l规范中,有高速和低速两种 传输速率,高速方式的传输速率为12Mbps,低速方式的传输速率为1Mbps, 而新的USB2.0标准最高传输速率达到480Mbps。比如键盘鼠标游戏手柄这样的 设备,只要低速方式就可以满足它们的要求了;而扫描仪、打印机等设备就需要 用到高速方式。下图是USB接口和其它几种接口的速度对比: Technology Theoretical Maximum Throughput Apple Desktop∴10kbps Bus: (ADB Serial Port 230 kbps Geoport: Port:. 2 Mbps USB at low 1.5 Mbps speed USB at high 2 Mbps speed 1-40 MBps 400 Mbps UsB20毗 360·480 full sp6·d Mbps Fast SCSk Ultra scsl-3 18-160MBps 图1-1USB接口和其它几种接口的速度对比 从图中我们可以看出,USB接口虽然不是最快的,但从它普及的速度来看, 在未来几年内,也许会逐渐替代串口和并口、甚至IEEE1394。 2.成本及应用 成本低及应用广是USB标准最大的一个特点,它通常不需要单独芯片支持, 而是可在主板芯片中附加,这样就节省了设备的固定成本,这就具有了应用的先 天基础。目前,USB除了可以应用于常见的PC机及外围设备中,它还疒泛地应 用于多媒体设备。 3.方便使用 USB支持热插拔,设备的人工切换也因此变得省时省力。在软件方面,UsB 设计的驱动程序和应用软件可以自动启动,无需用户做更多的操作,这同样为用 北京邮电大学硕士研究生论文 USB协议数字视频传輸的研究与实现 户带来极大的方便。另外,USB设备也不涉及中断冲突问题。USB口单独使用 自己的保留中断,不会同其它设备争用PC机有限的资源,同样为用户省去了硬 件配置的烦恼。 4、连接 UsB接口支持多个不同设备的串列连接,一个USB口理论上可以连接127 个USB设备。连接的方式也十分灵活,既可以使用串行连接,也可以使用Hub 把多个设备连接在一起,再同PC机的USB口相接。 5、电源 UsB在设备供电方面提供了灵活性。USB线缆中包含有两根电源线及两根 数据线。部分设备,例如读卡器、摄像头、游戏手柄等耗电比较少的设备可以通 过USB口直接取电。可通过USB口取电的设备又分低电量模式和高电量模式, 前者最大可提供100毫安的电流,而后者则是500毫安。倘若设备需要更大的电 流,那就只好通过外置变压器来供电了 1.3国内外现状及课题意义 基于USB协议的数字视频设备的开发,以前一直没有一个统一的标准,每 个厂商因此自己制定基于USB的视频协议,以此来开发相应的硬件设备和驱动 程序,由此造成的最明显的一个后果是每个设备厂商必须开发自已的基于 Windows操作系统的驱动程序,因而造成了不同厂商的设备与操作系统的不兼 容性 2003年9月, USB IF( USB Implementers Forum)发布了支持祝频数据流 的 USB Video Device Class Specification Revision1.0标准。这个标准定义了USB 设备的视频流功能,具体化了每一个基于 USB Video class协议设备的标准描述 符和类指定的描述符,同时又进一步解释了控制视频流的视频类请求。该标准的 推出,使得枧频流设备可以更简单的和PC连接进行数字视频数据流的传输。进 一步扩大了数字视频设备与多媒体传输技术的应用范围。预计该标准可以用在廉 价的网络摄像机、便携式摄像机、高端DV等设备上。 由于该标准在2003年9月份提出,因此目前市场上能够见到的支持该视频 类标准的设备还很少,各个设备厂商都在为它们的设备进行视频协议的标准化 因此,基于USB视频类协议的相关研究,具有很强的前沿性、新颖性、实用性。 1.4本课题任务描述 由于以上USB技术的优势,我们可以看出未来USB的应用及其发展趋势都 是相当不错的,因此在本课题中,我们选用USB接口进行相关项目的技术研发。 北京邮电大学硕士研究生论文 USB协议数字视频传输的研究与实现 由于本课题很前沿,同时为了降低开发过程中的复杂度,我们选取了一款低端的 数码摄像机作为研究,其支持的视频流特性是非压缩的、160*120、20 frame/s 待该技术成熟时,再选择更高端、更实用的设备进行开发。本课题开发的支持 USB Video C1ass协议的设备已于2004年六月份投入实用 此系统从整体上来说分为两部分,一部分是设备端,也就是带有USB接口 的数字摄像机,在这里我们称之为 Firmware;另一部分是PC端的基于 Windows 操作系统的驱动程序。 设备端的 Firmware是基于嵌入式操作系统( Elate OS),在 JVC DSC24仿真 板下用 ANSI C开发的。需要完成三方面的工作: 1.支持基于USB视频类标准格式的视频数据的传输; 2.支持基于USB视频类标准格式的静态图像的传输 3.支持基于USB音频类标准格式的音频数据的传输。 PC端驱动程序利用 Microsoft DDK( Driver Development Kit)开发,在 Windows200, Windows98和 WindowsMe下都可以使用。需要实现的功能主要 有以下几方面 1.实现基于USB视频类标准格式的视频数据从设备端到PC端的传输 2.实现基于UB视频类标准格式的静态图像数据从设备端到PC端的传输 3.实现基于UB音频类标准格式的音频数据从设备端到PC端的传输 4.PC对设备数据传输状态的控制 5.驱动程序安装文件的编写 下图是整个系统的结构图,其中虚线区域是我们所作的项目,其余的部分, 或者由操作系统提供,或者由第三方提供。 Application pplication OS.TH Device Driver Class driver Host stack Device firmware Device Bus Dependent Firmware 图1-2系统结构图 【实例截图】
【核心代码】
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