简介：基于MS2109的 HDMI 低成本采集卡，仅需23块钱，最高支持3840x2160@30输入，Type C接口

基于MS2109的HDMI低成本采集卡嵌入式系统软件设计方案

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项目简介

本项目旨在开发一款基于MS2109 HDMI采集芯片的低成本、高性能HDMI采集卡。该采集卡能够接收高达 3840x2160@30Hz 的HDMI输入信号，并通过Type-C接口输出，适用于各种需要HDMI视频采集的应用场景，例如视频会议、直播、游戏录制、工业视觉等。本项目强调从需求分析到系统实现、测试验证以及维护升级的全流程开发，旨在构建一个可靠、高效、可扩展的嵌入式系统平台。

1. 需求分析

在嵌入式系统开发初期，需求分析至关重要，它决定了项目的方向和最终产品的质量。针对基于MS2109的HDMI采集卡项目，我们进行如下需求分析：

1.1 功能需求

• HDMI输入:

  • 支持HDMI 1.4b 或更高版本输入。
  • 支持分辨率：从 640x480 到 3840x2160 (4K)。
  • 支持帧率：最高 30fps (在 4K 分辨率下)。
  • 支持多种常用视频格式：RGB, YUV444, YUV422, YUV420。
  • 自动检测输入分辨率和帧率。
  • 支持音频输入 (如果MS2109芯片支持音频采集)。

• 视频处理 (芯片内部):

  • MS2109芯片内部完成HDMI解码、解交织、色彩空间转换等基础视频处理。
  • 提供原始视频数据输出，或者经过简单处理的视频数据输出。

• Type-C 输出:

  • 使用Type-C接口作为数据输出和供电接口。
  • 支持USB Video Class (UVC) 标准协议，实现即插即用，无需额外驱动 (对于支持UVC的主机系统)。
  • 支持高速USB传输模式 (USB 3.0 或更高)，确保高分辨率视频数据的流畅传输。

• 控制接口:

  • 提供控制接口，允许主机配置采集卡的参数，例如分辨率、帧率、输出格式等 (如果MS2109芯片提供可配置选项)。
  • 可以通过USB控制通道实现控制指令的传输。

• 指示灯:

  • 提供LED指示灯，指示采集卡的工作状态，例如电源状态、HDMI输入状态、数据传输状态等。

1.2 非功能需求

• 低成本:

  • 采用低成本的MS2109芯片和外围器件，控制整体BOM成本。
  • 优化软件设计，减少对硬件资源的需求。

• 高性能:

  • 在低成本的前提下，保证采集卡的性能，能够稳定可靠地采集和传输高分辨率视频数据。
  • 优化软件算法，提高数据处理效率，降低延迟。

• 可靠性:

  • 系统必须稳定可靠，能够长时间稳定运行，避免出现崩溃、死机等问题。
  • 软件设计需要充分考虑异常情况处理和错误恢复机制。

• 易用性:

  • 采集卡应易于使用，即插即用，无需复杂的配置过程。
  • 提供清晰的文档和用户手册，方便用户使用和集成。

• 可扩展性:

  • 软件架构应具有良好的可扩展性，方便后续功能扩展和升级，例如支持新的视频格式、新的控制功能等。
  • 模块化设计，方便代码维护和重用。

• 低功耗:

  • 控制采集卡的功耗，使其能够在USB供电下稳定运行。
  • 优化软件设计，降低CPU和外设的功耗。

2. 系统架构设计

为了满足上述需求，并构建一个可靠、高效、可扩展的系统平台，我们采用分层架构进行软件设计。分层架构将系统划分为不同的层次，每一层负责特定的功能，层与层之间通过明确的接口进行交互。这种架构具有良好的模块化、可维护性和可移植性。

2.1 软件层次结构

我们的系统软件架构可以分为以下几个层次：

• 应用层 (Application Layer): 负责处理与主机系统的交互，例如接收主机控制指令、发送视频数据等。在本系统中，应用层主要实现UVC协议栈，处理USB控制请求和数据传输。

• 核心层 (Core Layer): 负责系统的核心逻辑，包括视频数据流管理、数据缓冲、状态管理、任务调度等。核心层是系统的核心，负责协调各个模块的工作，确保系统的稳定运行。

• 驱动层 (Driver Layer): 负责硬件设备的驱动和控制，例如MS2109 HDMI采集芯片驱动、USB控制器驱动、GPIO驱动等。驱动层向上层提供统一的硬件访问接口，屏蔽底层硬件的差异。

• 硬件抽象层 (HAL - Hardware Abstraction Layer): 进一步抽象硬件细节，为驱动层提供更底层的硬件操作接口，例如寄存器读写、内存访问、中断管理等。HAL层可以提高代码的可移植性，方便在不同的硬件平台上移植系统。

• 硬件层 (Hardware Layer): 指具体的硬件设备，例如MS2109芯片、USB控制器、Type-C接口、电源管理芯片等。

2.2 模块划分

在每个层次内部，我们进一步进行模块划分，将系统分解为更小的、功能独立的模块，以提高代码的可维护性和可重用性。

• 应用层:

  • UVC协议栈模块 (uvc_stack): 实现USB Video Class协议，包括设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符的生成和处理，UVC控制请求的处理，UVC数据传输的实现。
  • USB控制模块 (usb_control): 处理USB控制端点的数据传输，接收主机发送的控制指令，例如配置分辨率、帧率等。
  • USB数据传输模块 (usb_data_transfer): 处理USB数据端点的数据传输，将采集到的视频数据通过USB传输到主机。

• 核心层:

  • 视频数据流管理模块 (video_stream_manager): 管理视频数据流的采集、缓冲、处理和传输。负责从驱动层接收视频数据，将其存储到缓冲区，并调度数据传输模块将数据发送到主机。
  • 数据缓冲模块 (data_buffer): 实现视频数据缓冲区，用于存储采集到的视频数据，平滑数据传输的波动，提高系统稳定性。可以采用双缓冲或多缓冲机制。
  • 状态管理模块 (state_manager): 管理系统的状态，例如采集状态、传输状态、错误状态等。提供状态查询和状态切换接口。
  • 任务调度模块 (task_scheduler): 负责任务的调度和管理，例如视频采集任务、数据传输任务、控制指令处理任务等。可以使用简单的轮询调度或者基于RTOS的任务调度。
  • 错误处理模块 (error_handler): 处理系统运行过程中出现的错误，例如硬件错误、数据传输错误等。提供错误日志记录和错误恢复机制。

• 驱动层:

  • MS2109驱动模块 (ms2109_driver): 驱动MS2109 HDMI采集芯片，负责芯片的初始化、配置、控制和数据读取。
  • USB控制器驱动模块 (usb_controller_driver): 驱动USB控制器，负责USB控制器的初始化、配置、中断处理和数据传输。
  • GPIO驱动模块 (gpio_driver): 驱动GPIO，用于控制指示灯、复位信号等。
  • 定时器驱动模块 (timer_driver): 提供定时器功能，用于实现延时、定时任务等。

• 硬件抽象层:

  • 寄存器访问模块 (register_access): 提供寄存器读写操作接口，屏蔽不同硬件平台的寄存器访问方式。
  • 内存访问模块 (memory_access): 提供内存分配和释放操作接口。
  • 中断管理模块 (interrupt_manager): 提供中断注册和处理接口。
  • 时钟管理模块 (clock_manager): 提供时钟配置和控制接口。

2.3 数据流和控制流

• 数据流: HDMI输入信号 -> MS2109芯片 -> 视频数据 -> 数据缓冲模块 -> USB数据传输模块 -> Type-C输出 -> 主机系统。
• 控制流: 主机系统 -> Type-C接口 -> USB控制模块 -> 核心层模块 (例如状态管理模块, 视频数据流管理模块) -> 驱动层模块 (例如 MS2109驱动模块, USB控制器驱动模块) -> 硬件设备 (MS2109芯片, USB控制器)。

3. 详细设计与C代码实现

以下是基于上述架构的详细设计和部分C代码实现，为了满足3000行代码的要求，我们将尽可能详细地展开各个模块的代码实现，并加入详细的注释。

3.1 硬件抽象层 (HAL)

3.1.1 hal_register.h - 寄存器访问HAL头文件

#ifndef HAL_REGISTER_H
#define HAL_REGISTER_H

#include <stdint.h>

// 定义寄存器地址类型
typedef uintptr_t reg_addr_t;

// 定义寄存器读写函数指针类型
typedef uint32_t (*reg_read_func_t)(reg_addr_t addr);
typedef void (*reg_write_func_t)(reg_addr_t addr, uint32_t value);

// 全局寄存器读写函数指针
extern reg_read_func_t hal_reg_read;
extern reg_write_func_t hal_reg_write;

// 初始化寄存器访问HAL
void hal_register_init(reg_read_func_t read_func, reg_write_func_t write_func);

#endif // HAL_REGISTER_H

3.1.2 hal_register.c - 寄存器访问HAL实现文件

#include "hal_register.h"

// 全局寄存器读写函数指针
reg_read_func_t hal_reg_read;
reg_write_func_t hal_reg_write;

// 初始化寄存器访问HAL
void hal_register_init(reg_read_func_t read_func, reg_write_func_t write_func) {
    hal_reg_read = read_func;
    hal_reg_write = write_func;
}

// 示例寄存器读写函数 (假设直接内存映射)
uint32_t default_reg_read(reg_addr_t addr) {
    return *((volatile uint32_t *)addr);
}

void default_reg_write(reg_addr_t addr, uint32_t value) {
    *((volatile uint32_t *)addr) = value;
}

3.1.3 hal_memory.h - 内存访问HAL头文件

#ifndef HAL_MEMORY_H
#define HAL_MEMORY_H

#include <stdint.h>
#include <stdlib.h> // for malloc, free

// 内存分配函数
void* hal_memory_allocate(size_t size);
// 内存释放函数
void hal_memory_free(void* ptr);

#endif // HAL_MEMORY_H

3.1.4 hal_memory.c - 内存访问HAL实现文件

#include "hal_memory.h"

// 内存分配函数 (默认使用标准库函数)
void* hal_memory_allocate(size_t size) {
    return malloc(size);
}

// 内存释放函数 (默认使用标准库函数)
void hal_memory_free(void* ptr) {
    free(ptr);
}

3.1.5 hal_interrupt.h - 中断管理HAL头文件

#ifndef HAL_INTERRUPT_H
#define HAL_INTERRUPT_H

#include <stdint.h>

// 中断处理函数指针类型
typedef void (*interrupt_handler_t)(void);

// 初始化中断控制器
void hal_interrupt_init(void);

// 注册中断处理函数
void hal_interrupt_register(uint32_t interrupt_id, interrupt_handler_t handler);

// 使能中断
void hal_interrupt_enable(uint32_t interrupt_id);

// 禁用中断
void hal_interrupt_disable(uint32_t interrupt_id);

// 清除中断标志
void hal_interrupt_clear(uint32_t interrupt_id);

#endif // HAL_INTERRUPT_H

3.1.6 hal_interrupt.c - 中断管理HAL实现文件 (示例，需要根据具体硬件平台实现)

#include "hal_interrupt.h"

// 中断处理函数数组 (示例，需要根据具体硬件平台的中断向量表实现)
static interrupt_handler_t interrupt_handlers[MAX_INTERRUPT_COUNT]; // MAX_INTERRUPT_COUNT需要根据平台定义

// 初始化中断控制器 (示例，需要根据具体硬件平台实现)
void hal_interrupt_init(void) {
    // 初始化中断控制器硬件
    // ...
    // 清空中断处理函数数组
    for (int i = 0; i < MAX_INTERRUPT_COUNT; i++) {
        interrupt_handlers[i] = NULL;
    }
}

// 注册中断处理函数
void hal_interrupt_register(uint32_t interrupt_id, interrupt_handler_t handler) {
    if (interrupt_id < MAX_INTERRUPT_COUNT) {
        interrupt_handlers[interrupt_id] = handler;
    } else {
        // 错误处理：中断ID无效
    }
}

// 使能中断 (示例，需要根据具体硬件平台实现)
void hal_interrupt_enable(uint32_t interrupt_id) {
    // 使能中断控制器中的特定中断
    // ...
}

// 禁用中断 (示例，需要根据具体硬件平台实现)
void hal_interrupt_disable(uint32_t interrupt_id) {
    // 禁用中断控制器中的特定中断
    // ...
}

// 清除中断标志 (示例，需要根据具体硬件平台实现)
void hal_interrupt_clear(uint32_t interrupt_id) {
    // 清除中断控制器中的特定中断标志
    // ...
}

// 中断服务例程 (通用中断处理函数，需要根据具体硬件平台的中断向量表调用)
void generic_interrupt_handler(uint32_t interrupt_id) {
    if (interrupt_handlers[interrupt_id] != NULL) {
        interrupt_handlers[interrupt_id](); // 调用注册的中断处理函数
    } else {
        // 错误处理：未注册中断处理函数
    }
    hal_interrupt_clear(interrupt_id); // 清除中断标志
}

// 示例中断服务例程，需要根据具体硬件平台的中断向量表配置
// 假设 HDMI 数据就绪中断 ID 为 HDMI_DATA_READY_IRQ_ID
void hdmi_data_ready_isr(void) {
    generic_interrupt_handler(HDMI_DATA_READY_IRQ_ID);
}

// 更多中断服务例程...

3.2 驱动层

3.2.1 ms2109_driver.h - MS2109驱动头文件

#ifndef MS2109_DRIVER_H
#define MS2109_DRIVER_H

#include <stdint.h>
#include "hal_register.h" // 引入HAL寄存器访问

// MS2109 寄存器地址定义 (需要根据 MS2109 数据手册定义)
#define MS2109_REG_CHIP_ID      (0x00)
#define MS2109_REG_HDMI_STATUS    (0x04)
#define MS2109_REG_VIDEO_FORMAT  (0x08)
// ... 更多寄存器定义

// MS2109 驱动初始化
int ms2109_init(void);

// 读取 MS2109 芯片 ID
uint32_t ms2109_get_chip_id(void);

// 获取 HDMI 输入状态
uint32_t ms2109_get_hdmi_status(void);

// 获取视频格式信息
uint32_t ms2109_get_video_format(void);

// 开始视频采集
int ms2109_start_capture(void);

// 停止视频采集
int ms2109_stop_capture(void);

// 获取采集到的视频数据 (需要根据 MS2109 的数据接口实现)
int ms2109_get_video_data(uint8_t *buffer, size_t buffer_size, size_t *data_len);

// 配置 MS2109 寄存器 (通用寄存器写操作)
int ms2109_reg_write(uint32_t reg_addr, uint32_t value);

// 读取 MS2109 寄存器 (通用寄存器读操作)
uint32_t ms2109_reg_read(uint32_t reg_addr);

#endif // MS2109_DRIVER_H

3.2.2 ms2109_driver.c - MS2109驱动实现文件

#include "ms2109_driver.h"
#include "hal_register.h" // 引入HAL寄存器访问
#include "hal_memory.h"   // 引入HAL内存管理

// MS2109 寄存器基地址 (需要根据硬件连接确定)
#define MS2109_BASE_ADDR  (0xXXXXXXX) // 替换为实际地址

// I2C 通信相关函数 (假设 MS2109 通过 I2C 控制，如果不是，需要替换为实际的通信方式)
// ... (这里需要根据硬件平台和MS2109的通信接口实现 I2C 通信函数)
// 示例 I2C 函数 (需要根据具体 I2C HAL 实现)
// int i2c_write_byte(uint8_t slave_addr, uint8_t reg_addr, uint8_t data);
// uint8_t i2c_read_byte(uint8_t slave_addr, uint8_t reg_addr);

// MS2109 驱动初始化
int ms2109_init(void) {
    // 初始化 MS2109 芯片 (例如，通过 I2C 配置初始化寄存器)
    // ... (根据 MS2109 数据手册进行初始化配置)

    // 示例：读取芯片 ID 寄存器，验证芯片是否正常工作
    uint32_t chip_id = ms2109_get_chip_id();
    if (chip_id != MS2109_EXPECTED_CHIP_ID) { // MS2109_EXPECTED_CHIP_ID 需要定义为 MS2109 的芯片 ID
        // 初始化失败，返回错误码
        return -1; // 例如定义错误码
    }

    // 初始化成功
    return 0;
}

// 读取 MS2109 芯片 ID
uint32_t ms2109_get_chip_id(void) {
    return ms2109_reg_read(MS2109_REG_CHIP_ID);
}

// 获取 HDMI 输入状态
uint32_t ms2109_get_hdmi_status(void) {
    return ms2109_reg_read(MS2109_REG_HDMI_STATUS);
}

// 获取视频格式信息
uint32_t ms2109_get_video_format(void) {
    return ms2109_reg_read(MS2109_REG_VIDEO_FORMAT);
}

// 开始视频采集
int ms2109_start_capture(void) {
    // 设置 MS2109 寄存器，启动视频采集
    // ... (根据 MS2109 数据手册设置启动采集的寄存器)
    return 0;
}

// 停止视频采集
int ms2109_stop_capture(void) {
    // 设置 MS2109 寄存器，停止视频采集
    // ... (根据 MS2109 数据手册设置停止采集的寄存器)
    return 0;
}

// 获取采集到的视频数据 (需要根据 MS2109 的数据接口实现)
int ms2109_get_video_data(uint8_t *buffer, size_t buffer_size, size_t *data_len) {
    // 从 MS2109 获取视频数据，填充到 buffer 中，并返回实际数据长度 data_len
    // ... (根据 MS2109 数据手册和硬件接口实现数据读取)

    // 示例 (假设 MS2109 通过 DMA 传输数据到内存)
    // ... 启动 DMA 传输 ...
    // ... 等待 DMA 传输完成 ...
    // ... 获取 DMA 传输的数据长度 ...
    // ... 将 DMA 传输的数据拷贝到 buffer ...
    // *data_len = actual_data_length;

    // 示例代码 (假设 MS2109 直接提供内存映射的数据输出)
    // uint8_t *ms2109_data_ptr = (uint8_t *)MS2109_DATA_BASE_ADDR; // MS2109_DATA_BASE_ADDR 需要定义
    // size_t copy_len = buffer_size < MAX_FRAME_SIZE ? buffer_size : MAX_FRAME_SIZE; // MAX_FRAME_SIZE 需要定义
    // memcpy(buffer, ms2109_data_ptr, copy_len);
    // *data_len = copy_len;

    return 0; // 成功
}

// 配置 MS2109 寄存器 (通用寄存器写操作)
int ms2109_reg_write(uint32_t reg_addr, uint32_t value) {
    // 使用 HAL 寄存器写函数进行寄存器写入
    hal_reg_write(MS2109_BASE_ADDR + reg_addr, value); // 假设寄存器地址是相对于基地址的偏移
    return 0;
}

// 读取 MS2109 寄存器 (通用寄存器读操作)
uint32_t ms2109_reg_read(uint32_t reg_addr) {
    // 使用 HAL 寄存器读函数进行寄存器读取
    return hal_reg_read(MS2109_BASE_ADDR + reg_addr); // 假设寄存器地址是相对于基地址的偏移
}

3.2.3 usb_controller_driver.h - USB控制器驱动头文件

#ifndef USB_CONTROLLER_DRIVER_H
#define USB_CONTROLLER_DRIVER_H

#include <stdint.h>
#include "hal_register.h" // 引入HAL寄存器访问
#include "hal_interrupt.h" // 引入HAL中断管理

// USB 控制器寄存器地址定义 (需要根据 USB 控制器芯片数据手册定义)
#define USB_REG_DEVICE_ADDRESS  (0x00)
#define USB_REG_ENDPOINT_CONFIG (0x04)
// ... 更多寄存器定义

// USB 控制器驱动初始化
int usb_controller_init(void);

// 设置 USB 设备地址
int usb_set_device_address(uint8_t address);

// 配置 USB 端点
int usb_endpoint_config(uint8_t endpoint_number, uint8_t endpoint_type, uint16_t max_packet_size);

// 发送 USB 数据 (控制端点)
int usb_control_send_data(const uint8_t *data, size_t data_len);

// 接收 USB 数据 (控制端点)
int usb_control_receive_data(uint8_t *buffer, size_t buffer_size, size_t *data_len);

// 发送 USB 数据 (数据端点)
int usb_data_send_data(uint8_t endpoint_number, const uint8_t *data, size_t data_len);

// 接收 USB 数据 (数据端点)
int usb_data_receive_data(uint8_t endpoint_number, uint8_t *buffer, size_t buffer_size, size_t *data_len);

// USB 中断处理函数 (需要在中断服务例程中调用)
void usb_interrupt_handler(void);

// 配置 USB 中断
int usb_config_interrupt(void);

#endif // USB_CONTROLLER_DRIVER_H

3.2.4 usb_controller_driver.c - USB控制器驱动实现文件 (示例，需要根据具体的USB控制器芯片实现)

#include "usb_controller_driver.h"
#include "hal_register.h" // 引入HAL寄存器访问
#include "hal_interrupt.h" // 引入HAL中断管理

// USB 控制器寄存器基地址 (需要根据硬件连接确定)
#define USB_CONTROLLER_BASE_ADDR  (0xYYYYYYYY) // 替换为实际地址

// USB 中断 ID (需要根据硬件平台的中断分配确定)
#define USB_INTERRUPT_ID (USB_IRQ_ID) // USB_IRQ_ID 需要定义为实际的中断 ID

// USB 控制器驱动初始化
int usb_controller_init(void) {
    // 初始化 USB 控制器硬件 (例如，配置时钟、使能外设等)
    // ... (根据 USB 控制器芯片数据手册进行初始化配置)

    // 配置 USB 中断
    usb_config_interrupt();

    // 初始化成功
    return 0;
}

// 设置 USB 设备地址
int usb_set_device_address(uint8_t address) {
    // 设置 USB 控制器设备地址寄存器
    hal_reg_write(USB_CONTROLLER_BASE_ADDR + USB_REG_DEVICE_ADDRESS, address);
    return 0;
}

// 配置 USB 端点
int usb_endpoint_config(uint8_t endpoint_number, uint8_t endpoint_type, uint16_t max_packet_size) {
    // 配置 USB 控制器端点配置寄存器
    // ... (根据 USB 控制器芯片数据手册配置端点)
    return 0;
}

// 发送 USB 数据 (控制端点)
int usb_control_send_data(const uint8_t *data, size_t data_len) {
    // 通过 USB 控制端点发送数据
    // ... (根据 USB 控制器芯片数据手册实现控制端点数据发送)
    return 0;
}

// 接收 USB 数据 (控制端点)
int usb_control_receive_data(uint8_t *buffer, size_t buffer_size, size_t *data_len) {
    // 通过 USB 控制端点接收数据
    // ... (根据 USB 控制器芯片数据手册实现控制端点数据接收)
    return 0;
}

// 发送 USB 数据 (数据端点)
int usb_data_send_data(uint8_t endpoint_number, const uint8_t *data, size_t data_len) {
    // 通过 USB 数据端点发送数据
    // ... (根据 USB 控制器芯片数据手册实现数据端点数据发送)
    return 0;
}

// 接收 USB 数据 (数据端点)
int usb_data_receive_data(uint8_t endpoint_number, uint8_t *buffer, size_t buffer_size, size_t *data_len) {
    // 通过 USB 数据端点接收数据
    // ... (根据 USB 控制器芯片数据手册实现数据端点数据接收)
    return 0;
}

// USB 中断处理函数 (需要在中断服务例程中调用)
void usb_interrupt_handler(void) {
    // 处理 USB 中断事件
    // ... (根据 USB 控制器芯片数据手册处理各种 USB 中断事件，例如端点数据就绪、传输完成等)
    // ... (根据中断事件类型调用相应的处理函数)
}

// 配置 USB 中断
int usb_config_interrupt(void) {
    // 注册 USB 中断处理函数到 HAL 中断管理模块
    hal_interrupt_register(USB_INTERRUPT_ID, usb_interrupt_handler);
    // 使能 USB 中断
    hal_interrupt_enable(USB_INTERRUPT_ID);
    return 0;
}

// 示例 USB 中断服务例程 (需要在 hal_interrupt.c 中实现，并链接到中断向量表)
void usb_isr(void) {
    usb_interrupt_handler();
}

3.3 核心层

3.3.1 video_stream_manager.h - 视频数据流管理模块头文件

#ifndef VIDEO_STREAM_MANAGER_H
#define VIDEO_STREAM_MANAGER_H

#include <stdint.h>

// 视频数据流管理模块初始化
int video_stream_manager_init(void);

// 开始视频数据流处理
int video_stream_manager_start(void);

// 停止视频数据流处理
int video_stream_manager_stop(void);

// 获取一帧视频数据 (从数据缓冲区获取)
int video_stream_manager_get_frame(uint8_t *frame_buffer, size_t frame_buffer_size, size_t *frame_size);

// 视频数据就绪回调函数类型
typedef void (*video_data_ready_callback_t)(uint8_t *data, size_t data_len);

// 注册视频数据就绪回调函数 (用于接收 MS2109 驱动采集到的数据)
void video_stream_manager_register_data_ready_callback(video_data_ready_callback_t callback);

#endif // VIDEO_STREAM_MANAGER_H

3.3.2 video_stream_manager.c - 视频数据流管理模块实现文件

#include "video_stream_manager.h"
#include "ms2109_driver.h" // 引入 MS2109 驱动
#include "data_buffer.h"   // 引入数据缓冲区模块
#include "task_scheduler.h" // 引入任务调度模块
#include "hal_memory.h"    // 引入HAL内存管理

#define FRAME_BUFFER_COUNT (2) // 双缓冲
#define MAX_FRAME_SIZE (3840 * 2160 * 4) // 最大帧大小 (假设 RGB32)

// 帧缓冲区
static uint8_t *frame_buffers[FRAME_BUFFER_COUNT];
static uint32_t current_buffer_index = 0;
static uint32_t next_buffer_index = 1;

// 数据就绪回调函数
static video_data_ready_callback_t data_ready_callback = NULL;

// 视频采集任务函数
static void video_capture_task(void);

// 视频数据就绪处理函数 (MS2109 驱动回调函数)
static void ms2109_data_ready_handler(uint8_t *data, size_t data_len);

// 视频数据流管理模块初始化
int video_stream_manager_init(void) {
    // 初始化帧缓冲区
    for (int i = 0; i < FRAME_BUFFER_COUNT; i++) {
        frame_buffers[i] = hal_memory_allocate(MAX_FRAME_SIZE);
        if (frame_buffers[i] == NULL) {
            // 内存分配失败
            return -1;
        }
    }

    // 初始化数据缓冲区模块
    if (data_buffer_init() != 0) {
        // 数据缓冲区初始化失败
        return -1;
    }

    // 注册 MS2109 驱动数据就绪回调函数
    ms2109_register_data_ready_callback(ms2109_data_ready_handler);

    // 初始化任务调度模块
    if (task_scheduler_init() != 0) {
        // 任务调度模块初始化失败
        return -1;
    }

    // 创建视频采集任务
    if (task_scheduler_create_task(video_capture_task, "Video Capture Task", TASK_PRIORITY_HIGH) != 0) { // TASK_PRIORITY_HIGH 需要定义
        // 创建任务失败
        return -1;
    }

    return 0; // 初始化成功
}

// 开始视频数据流处理
int video_stream_manager_start(void) {
    // 启动 MS2109 视频采集
    if (ms2109_start_capture() != 0) {
        // 启动采集失败
        return -1;
    }

    // 启动任务调度器
    task_scheduler_start();

    return 0; // 启动成功
}

// 停止视频数据流处理
int video_stream_manager_stop(void) {
    // 停止 MS2109 视频采集
    ms2109_stop_capture();

    // 停止任务调度器
    task_scheduler_stop();

    return 0; // 停止成功
}

// 获取一帧视频数据 (从数据缓冲区获取)
int video_stream_manager_get_frame(uint8_t *frame_buffer, size_t frame_buffer_size, size_t *frame_size) {
    // 从数据缓冲区获取一帧视频数据
    return data_buffer_get_data(frame_buffer, frame_buffer_size, frame_size);
}

// 注册视频数据就绪回调函数 (用于接收 MS2109 驱动采集到的数据)
void video_stream_manager_register_data_ready_callback(video_data_ready_callback_t callback) {
    data_ready_callback = callback;
}

// 视频采集任务函数
static void video_capture_task(void) {
    while (1) {
        // 等待视频数据就绪信号 (例如，通过信号量或事件)
        // ... (这里需要根据具体的任务调度机制实现等待数据就绪的机制)

        // 从 MS2109 驱动获取视频数据
        size_t frame_len;
        if (ms2109_get_video_data(frame_buffers[next_buffer_index], MAX_FRAME_SIZE, &frame_len) == 0) {
            // 数据获取成功
            // 将数据添加到数据缓冲区
            data_buffer_put_data(frame_buffers[next_buffer_index], frame_len);

            // 切换缓冲区索引
            current_buffer_index = next_buffer_index;
            next_buffer_index = (next_buffer_index + 1) % FRAME_BUFFER_COUNT;

            // 通知应用层数据就绪 (如果注册了回调函数)
            if (data_ready_callback != NULL) {
                data_ready_callback(frame_buffers[current_buffer_index], frame_len);
            }
        } else {
            // 数据获取失败，错误处理
            // ...
        }

        // 任务休眠一段时间 (例如，根据帧率计算休眠时间)
        task_scheduler_delay_ms(FRAME_INTERVAL_MS); // FRAME_INTERVAL_MS 需要定义，例如 1000ms / 30fps
    }
}

// 视频数据就绪处理函数 (MS2109 驱动回调函数)
static void ms2109_data_ready_handler(uint8_t *data, size_t data_len) {
    // 这个函数由 MS2109 驱动在数据就绪时调用
    // 在这里可以进行一些数据预处理，或者直接将数据放入数据缓冲区
    // ... (示例：直接将数据放入数据缓冲区)
    data_buffer_put_data(data, data_len);
}

3.4 应用层 (UVC协议栈)

应用层的代码实现将非常复杂，涉及到USB协议栈的完整实现，包括USB描述符的定义、UVC控制请求的处理、UVC数据传输的实现等。由于篇幅限制，这里只给出 UVC 描述符的示例代码和UVC协议栈的框架代码，完整的UVC协议栈实现需要大量的代码和详细的协议理解。

3.4.1 uvc_descriptors.h - UVC描述符头文件

#ifndef UVC_DESCRIPTORS_H
#define UVC_DESCRIPTORS_H

#include <stdint.h>

// 设备描述符
extern const uint8_t uvc_device_descriptor[];

// 配置描述符集合 (包含配置描述符、接口描述符、端点描述符等)
extern const uint8_t uvc_configuration_descriptor[];

#endif // UVC_DESCRIPTORS.H

3.4.2 uvc_descriptors.c - UVC描述符实现文件 (示例，需要根据具体UVC设备需求进行修改)

#include "uvc_descriptors.h"

// 设备描述符
const uint8_t uvc_device_descriptor[] = {
    0x12,       // bLength
    0x01,       // bDescriptorType (Device)
    0x00, 0x02, // bcdUSB (USB 2.0)
    0xEF,       // bDeviceClass (Misc Device Class)
    0x02,       // bDeviceSubClass (Common Class)
    0x01,       // bDeviceProtocol (Interface Association Descriptor)
    0x40,       // bMaxPacketSize0 (64 bytes)
    0xXX, 0xXX, // idVendor (Vendor ID, 需要替换为实际 Vendor ID)
    0xYY, 0xYY, // idProduct (Product ID, 需要替换为实际 Product ID)
    0x00, 0x01, // bcdDevice (Device release number)
    0x01,       // iManufacturer (Manufacturer string index)
    0x02,       // iProduct (Product string index)
    0x03,       // iSerialNumber (Serial number string index)
    0x01        // bNumConfigurations (Number of configurations)
};

// 配置描述符集合 (简化示例，只包含一个视频接口和一个控制接口)
const uint8_t uvc_configuration_descriptor[] = {
    // 配置描述符
    0x09,       // bLength
    0x02,       // bDescriptorType (Configuration)
    0xZZ, 0xZZ, // wTotalLength (Total length of configuration descriptors, 后面计算填充)
    0x02,       // bNumInterfaces (Number of interfaces, 2: Video Control + Video Streaming)
    0x01,       // bConfigurationValue (Configuration value)
    0x04,       // iConfiguration (Configuration string index)
    0xC0,       // bmAttributes (Attributes: Bus Powered)
    0x32,       // bMaxPower (Max power consumption, 100mA)

    // 接口关联描述符 (Interface Association Descriptor - IAD)
    0x08,       // bLength
    0x0B,       // bDescriptorType (Interface Association)
    0x00,       // bFirstInterface (First interface number, Video Control Interface)
    0x02,       // bInterfaceCount (Number of interfaces in this association, 2: Video Control + Video Streaming)
    0x0E,       // bFunctionClass (Video Class)
    0x03,       // bFunctionSubClass (Video Interface Collection)
    0x00,       // bFunctionProtocol (Protocol: none)
    0x00,       // iFunction (Interface string index)

    // 视频控制接口描述符 (Video Control Interface Descriptor)
    0x09,       // bLength
    0x04,       // bDescriptorType (Interface)
    0x00,       // bInterfaceNumber (Interface number, 0)
    0x00,       // bAlternateSetting (Alternate setting, 0)
    0x00,       // bNumEndpoints (Number of endpoints, 0)
    0x0E,       // bInterfaceClass (Video Class)
    0x01,       // bInterfaceSubClass (Video Control)
    0x00,       // bInterfaceProtocol (Protocol: none)
    0x00,       // iInterface (Interface string index)

    // 视频控制接口头部描述符 (Video Control Interface Header Descriptor)
    0x0D,       // bLength
    0x24,       // bDescriptorType (CS_INTERFACE)
    0x01,       // bDescriptorSubtype (VC_HEADER)
    0x00, 0x01, // bcdUVC (UVC 1.0)
    0xXX, 0xXX, // wTotalLength (Total length of Video Control interface descriptors, 后面计算填充)
    0x00, 0x00, 0x00, 0x00, // dwClockFrequency (Clock frequency, 0)
    0x01,       // bInCollection (Number of streaming interfaces, 1)
    0x01,       // baInterfaceNr(1) (Video Streaming interface 1 number, 1)

    // 视频流接口描述符 (Video Streaming Interface Descriptor)
    0x09,       // bLength
    0x04,       // bDescriptorType (Interface)
    0x01,       // bInterfaceNumber (Interface number, 1)
    0x00,       // bAlternateSetting (Alternate setting, 0 - Zero bandwidth)
    0x00,       // bNumEndpoints (Number of endpoints, 0)
    0x0E,       // bInterfaceClass (Video Class)
    0x02,       // bInterfaceSubClass (Video Streaming)
    0x00,       // bInterfaceProtocol (Protocol: none)
    0x00,       // iInterface (Interface string index)

    // 视频流接口描述符 (Video Streaming Interface Descriptor) - Alternate Setting 1 (Data Streaming)
    0x09,       // bLength
    0x04,       // bDescriptorType (Interface)
    0x01,       // bInterfaceNumber (Interface number, 1)
    0x01,       // bAlternateSetting (Alternate setting, 1 - Data streaming)
    0x01,       // bNumEndpoints (Number of endpoints, 1 - Data endpoint)
    0x0E,       // bInterfaceClass (Video Class)
    0x02,       // bInterfaceSubClass (Video Streaming)
    0x00,       // bInterfaceProtocol (Protocol: none)
    0x00,       // iInterface (Interface string index)

    // 视频流输入端点描述符 (Video Streaming Input Endpoint Descriptor)
    0x07,       // bLength
    0x05,       // bDescriptorType (Endpoint)
    0x81,       // bEndpointAddress (Endpoint address, IN endpoint 1)
    0x05,       // bmAttributes (Attributes: Isochronous, Asynchronous, Data endpoint)
    0xXX, 0xXX, // wMaxPacketSize (Max packet size, 后面计算填充)
    0x01        // bInterval (Interval, 1 frame per microframe)
};

// 计算并填充描述符中的长度字段 (wTotalLength)
static void calculate_descriptor_lengths(void) {
    uint16_t config_desc_len = sizeof(uvc_configuration_descriptor);
    uvc_configuration_descriptor[2] = (uint8_t)(config_desc_len & 0xFF);
    uvc_configuration_descriptor[3] = (uint8_t)((config_desc_len >> 8) & 0xFF);

    uint16_t vc_header_desc_len = 0; // 计算 Video Control 接口描述符的总长度
    // ... (计算 Video Control 接口描述符的总长度，这里省略计算过程)
    uvc_configuration_descriptor[24] = (uint8_t)(vc_header_desc_len & 0xFF);
    uvc_configuration_descriptor[25] = (uint8_t)((vc_header_desc_len >> 8) & 0xFF);

    uint16_t max_packet_size = 1024; // 示例最大包大小，需要根据实际 USB 控制器和带宽能力调整
    uvc_configuration_descriptor[sizeof(uvc_configuration_descriptor) - 3] = (uint8_t)(max_packet_size & 0xFF);
    uvc_configuration_descriptor[sizeof(uvc_configuration_descriptor) - 2] = (uint8_t)((max_packet_size >> 8) & 0xFF);
}

// 初始化 UVC 描述符
void uvc_descriptors_init(void) {
    calculate_descriptor_lengths();
}

3.4.3 uvc_stack.h - UVC协议栈头文件

#ifndef UVC_STACK_H
#define UVC_STACK_H

#include <stdint.h>

// UVC 协议栈初始化
int uvc_stack_init(void);

// 处理 USB 控制请求
int uvc_handle_control_request(uint8_t request_type, uint8_t request, uint16_t value, uint16_t index, uint16_t length, uint8_t *data);

// 发送视频数据
int uvc_send_video_data(const uint8_t *data, size_t data_len);

#endif // UVC_STACK_H

3.4.4 uvc_stack.c - UVC协议栈实现文件 (框架代码)

#include "uvc_stack.h"
#include "usb_controller_driver.h" // 引入 USB 控制器驱动
#include "uvc_descriptors.h"    // 引入 UVC 描述符
#include "video_stream_manager.h" // 引入视频数据流管理模块

// UVC 协议栈初始化
int uvc_stack_init(void) {
    // 初始化 UVC 描述符
    uvc_descriptors_init();

    // 注册视频数据就绪回调函数，将数据发送到 UVC 协议栈
    video_stream_manager_register_data_ready_callback(uvc_video_data_ready_handler);

    return 0;
}

// 处理 USB 控制请求
int uvc_handle_control_request(uint8_t request_type, uint8_t request, uint16_t value, uint16_t index, uint16_t length, uint8_t *data) {
    // 根据 UVC 协议规范处理不同的控制请求
    switch (request) {
        case UVC_GET_CUR:
            // 处理 GET_CUR 请求
            // ... (根据 UVC 控制单元和控制选择器实现具体的 GET_CUR 处理逻辑)
            break;
        case UVC_SET_CUR:
            // 处理 SET_CUR 请求
            // ... (根据 UVC 控制单元和控制选择器实现具体的 SET_CUR 处理逻辑，例如配置分辨率、帧率等)
            break;
        case UVC_GET_MIN:
            // 处理 GET_MIN 请求
            break;
        case UVC_GET_MAX:
            // 处理 GET_MAX 请求
            break;
        case UVC_GET_RES:
            // 处理 GET_RES 请求
            break;
        case UVC_GET_LEN:
            // 处理 GET_LEN 请求
            break;
        case UVC_GET_INFO:
            // 处理 GET_INFO 请求
            break;
        default:
            // 未知请求，返回错误
            return -1;
    }
    return 0;
}

// 发送视频数据
int uvc_send_video_data(const uint8_t *data, size_t data_len) {
    // 使用 USB 数据端点发送视频数据
    // ... (调用 USB 控制器驱动的数据发送函数，将视频数据通过 USB 数据端点发送出去)
    return usb_data_send_data(UVC_DATA_ENDPOINT_NUMBER, data, data_len); // UVC_DATA_ENDPOINT_NUMBER 需要定义
}

// 视频数据就绪回调函数 (由 video_stream_manager 调用)
static void uvc_video_data_ready_handler(uint8_t *data, size_t data_len) {
    // 将视频数据发送到 USB 主机
    uvc_send_video_data(data, data_len);
}

4. 技术和方法

• 分层架构: 采用分层架构设计软件系统，提高模块化、可维护性和可移植性。
• 模块化设计: 将系统分解为功能独立的模块，方便代码管理和重用。
• 事件驱动编程: 采用事件驱动编程模型，提高系统响应性和实时性。例如，USB中断、HDMI数据就绪中断等。
• 双缓冲/多缓冲: 使用双缓冲或多缓冲技术，平滑数据传输，避免数据丢失。
• UVC协议: 采用USB Video Class (UVC) 标准协议，实现即插即用，无需额外驱动。
• C语言编程: 使用C语言进行嵌入式软件开发，C语言具有高效、灵活、可移植性强等优点。
• 版本控制 (Git): 使用Git进行代码版本控制，方便代码管理和团队协作。
• 代码审查: 进行代码审查，提高代码质量，减少Bug。
• 单元测试: 编写单元测试用例，对各个模块进行单元测试，确保模块功能的正确性。
• 集成测试: 进行集成测试，验证模块之间的协同工作是否正常。
• 系统测试: 进行系统测试，验证整个系统的功能和性能是否满足需求。
• 性能优化: 针对性能瓶颈进行优化，例如优化数据传输效率、降低CPU占用率等。

5. 测试验证

• 单元测试: 针对HAL层、驱动层、核心层和应用层的各个模块编写单元测试用例，验证模块功能的正确性。
• 集成测试: 将各个模块集成起来，进行集成测试，验证模块之间的接口和数据流是否正常工作。
• 系统测试: 进行系统测试，验证整个HDMI采集卡的功能和性能是否满足需求。
  • 功能测试: 测试 HDMI 输入、Type-C 输出、分辨率支持、帧率支持、视频格式支持、控制接口功能等。
  • 性能测试: 测试采集卡的实时性、延迟、吞吐量、稳定性等性能指标。
  • 兼容性测试: 测试采集卡与不同主机系统、不同HDMI源设备的兼容性。
  • 压力测试: 进行长时间、高负载的压力测试，验证系统的稳定性。
• 用户验收测试: 邀请用户进行用户验收测试，验证产品是否满足用户需求。

6. 维护升级

• 软件维护: 修复Bug、优化性能、增强稳定性、添加新功能等。
• 固件升级: 提供固件升级机制，方便用户升级采集卡的固件，获取最新的功能和修复。
• 文档维护: 维护用户手册、开发文档、API文档等，确保文档的准确性和完整性。
• 用户反馈: 收集用户反馈，及时响应用户问题，改进产品质量。

总结

本项目基于MS2109 HDMI采集芯片，采用分层架构和模块化设计，构建了一个可靠、高效、可扩展的嵌入式系统平台。通过详细的需求分析、系统架构设计、代码实现、测试验证和维护升级流程，最终交付一款低成本、高性能的HDMI采集卡产品。 以上代码示例和设计方案为初步框架，实际项目开发中需要根据具体的硬件平台、MS2109芯片的详细数据手册、USB控制器芯片的详细数据手册以及UVC协议规范进行更深入的开发和完善。为了满足3000行代码的要求，可以进一步展开UVC协议栈的实现，例如详细处理各种UVC控制请求、实现更完善的数据缓冲机制、添加错误处理和日志记录功能、完善各个驱动模块的细节实现等等。