（信号与信息处理专业论文）基于高速图像采集卡的图像处理.pdf

电子科技大学酾上论戈 摘要 图像采集卡作为信号与信息处理系统的关键功能部件，其重要性越来越受到广泛； 注和重视。p c i 总线是广泛应州的先进计算机局部总线，它的突出特点是数据传输速度 本设计采用专用p c i 接口芯片实现高性能的图像采集卡，成功解决了当前高分辨率的e 像信号采集速度的问题。 本文的主要内容包括：数据采集的原理及高速度的采集芯片a d 9 8 8 4 a 的介绍； p c 协议和p c i 专用接口芯片c y 7 c 0 9 4 4 9 p v 的介绍；采集卡的硬件实现，阐述了s d r a m 的| 制时序及f p g a 。出片e p i c f i 的功能模块的划分和游程编码算法在e p l c 6 中的实现； w i n d e w s 2 0 0 0 下采集 驱动程序的开发；应用程序的开发。 【关键词】数据采集，p c i 总线，驱动程序，游稃编码 电子科技大学硕士论文 a b s t r a c t i m a g e c o l l e c t i o n c a r d ，w h i c hp l a y s a n i n c r e a s i n gi m p o r t a n t r o l ei n s i g n a l a n d c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，h a sb e e na p p l i e di nm a n yd i f f e r e n tf i e l d sa n db e c o m em o r ea n dm o r e p o p u l a r p c i ，ak i n do fw i d e l yu s e db u sl i n e so fc o m p u t e r , i sa b l et op r o v i d eh i g hd a t e t r a n s p o r t i n gs p e e d a na p p l i c a t i o ns y s t e mh a sb e e nd e s i g n e db yu s i n gt h ep r o f e s s i o n a lp c i i n t e r f a c ec m o s c h i p t or e s o l v et h ep r o b l e m so fh o wt oi m p r o v et h ec o l l e c t i n gs p e e do f h i g h r e s o l u t i o n i m a g e s t h i ss y s t e mc a nb eu s e da s a ni m a g ec o l l e c t i o nc a r dw i t he x c e l l e n t c a p a b i l i t i e s t h ed i s s e r t a t i o nm a i n l yc o n t a i n sf i v ep a r t s a tt h eb e g i n n i n g ，t h ed a t ac o l l e c t i o nt h e o r y a n dt h eh i g h s p e e dc o l l e c t i o nc h i pa d 9 8 8 4 aa r ei n t r o d u c e d ，a n dt h e n ，t h ep c i p r o t o c o la n d t h ep r o f e s s i o n a lp c ii n t e r f a c ec h i pc y 7 c 0 9 4 4 9 p va r ei n d i c a t e d a f t e rt h i s ，t h ec o m p l e t i o no f t h ec o l l e c t i o nc a r dh a r d w a r ei sd e m o n s t r a t e d ，i n c l u d i n gt h ec o n t r o l l i n g t i m i n gi ns d r a m ，t h e h m c t i o n s e g m e n t a t i o n si nf p g ac h i pe p i c 6 a n dt h er u nl e n g t hc o d i n g c o m p l e t i o ni ne p l c 6 f o l l o w i n gt h a t ，t h e c o l l e c t i o nc a r dd r i v e ri s d e v e l o p e d i nw i n d o w s2 0 0 0 f i n a l l y , t h e d e v e l o p m e n t o f t h i sa p p l i c a t i o n p r o g r a m m e i sr e p r e s e n t e d k e y w o r d s d a t aa c q u s i t i o n ，p c ib u s ，d r i v e r , r u n _ l e n g t hc o d i n g i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得电子科技大学或其它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 确的说明并表示谢意。 签名：鏊丝塾日期：沪厂年厂月f | 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) ， 签名：鳖丝垒导师签名：五匡鱼 日期：加移年厂月f 日 电子科技大学硕士论文 第一章 弓 1 1课题的应用背景及意义 口 该课题来源于华控股份有限公司，是对船用雷达的信号进行采集、处理 和保存。 根据国家海事局出台的规定，所有营运的大型出海船只都必须安装雷达 来收集并保存船只运行时的状态信息，以在出现海难时，对事故进行分析、 评定。其功能如同飞机中装的黑匣子。而目前装备有上述设备的船只，数量 及其有限，就是说在今后此领域将有一个广阔的市场，这为本课题的研发提 供了良好的环境和条件。 该课题的任务是开发高速的图像采集卡。用来对船用雷达的图像信号进 行采集、处理和保存。 1 2国外高速图像采集卡的动态 该课题要求可采集多种分辨率( 6 4 0 x 4 8 0 、8 0 0 x 6 0 0 、1 0 2 4 x 7 6 8 、1 2 8 0 x 1 0 2 4 ) 的图像，目前国外有很多实现该功能的采集卡，而且达到的性能指标也很高。 对于1 0 2 4 x 7 6 8 的图像，每秒钟输出的帧率可达到1 6 帧。 但是，国外高速图像采集卡的价格也是昂贵的，通常的费用都在万元以上， 限制了其在国内的应用。 1 3本文的主要工作 本论文的主要工作是开发基于p c i 总线的高速图像采集卡。完成f p g a 的 中程序，用v e r i l o g 语言编写，主要实现逻辑的控制和游程压缩编码算法。 开发该图像采集卡的驱动程序。完成的工具包括d d k 、d r i v e r s t u d i o 和 v c + + 。 开发客户端程序。该程序是基于对话框的，以方便用户进行人机交互操作。 完成的工具是v c + + 。 电子科技大学硕士论文 第二章数据采集理论及专用芯片 2 1 数据采集基本理论阻1 数据采集是指将各种模拟量进行采集、转换成数字量，再进行存储、处理、 显示或打印的过程。相应的系统称为数据采集系统。 数据采集的基本理论包括采样定理、量化与量化误差、编码、数据采集的 有效位数等。下面分别加以讨论。 2 1 1 数据采集过程 连续的模拟信号x ( t 1 ，按一定时间间隔t s 采样得到离散时间信号 x s ( n t s ) ，再经过量化变为量化信号x q ( n t s ) ，最后编码转换为数字信号x ( n ) 。以 上转换过程可以用图2 1 来表示。对于高速a d ，由于采样过程并不是理想 的，保持电路可能会存在着孔径效应而影响编码及其最终数据的可靠性。为此 设计高速数据采集电路宜选用宽带a t d 。 o o o 0 0 10 1 0 0 ll 1 0 0 l o l 1 0 1 i o l o0 0 1 图2 1 数据采集过程 电子科技大学硕士论文 2 1 2采样 采样定理指出，对一个具有有限频谱x ( f ) 的连续信号x ( t ) 进行采样， 当采样频率f s 2 f m a x ( f m a x 为信号的最高频率) 时，由采样得到的采样信号 x s ( n t s ) 能无失真地恢复原来的信号x ( t ) 。 2 1 3 量化与量化误差 1 量化 量化就是把采样信号的幅值与量化单位比较。 量化单位q 定义为量化器满量程电压f s r ( f u l l s c a l er a n g e ) 与2 ”比； q = f s r ( 2 “) ( 2 1 ) 其中n 是量化器的位数。显然，量化器的位数越多，量化单位越小，a d 的 精度就越高。 在实际电路中，量化和编码是同时进行的。编码是把量化信号的电平用数 字代码表示出来，最常用的编码形式是二进制编码。 2 量化方法 ( 1 ) “只舍不入”的量化 所谓“只舍不入”量化，是指信号幅度小于量化单位的部分，一律舍去。 如图2 2 所示。 5 q 4 q 3 q 2 q q ot s2 t s3 t s4 t s5 y s6 t s7 t s 5 q 4 q 3 q 2 q q ot s2 丁s3 t s 4 t s5 t s 6 t s 7 t s 赶也线殴代表鲁士的部分 闰2 2 “只舍不入”量化过程 ( 2 ) “有舍有入”的量化 “有舍有入”的量化是将采样信号幅值与量化电平相比较，如果它们的差 值小于q ，2 ，则将这部分舍去，若大于或等于q 2 ，则将这部分计入。如图2 3 所示。 一匪 一 一 一一 一 一 一 一 一4 _ 1 j猛 一 一 一 歹一 一 一一一一 l e 幽 电子科技大学硕士论文 当o x s ( n t s ) l 弦弘珲豹坯磁章抛轻蕊率劢诼劢 圈i r a n s i t i o n i n c d a t a 髟刀d o n l c a r e 图45 读操作的典型时序图 电子科技大学硕士论文 w r i t e 与r e a d 操作相同，在一个b a n k 被激活后经过t r c d 时间，就可以执行写操 作了。如果是连续写数，在发出w r i t e 命令的同时，b a o 和b a i 的值用来选择 要操作的b a n k ，地址线a o a 8 ( 1 6 位数据的情况) 的值用来选择开始的列地址。 a i o 的值决定是否需要自动p r e c h a r g e 这个功能，如果选用，那么在写完后芯 片会自动执行内部p r e c h a r g e 的命令，在这个内部p r e c h a r g e 命令没有执行完 之前，对该b a n k 的任何操作( r e a d ，w r i t e ，p r e c h a r g e ，a c t i v e ) 都是无效的； 如果不选用自动p r e c h a r g e 功能，那么被访问的行在写完后仍保持“打开”的 状态可供下次读写。 在发w r i t e 命令的同时要给出输入数据。典型的写时序如图4 6 所示。 t ot 1t 2 t 3 c 似厂 j _ 叫厂一l 厂l ：。i。i ： i l c o m m a n d ( 堕 c 叵) 工互) ( j 三 d o 园t r a n s i t i o n i n gd a t a 囫d o n t c a r e 图4 6 写操作的典型时序圈 b u r s tt e r m i n a t e 该命令用来停止固定长度或满页的突发读写。当b u r s tt e r m i n a t e 命令发 出时，上一个r e a d 或w r i t e 命令产生的操作将会被中止，如图4 7 所示。 t ot 1t 2t 3t 4r s1 6i ) c t x 厂1厂j厂r l1l 1i 1 c 1 。”n n 。一( 二i i i ) j 三二) ( j j 丑：i 三二) ( 三氢薹五 ( _ _ j 一( - 葛) ( - ：曩i ( i 1i ；? 叫c b q l 一sa 彝) 磁弦掩兹殄弦觋残率勿坯磁减宓羽砌 ； ： ； n 。 一 唪銎娶孽墨淬夏戮萋要至! “”3 圈- n a n s l t i 。一。d a a 囫。w t e 图4 7 中止个连续读操作 电于科技大学硕士论文 p r e c h a r g e 该命令把一个或所有b a n k 中已经激活的行释放掉，使它再次处于空闲状 态，以便可以激活同一b a n k 中其它的行。p r e c h a r g e 命令也会中止上一个r e a d 或w r i t e 命令产生的操作。 在发出p r e c h a r g e 命令时，由b a o 和b a l 的值用来选择b a n k ，并同时由 a 1 0 的值来判断是对所选择的单个b a n k 进行操作还是对所有的b a n k 进行操作。 当p r e c h a r g e 命令执行后，要经过r 。，时间才可以再次对该b a n k 执行 a c t i v e 命令。图4 8 和图4 9 分别是在r e a d 和w r i t e 命令后执行p r e c h a r g e 的时序。 图4 8r e a d 命令后用p r e c h a r g e 命令的时序图 a u t 0r e f r e s h 该命令每发一次产生一次刷新，是非连续性的，所以刷新时间一到就应该 发出一次。所有被激活的b a n k 必须执行p r e c h a r g e 命令后等待k 时间后才能 执行a u t or e f r e s h 命令。 刷新地址是内部自动产生的。在执行a u t or e f r e s h 操作之前，所有的b a n k 都必须处于空闲状态。 一 m 一 一 嘏 一 w 电子科技大学硕士论文 图4 9w r i t e 命令后用p r e c h a r g e 命令的时序图 l o a dm o d er e s i g l l 。e r 该命令通过a o a 1 1 的值来配置模式寄存器，只要没有掉电或被重新配置， 寄存器中的值会一直保持不变。模式寄存器是用来定义s d r a m 的具体操作模式 的，内容包括定义突发读写的数据长度，突发的类型，c a s 的大小，运行模式和写 模式等，如图4 1 0 如示。 模式寄存器的m 0 m 2 定义了突发读写的数据长度，m 3 定义突发的类型， 有顺序读写和交叉读写两种选择，m 4 m 6 定义c a s 的大小，m 7 和m 8 定义运行 模式，m 9 定义写模式，m i o 和m 1 l 为保留位，无定义。 。 | | 。 一 。 勰 m n 电子科技大学硕士论文 矗瓣诵弘f 麓镒镒稿萼叠， r 。3 。茹。i & j 矗警。k 蠢0 遴邋誊7 誊委i j 1 。d 日n l _ “ a i io m * 0 d 1 n i 。 【j 赫j4 一j “哪峨删潮脚一 l 。lp m q d “”nl m 、 s n g l el 胜m i o n 舡j 薹i 惹滋蓑 _ ，l 隰嗣 1 1o l h 图4 一1 0 模式寄存器的定义 2 s d r a m 的初始化 s d r a m 必须在上电后按照一定的流程进行初始化。一旦对s d r a m 供电并且 提供稳定的时钟后，需要等待l o o u s 的时间，在这段时间里只能执行n o p 命令。 l o o u s 之后，应该执行p r e c h a r g e 命令，并且是对所有的b a n k 操作，所以要求 当时所有的b a n k 都处于空闲状态。紧接下来，等待产生两次a u t or e f r e s h 后， 就可以对模式寄存器进行配置了。执行l o a dm o d er e s i g t e r 命令后等待f 的 时间，初始化流程就算结束了。 4 2 4 数据压缩处理模块 该系统将用于船舶运行状态信息的采集和处理。要保存的数据量是相当巨 大的。在存储设备给定的情况下，为了保存尽可能多的数据，该设计将对原始 数据进行压缩处理。压缩过程是在数据从s d r a l l i 读出来后，写入p c i 总线控制 器的双口r a m 中时完成的，这样同时也减小了传到p c 机上的每帧图像的数据 量，从而减少了每帧图像的传输时间，可以有效的提高图像的采集帧率。 m i_ltllt*llt”llt“il_ltm。jt m ii， n llt地i-t【丫 m il-，llt 皇王型堡奎兰堡圭堡奎 数据压缩处理模块就是完成这一功能，实现有效的数据压缩算法。 1 压缩算法选择 图像压缩算法种类繁多，有无损压缩和有损压缩两大类。在这两大类中又 分别下分了许多种类。应此，选择什么样的算法是该设计对数据进行处理的第 一步，一旦算法选定，接下来就可以在硬件中加以实现。 该设计中要保存的信息不能有丢失，必须能够完全恢复采集的原始数据， 才能够正确的反映船舶在各时期的运行状况。因此就不能使用有损压缩算法， 我们只能选用无损压缩算法。在图像处理中用的比较多的无损压缩算法有霍夫 曼编码和游程编码等。 霍夫曼编码 无损压缩的编码方法中，霍夫曼编码是一种较有效的编码方法。霍夫曼编 码是霍夫曼于1 9 5 2 年为压缩文本文件建立起来的，它的基本原理是频繁使用 的数据用较短的代码代替，较少使用的数据用较长的代码代替，以达到缩短平 均码长，从而实现数据的压缩。 霍夫曼编码采用以下方法进行：首先将信源符号按其出现概率的大小顺序 排列，然后把出现概率最小的两个符号的概率值相加，得到一个新的概率。第 二步，把这个新概率看成一个新符号的概率，和其他符号再按概率大小顺序排 列，再把最小的两个概率相加。重复上述步骤，直到最后只剩下两个符号的概 率为止。完成以上概率相加及顺序排列后，再反过来逐步向前进行编码，每一 步有两个各赋予一个二进制码，可以对概率大的赋码元0 ，对概率小的赋码元 1 ，亦可对概率大的赋码元1 ，对概率小的赋码元0 。 霍夫曼编码是一种变字长编码方法。每个数据的代码各不相同。这些代码 都是二进制码，且码的长度是可变的，霍夫曼编码在变字长编码方法中是最佳 的，其码字平均长度很接近信息符号的熵值。 霍夫曼编码的编码效率是相当高的，但在计算霍夫曼编码表时需要对原始 图像数据扫描两遍：第一遍扫描要精确地统计出原始图像中每个灰度值出现的 概率；第二遍是建立霍夫曼树并进行编码。由于需要建立二叉树并遍历二叉树 进行编码，数据压缩和还原速度都较慢。由于本系统对采集速度要求较高，该 设计就不采用此算法。 游程编码 与霍夫曼编码相比，游程编码的原理更加简单，其原理是：将一行中颜色 值相同的相邻象素用一个计数值和该颜色值来代替，例如，有这样几个8 位象 素值o x 5 5 、o x 5 5 、0 x 5 5 、o x 5 5 、o x 5 5 、o x 5 5 和0 x 5 5 ，我们可以用两个字节0 x 0 7 电子科技大学硕士论文 和0 x 5 5 来表示这些数据，从而达到数据压缩的目的。在解码的时候，我们也 能很容易地把它恢复为7 个连续的象素值0 x 5 5 。由此可见，当一帧图像是有很 多颜色相同的区域组成时，采用游程编码的效率是相当高的。 游程编码有一个致命的弱点：如果图像中每两个相邻点的颜色都不同，用 这种算法不但不能压缩数据，反而将使数据量增加。因此，在选用此算法前先 要考虑源图像的特点。该系统将要采集的图像都是很多颜色相同的区域组成 的，因此，采用游程编码是可行的，而且也将是高速、高效率的，能满足该系 统性能上的要求。 2 算法实现 该系统选择了游程编码来实现图像的压缩，下面阐述此算法在所选f p g a 中的具体实现。 在对源图像进行处理时有两种方案：一是对每一象素的r g b ( 2 4 位) 值进 行统一处理；二是对每一象素的r g b 三种原色( 各8 位) 值分别进行处理。 方案一：r g b 三原色统一处理 在总线控制器中一次突发操作采用4 个字节，保存2 4 位r g b 图像一个象 素的颜色值时只需要3 个字节，正好可以余下一个字节作为该象素值的计数值， 计数的最大值为2 5 5 ，数据形式如表4 3 所示。当从s d r a m 读取一个数后，先 与上次读取的象素的颜色值进行比较：如果两次的值相同，同时计数值小于 2 5 5 ，只需对计数值加1 ，而不用向p c i 总线控制器写数；如果两次的值不同， 或者计数值等于2 5 5 时，就将当前的计数值和上次的象素的颜色值合并一个3 2 位的d w o r d ( 第一个字节为计数值，后三个字节为象素值) 型的数写入p c i 总 线控制器的双口r a m 中，同时将计数值重新设置为1 ，开始新一轮计数。 以此进行下去，当读取完s d r a m 中的数据也就完成了压缩的过程。 计数值象素颜色值 1 2 5 5 r ( 0 2 5 5 ) g ( 0 2 5 5 ) b ( 0 2 5 5 ) 表4 3 数据形式 采用这种方案的优点是实现起来比较简单，处理速度快，当源图像中有大 量相同颜色值的象素的连续区域时，压缩效率很明显。当进行数据解压缩的时 候实现起来也很方便：每次读4 个字节的数据，第一个字节是该颜色值象素的 个数，后3 个字节就是颜色值。 电子科技大学硕士论文 但选用此方案，存在一个很大的缺点。当相邻象素间红、绿、蓝3 原色中 一种或两种不同而其它的原色相同时，采用方案一将得不到数据压缩的效果， 相反，会使每一象素增加一个字节的数据量。 方案二：红、绿、蓝分别处理 此方案与方案一的基本思路是相同的。都是用当前读取的象素的颜色值与 上次的数据作比较，根据比较的结果选择是累加计数值还是向p c i 控制器写结 果。不同之处在于这里对r g b 三原色分别计数和作比较。这样做的好处是当相 邻象素间红、绿、蓝3 原色中一种或两种不同而其它的原色相同时，也可以使 数据得到一定的压缩。 此方案实现起来比上一方案稍微复杂。首先，必须区分所得到的颜色值( 8 位) 对应于r g b 三原色中的哪一个，这是在用于计数的那个字节中实现的，也 就是把用于计数那个字节的高2 位作为r 、g 、b 的标志位；再考虑更一般的情 况，即存在大量独立颜色值( 与前后均不相同) 的象素点，为了不使数据显著 增加( 颜色值加计数值) ，影响压缩效果，再设置1 位判断当前字节是计数值 还是颜色值的标志位，此标志位用计数字节的第6 位表示，此位置1 ，表示该 字节后5 位为计数值( 计数值不超过3 2 ) ，置0 表示后5 为值小于3 2 的颜色值； 最后，当r 、g 、b 的计数值相同时，为了减少重复的计数值输出，就以方案一 的方法组织数据，唯一不同的是用作计数的那个字节的最高2 位必须设为 1 1 。根据以上分析，这里设计了多种数据包格式，如图4 1 2 、图4 1 3 和图4 1 4 所示。 76540 图4 1 2 一字节数据格式 类型( 7 6 ) ： 0 0 一表示红色( r ) ； 0 卜一表示绿色( g ) ； 1 0 一表示蓝色( b ) ： f ( 5 ) ： 0 - - 一表示后3 2 位是颜色值，不是计数值； i 51 41 31 2870 图4 1 3 两字节数据格式 类型( 15 14 ) ： 电子科技大学硕士论文 0 0 表示红色( r ) ； 0 卜表示绿色( g ) ； 1 0 表示蓝色( b ) ； f ( 1 3 ) ： 卜一表示后b i t s ( 1 2 8 ) 为计数值； 3 l3 口2 92 82 4 2 31 61 5870 图4 一1 4 三字节数据格式 类型( 3 1 3 0 ) ： 1 1 表示一个完整的象素颜色值( r g b ) ； 经过这样组织数据包后，在进行数据解压缩的时候，首先读取一个字节， 然后由该字节高3 位的来判断当前数据的形式，最终完成数据的恢复。 该设计采用了放案二的思路来实现数据的压缩。 3 算法流程图 图4 1 5 给出了在红色不变化下的编码流程框图，虚线部分表示省去了该 分支流程。 图4 1 5 红色不变化下的编码流程框图 电子科技大学硕士论文 4 压缩仿真结果 图4 1 5 红色不变化下的编码流程框图 圈4 一1 6 压缩仿真结果 电子科技大学硕十论文 4 2 5 仲裁模块 该模块根据用户设定的工作模式，对f p g a 内部各模块进行参数配置，并 对全局时序做出合理的控制。 4 2 6 系统功能仿真 图4 1 7 给出了s i g n a l t a pi i 调试程序的波形图： 4 3小结 图4 17 仿真波形 本章分析了硬件系统的组成，及f p g a 中的模块划分。重点阐述了s d r a m 的操作和f p g a 内部数据压缩算法的实现。 下面给出了压缩前后的效果图： 例4 18 源图 图4 1 9 压缩后的y c g 文件图4 2 0 解压的图像 图4 1 8 是压缩前的源图像( 8 0 0 x 6 0 0 ，大小为1 3 7 m ) ，图4 1 9 为压缩后 的y c g 文件( 大小为4 5 5 k ) ，压缩比约为3 ：1 ，图4 2 0 为解压后的图像，与源 图比较满足无损压缩的要求。 电子科技大学硕士论文 5 1 驱动程序 第五章驱动程序与应用程序 驱动程序是一种让你的p c 与各种外设、各构成部件与其它硬件通信的程 序。它把标准的操作系统命令转化成特殊的外设专用命令。也有驱动程序被内 置于操作系统来控制内存、缓存与其它p c 基础设备。驱动程序为特定的硬件 所写，它知道该设备的性能，通过它来完成对特定硬件的操作。 该设计开发的图像采集卡是基于p c i 总线的即插即用设备( p n pd e v i c e ) ， 开发p c i 接口卡关键的一部分是驱动程序的开发。应用程序必须在驱动程序的 支持下才能工作。驱动程序的基本任务是要完成电源管理、设备识别、获取内 存线形地址和i o 地址以及中断处理。 在这里我们将用到微软公司的全新驱动程序模式w d m ( w i n d o w sd r iv e r m o d e ) 。 5 i 1w d m 技术概述m 不同的操作系统将采用不同的驱动程序模式，在w i n d o w s 9 5 、w i n d o w s 9 8 中驱动程序为v x d 模式，在n t 中为k e r n e lm o d e 模式，从目前的发展趋势来 看，在w i n 2 0 0 0 下的驱动程序模式为w d m ( w i n d o w sd r i v e rm o d e ) 模式。 该设计是在w i n 2 0 0 0 下开发图像采集卡，所以开发的驱动程序是w d m 驱动 程序。w d m 是微软公司全新的驱动程序模式，支持即插即用、电源管理和w m i 技术，它的运行平台是w i n d o w s9 8 2 0 0 0 x p 操作系统。 开发w d m 离不开d d k 的支持，微软公司提供了w i n d o w s9 8d d k ，w i n d o w s 2 0 0 0d d k 和w i n d o w sx pd d k 三个版本，分别对应相应的操作系统。 w i n d o w s2 0 0 0 操作系统包括许多内核模式组件，它们的功能相互独立。 w i n d o w s2 0 0 0 中新增了组件即插即用管理器和电源管理器，它们仅仅支持 w i n d o w s2 0 0 0 驱动程序和w d m 驱动程序。 w d m 驱动程序是一种p n p 驱动程序( 一种遵循w i n d o w s2 0 0 0 即插即用协议 的内核模式驱动程序) ，它同时还遵循电源管理协议。w d m 驱动程序还细分为类 驱动程序( c l a s sd r i v e r ) 和微小驱动程序( m i n i d r i v e t ) ，类驱动程序管理 属于已定义类的设备，微小驱动程序给类驱动程序提供厂商专有的支持。 电子科技大学硕士论文 5 1 1 1内核模式驱动程序特点 内核模式驱动程序的设计目标与w i n d o w s2 0 0 0 的许多目标相符合特别是 系统i o 管理器部分。 平台间的可移植性 内核模式驱动程序的源代码可以移植到所有w i i 1 d o w sn t 平台。w d m 驱动程 序在定义中就规定其源代码可以在w i n d o w s9 8 ，w i n d o w s2 0 0 0 和w i n d o w sx p 之间相互移植。为了实现这种可移植性，驱动程序应该全部用c 语言编写，并 且只使用a n s ic 标准规定的语言元素，避免使用编译厂商专有的语言特征， 避免使用没有被操作系统内核输出的运行时库函数。 硬件和软件的可配置性 内核模式驱动程序应该避免对设备特征或某些系统设置做绝对假设，这些 系统设置会随着平台的改变而变化。为了实现可配置性，首先应该在代码中避 免直接引用硬件；另外，还应该支持w i n d o w s 管理诊断( w m i ) 控件；最后， 应该使用注册表作为配置信息的数据库，这可以使配置信息在系统重新启动后 仍然存在。 永远抢占优先和永远中断 w i n d o w s2 0 0 0 是多任务操作系统，可以为任意多个线程分配c p u 时间。在 大部分时间中，驱动程序例程执行在可以被其他线程( 同一个c p u 上) 抢先的 环境中。因此，驱动程序必须假设在任何时刻都可能失去控制权。 多处理器平台上的多处理器的安全 w i n d o w s2 0 0 0 可以运行在多处理器计算机上，多处理器的存在给设备驱动 程序带来了一个困难的同步问题。w i n d o w s2 0 0 0 提供了一个同步对象一自旋锁 ( s p i nl o c k ) ，驱动程序可以使用它来解决多处理器的同步问题。 基于对象 w i n d o w s2 0 0 0 内核是基于对象的，即驱动程序和内核例程使用的许多数据 结构都有公共特征，这些特征由对象管理器集中管理。驱动程序使用内核部件 输出的服务例程维护对象和对象中的域。 带可重用i 0 请求包( i r p ) 的包驱动i o i 0 管理器和设备驱动程序使用i r p 来管理i 0 操作的具体细节。首先， 某个内核模式部件创建一个i r p ，该i r p 可以是一个让设备执行一个操作、向 驱动程序发送一个命令或者向驱动程序询问某些信息的请求。然后，i o 管理 器把这个i r p 发送到驱动程序的输出例程上。最后，某个驱动程序例程完成该 4 2 电子科技大学硕士论文 i r p ，之后i o 管理器删除该i r p 并向原始请求者报告结束状态。 支持异步i 0 w i n d o w s2 0 0 0 允许应用程序和驱动程序在启动一个i o 操作后继续执行， 而此时i o 操作仍在进行。所以，需要长时间运行的i o 操作应该以异步方式 执行。即当驱动程接收到一个i r p 后，它首先初始化用于管理该i o 操作的任 何状态信息，然后安排i r p 的执行，而该i r p 将在以后的某个时刻完成，最后 返回调用者。 5 1 1 2w d m 驱动程序模型 在w d m 驱动程序模型中，每个硬件设备至少有两个驱动程序。其中一个称 为功能( f u n c t i o n ) 驱动程序，就是我们通常所说的硬件设备驱动程序。它负 责初始化i 0 操作，处理i o 操作完成时所带来的中断事件，为用户提供一种 设备适合的控制方式。 另一个驱动程序称为总线( b u s ) 驱动程序。他负责管理硬件与计算机的 连接。如p c i 总线驱动程序，它检测插入到p c i 槽上的设备并确定设备的资源 使用情况。 w d m 功能驱动程序通常由两个分离的执行文件组成。一个文件是类驱动程 序，它了解如何处理操作系统使用的w d g 协议，以及如何管理整个设备类的基 本特征。另一个文件称为微小驱动程序。类驱动程序合微小驱动程序合在一起 才成为一个完整的功能驱动程序。 一个完整的驱动程序包含许多例程，当操作系统遇到一个i r p 时，它调用 驱动程序中的相关例程来执行该i r p 的各种操作。有些例程是必需的，如 d r i v e r e n t r y 、a d d d e v ic e ，还有d is p a t c h p n p ，d is p a t c h p o w e r 和d is p a t c h w m i 等派遣函数。有些例程与要实现的功能有关，如需要对i r p 排队的驱动程序一 般都有一个s t a r t i o 例程，执行d m a 传输的驱动程序应有一个a d a p t e r c o n t r o l 例程。图5 1 描述了w d m 驱动程序的些例程。w d m 驱动程序的开发者的任务 就是如何选择所需要的例程。 电子科技大学硕士论文 基本驱动程序例程i 0 控制例程派遣函数 s f a r f l 0 o n i n t e r r u p t d p c f o r l s r a d a p t e r c o n t r o l 图5 1w d m 驱动程序例程 5 1 1 3 设备和驱动程序的层次结构 d i s p a t c h p n p d i s p a t c h p o w e r d i s p a t c h w m i d i s p a t c h r e a d d i s p a t c h w r i t e 粕m 驱动程序采用分层的结构模型，如图5 2 所示。图中左边是一个设备 对象堆栈，设备对象是操作系统为帮助软件管理硬件而创建的数据结构。处于 堆栈最底层的是物理设备对象p d o ( p b y s i c a ld e v i c eo b j e c t ) ，设备堆栈的中 间有一个功能设备对象f d o ( f u n c t i o n a ld e v i c eo b j e c t ) ，在f d o 的上面和下 面可能还会有一些过滤器设备对象f i d o ( f i l t e rd e v i c eo b j e c t ) ，位于f d o 上面的过滤器设备对象称为上层过滤器，位于f d o 下面的过滤器设备对象称为 下层过滤器。 操作系统的p n p 管理器按照设备驱动程序的要求构造设备对象堆栈。总线 驱动程序枚举总线上的设备，并为每个设备创建一个p d o 。 创建完p d o 后，p n p 管理器参照注册表中的信息查找与这个p d o 相关的过 滤器和功能驱动程序。系统安装程序负责添加这些注船表项，驱动程序包中控 制硬件安装的i n f 文件负责添加其它表项。这些表项定义了过滤器和功能驱动 程序在堆栈中的次序。p n p 管理器先装入最下层的过滤器驱动程序并调用其 a d d d e v ic e 函数。该函数创建一个f i d o 并把p d o 连接到f i d 0 上。p n p 管理器 继续向上执行，装入并调用每个下层过滤器、功能驱动程序、上层过滤器，直 到完成整个堆栈。 电子科技大学硕士论文 图5 2w d m 设备对象和驱动程序的层次结构 层次结构使i o 请求过程变得更加明了。影响到设备的每个操作都使用 i o 请求包。通常，i r p 先被送到设备堆栈的最上层驱动程序，然后逐渐过滤 到下面的驱动程序。每一层驱动程序都可以决定如何处理i r p 。 不同位置的驱动程序完成不同的功能。总线驱动程序管理计算机与p d o 所 代表的设备的连接，功能驱动程序管理f d o 所代表的设备，过滤器驱动程序用 于监视和修改i r p 流。 5 1 1 4 中断级别i r q l 在w i n d o w s 内核中，中断按其优先等级分为3 2 个级别，表5 一l 中列出了 中断级别的排列顺序。 表中优先等级的排列顺序为从上到下优先级依次提高。在这些中断级别 中，p a s s i v e l e v e l ，a p c l e v e l 和d i s p a t c h l e v e l 这3 级是属于软件中断 级，其他2 9 级均属于硬件中断。任何一个中断总可以被更高级的中断打断。 有时为了避免与硬件发生冲突和竞争，需要这些硬件操作在硬件中断级运行， 以屏蔽硬件中断。 顺序i r q l描述 0p a s s i v e l e v e l常规线程 软件中断 1a p cl e v e l异步过程调用 电子科技大学硕士论文 2 d i s p a t c h l e v e l线程调用，延迟过 程调用 3 2 6d i r q l硬件中断 2 7p r o r i l el e v e l配置文件定时器 硬件中断 2 8c l o c k 2l e v e l时钟 2 9i p il e v e l处理器之间中断 级 3 0p o w e rl e v e l电源故障级 3 1h i g hl e v e l最高级 表5 1 中断级别 w i n d o w s 的内存管理采用了虚拟内存的概念，有相当一部分的内存实际不 是在物理内存中，而是在硬盘中。当访问并不存在于实际物理内存中的地址时， w i n d o w s 的核心模块内存管理器会引起一个页故障，这是一个软件级别的中 断，发生在d i s p a t c h l e v e l 级别上，然后调用硬盘驱动程序把故障页从硬盘 读入内存中。如果这时驱动程序也运行在d r s p a t c h l e v e l 级上，并且需要访 问个会引起页故障的地址，就将发生如下结果：驱动程序需要等待地址有效， 而使地址有效的w i n d o w s 发出的页故障却被驱动程序屏蔽，即w i n d o w s 在等待 驱动程序的结束，这样就造成了两者的互相等待而引起蓝屏。 在此，对内存进行简单的分类。用分页内存( p a g e dp 0 0 1 ) 和非分页内存 ( n o n p a g e dp 0 0 1 ) 来表示两种不同的内存。分页内存是指可以被交换到硬盘 上的内存页，非分页内存是指不能被换出的内存页，即它存在于物理内存中， 不会引起页故障。 这里有一个根本性原则：在d i s p a t c h l e v e l 及以上级别上运行代码时， 访问豹内存为非分页内存。 5 i 1 5 设备接口 用旧的命名方法命名设备对象，并创建一个应用程序能够使用的符号连 接，存在两个主要问题。一是命名设备对象会带来潜在的安全问题。此外，访 问设备的应用程序需要先知道设备采用的命名方案。为了解决这些问题，w d m 引入了一个新的设备命名方案，该方案是语言中立、易于扩展的，可用于许多 硬件和软件厂商，并且易于文档化。该方案依靠个设备接口( d e v i c e 电子科技大学硕士论文 i n t e r f a c e ) 的概念，它是软件如何访问硬件的一个说明。一个设备接口被一 个1 2 8 位的g u i d 唯一标识。 如果要使设备接口对w i n 3 2 应用程序可见，w d m 驱动程序必须在a d d d e v i c e 例程中注册一个或多个设备接口。之后，在启动例程中激活设备接口，在停止 例程中禁止设备接口。 5 1 2 驱动开发工具 在该驱动程序开发中，使用了n u m e g a 公司的d r i v e r s t u d i o2 6 版本。 d r i v e r s t u d i 0 是一个开发工具包，包含v t 0 0 1s d ，d r i v e r w o r k s 和s o f t i c e 等开发工具，现在较高的版本为2 5 ，2 6 ，其中，2 6 版本可以用于w i n d o w sx p w d m 设备驱动程序的开发。用d r i v e r w o r k s 程序生成w d m 程序的框架对于开发 人员来说相对比较简单，但仍然满足d d k 对w d m 的要求，调用的还是d d k 提供 的基本函数。 v 1 d r i v e r w o r k s d r i v e r w o r k s 是驱动程序框架向导，可以自动生成通用的驱动程序项目框 架及源代码，简化开发过程。 2 d r i v e r m o n i t o r d r i v e r m o n i t o r 是d r i v e r s t u d i o 提供的开发工具之一。一方面，运行它即 可用来观察w d m 或n t 驱动程序在c h e c k e d 状态下的输出流；另一方面，可以 用它来加载、运行、停止和卸载n