（信号与信息处理专业论文）基于fpga的超声诊断仪中pci接口技术研究.pdf

摘要摘要基于f p g a 的超声诊断仪中p c i 接口技术研究硕士研究生邱文静导师郭学雷东南大学信息科学与工程学院超声诊断仪是临床医学的常规检查设备。近年来，随着人们生活水平的改善、健康意识的增强以及社区医疗事业的发展，对超声诊断系统提出了更新更高的要求。医学超声成像系统主要由超声探头激励电路、回波信号接收处理电路、同步控制电路、接口电路以及计算机构成。其中，接口电路完成超声图像的暂存和传输的功能控制，计算机实现图像的存储、显示以及各种处理。p c i ( p 耐p h e f a lc 伽叩th l t c 邪咖t ) 局部总线是应用在微机领域的接口技术，它具备其他总线无法比拟的优点，如支持热插拔、传输速度快且稳定、低能耗等。p c i 局部总线的引入，打破了数据传输的瓶颈，其以优异的性能成为微机总线的主流。同时p c i 总线因其高性能的特点在工程各个领域中得到了广泛应用，是极具竞争力的一种总线标准。本文介绍了一种应用在医学超声诊断系统中的p c i 接口设计，并提出了一种d m a 方式下实现超声图像数据传输的方法。本方案中，以f p g a 作为d m a 数据传输的控制核心，结构简单，灵活性强，方便易行，完全满足医学超声诊断系统实时显示图像的要求。在充分了解医用医学超声成像系统的原理、p c l 2 2 总线规范、d m a 数据传输原理、f p g a 设计原理及方法、p c i 设备驱动程序原理的基础上，建立了基于d m a 方式的医学超声诊断采集系统的p c i 接口模型。本文采用了触t 啪公司的p c i 核_ p c im t 3 2 ，在q m a r l 瑚上完成了基于p c i 总线的接口电路包括d m a 控制器、乒乓缓存控制结构、数据通道f i f o 等基本模块的设计工作，并在m o d c l s i m 上进行仿真。由于时间的限制，本方案在实际应用中的验证工作有待下一阶段继续进行。关键词：医学超声成像，p c i 局部总线，d m a ，乒乓缓存a b s n a c tr e s e a r c ho np c ii n t e r f a c e1 b c h n i q u eo fu l t r a s o u n dd i a g n o s t i c sb a s e do nf p g i am s c a n d i d a t e ：q i uw e n j i n gs u p e r v i s o r ：g u ox u e l e is c h lo fi n f o m a 廿o ns c i e n c e 蛆de n g i n e e r i n g ，s o u t h e a s tu n i v e r s i 锄c h i n au l 仃孙砌cd i a g n o s 6 ci n s 饥l m 衄协a n e c 髂s a r yc l i n i ce q u i p l n i m t s 1 i l 他c e n ty 玛，、肮mt h ei m p r 0 v 锄吼to fp e o p l e sl i f c 锄dt h ed t v e l o p m e n to fs o c i e t yh e a l l hs e n ，i c 骼，t h e 旭i sa ni n c r e 痂gd 既油n df 0 rh i g hq 砌i t ) ，u l 嘲。嘶dd i a g n o s t i c sw i t hb e t t c rp i 刑b n m n c 髓强dl o w 盯c o s t t h eu l 仃弱o n i ch a g i n gs 弘t 锄i sm a d eu po f 咖b e 甑c i 协d c 硫u i t ，帕谳v i n g 锄dp r o c e s s i n gc i r c 晡t ，s y n c h r o n o 璐c o n 臼- o lc i m 址i n “：r l f - a c cc i r c u i ta n dc o n l l ，u t e ，r h ei n t e r f h ec i c u i tc o n 仃d l si l a t a 缸a n s f a 渤ga n d 傀舶1 1 缈s 弛g ，w h n et 1 1 ec 眦n p m e r 删沱髓t h es t m g e ，d i s p l a y 觚d 嘶。璐p r o c e s s i n go fi m a g ci n 也ec 伽叩u t 既t h e p c ib 璐i s 觚i n t i 既饥et c c l l n i q 砒a p p l i c di i ln 圮m i 啪c 唧u t c rf i e l d 缸i t sb e n 娟忸o f 协l ep l u ga n dp l a 弘h i g hs p d ，s t a _ b i l i 蒯a n dl o wp o w e r p c ib l 娼b e c o m 懿t h eb 鹪tc h o i c ef b fc o m m u l l i c 撕o nb e 柳啪c 伽叩u t c r 蛆dp 耐p h e 蹦d e 、，i c 铭t h ep c ib 璐p r o t o c 0 1i s i n 仃i c y 锄d “i s e0 f t h cm o s tc 锄p 舐t i v eb 璐嘶锄sf o r g i i l 曲ga p p l i c a t i t h ep a p 贫d e s c m 髑m ed e s i 印o fap c ii n t c m 帕ew 】【l i c ha p p l i e di nm eu l 们s o u 叽dd i a 印o s t i c s ，觚dp r o p o s 懿am e m o d 衙i m p l 锄船t i n gh i g h 8 p e e di 】嗽g e 缸姐s f 白咖gb yd m a o 盯d e s i g nu s 鹤f p g a 雒t h cp i i m d rc 缸d l l e rf 研d a 脑咖f i e r r i n g w i t l lt h e 缸l v 姚g 髑o fs i i n p l es 饥比t l l ，n i c ef l e x i b i l i 锣觚dc o n v e n i 锄，i ts a t i s f i 懿t h ed e m 蛆df 研r l t i m ed i s p l a 蜘gi nt l l i ss y s 自e m b 鹊c do nt h ea c q 啪j 1 1 眦eo ft h e 研n c i p l eo fi m a g e q u i s i t i s y s t a 【n ，p c ib 啦眦吐t h em 巧o fd m a ，缸df i l n d a m t a l so fp c id g 、，i c e 硒v e r ，也ep a p 贸髓劬l i s h e st h ei n t e r f 8 c em o d c lf 研t h eh i g h s p db 1 珞u l 缸硝o i m dd i a g n o s t i cs y s t 眦t h ep 印盯a p p l i 嚣t h ep c ic o 他的ma i 胍r ac o r p 盟df i n i s h 鹊廿地d 鹤i 印w o i l 【q l l t u a n s 锄ds i m u l a t i w o d 【m 0 d e l s i mo fd m ac 仃0 1 1 p i n g p gb u 妇研g 眺c n 矾弛dd a t ap a t hf i f o d l l l et 0也e1 i m i 觚o no ft i m i n g ，t h ed e t a i l e dc 唧撕s o na n ds c l e c t i o ft h ed e s i g na 托t h em a i nt a s ki nt l l e 北x ts t a g e k e yw o r d s ：m e d i c a l 切舰s o 岫dh a g i i 培，p c ib 璐，d m 气p 吨- p gb u 丘打东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南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了谢意。研究生签名：东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。研究生签名：翩签殛堕嗍毕柏第一章绪论第一章绪论现代医学超声诊断仪是最新医学超声基础理论研究、新型压电材料和超声换能器、计算机处理、声成像技术与信息传输技术相结合的产物，是当前应用前景非常广阔的医疗仪器。医学超声成像技术是利用超声换能器的压电效应，将高频电脉冲激励信号以超声波的形式发射出去，并采集生物体内组织反射的回波信号，通过信号和图像处理转换为图像输出。随着超声成像技术的发展和不断完善，其将在医学诊断中发挥越来越重要的作用。二十一世纪是数字化的时代，各种形式的信息是以数字的方式存储于容量越来越大，速度越来越快的计算机中。医学超声诊断仪与计算机的联合，突破了传统超声诊断仪在数据处理、表达和存储方面的限制。尤其是具有高性能、线性突发传输、兼容性强及性价比高等优点的p c i 局部总线的发展，满足了超声图像实时显示所需要的高速数据传输的要求，因此医学超声诊断仪可以通过p c i 总线接口将数据传输进入计算机进行后续处理。本论文研究了p c i 总线规范和d m a ( d i r e c tm 锄。巧缸c 嚣s ，直接存储器存取) 方式下数据传输的基本原理，在此基础上为医学超声诊断仪设计了p c i 接口，以f p g a 作为数据传输的控制核心，实现了超声数据的实时传输和显示。1 1 医学超声成像系统概述医学超声成像技术以观察人体信息为目的，目前使用较为广泛的是x 线成像，超声波成像，磁共振成像，放射性核素成像，热成像，光学成像等。超声成像技术，由于具有安全，使用面广，直观，可重复检查，对软组织鉴别能力强，灵活等特点，已成为当今医学图像诊断中的首选技术，在现代诊断技术中有极为重要的地位【4 5 ，删。近些年来，随着数字波束形成技术和半导体器件的快速发展，超声诊断设备已经进入了全数字化时代，并开拓了许多新的诊断领域。1 1 1 医学超声诊断设备的发展超声作为工程技术出现在2 0 世纪。4 0 6 0 年代超声技术得到了很大的发展，但是现代医学超声技术的发展始于7 0 年代其发展大致分为以下两个阶段：( 1 ) 2 0 世纪7 0 年代以前这个期间属于第一代模拟超声的发展，三种体系的超声相继出现：a ) 1 9 4 6 年融s t o 提出了a 型超声诊断技术原理，使这种示波管上的横坐标表示超声波的传播时间，即探测深度，纵坐标表示回波脉冲的幅度的a 型超声在随后的5 0 、6 0 年代得到了全面地发展，为m 型、b 型超声的发展打下了坚实的基础。b ) 5 0 年代末随着第一次国际超声会议的召开，1 9 5 8年h e r t z 提出了m 型超声的理论。c ) 6 0 年代初，随着前两类超声的出现，b 型超声得到了广泛的研究。( 2 ) 7 0 年代以后7 0 年代初期，半导体厂商把微型机最基本的部件制作在一个硅片内，于是出现了以一个大规模集成电路为主组成的微型计算机单片机，很快它就在超声仪的d s c 、d s p 中t东南大学硕士学位论文得到了应用，使b 型超声得到了蓬勃的发展，成为了第二代数模结合的超声。在国内，2 0 世纪5 0年代以前对超声的研究几乎是个空白，之后不久出现了少量的研究，大规模的研究始于6 0 年代。今天，在超声研究的各大领域都开展了研究与应用，少数项目接近或达到了世界先进水平。引进先进的数字信号与图像处理技术是超声诊断设备发展的一个重要的阶段，它标志着超声诊断设备在技术上的完善。早期的超声诊断设备多数采用模拟线路，仪器的功能很有限，图像的质量也比较差。7 0 年代后期，随着半导体技术的发展，计算机技术、数字信号与图像处理技术在超声诊断设备得到利用，从而使设备的性能得到了很大的提高，数字扫描变换器的问世就是一个明显的标志。早期的b 型超声显像仪式将接收到的回波信号按照与探头一致的扫描方式直接送显示器。这样的图像不仅存在闪烁严重、灰阶等级少、扫描间隙大等问题，而且无法将图像冻结，也就谈不上进步的图像处理。自从引入了d s c ( 数字扫描变换器) 后，就解决了图像闪烁的问题。目前，在高档的超声诊断设备中都充分体现了数字化的概念。在波束形成过程中，数字式延迟线提高了波束聚焦的精度，从而提高了图像分辨力；在回波信号的预处理中，数字帧相关技术抑制了图像的斑点噪声：高性能的数字扫描变换器不仅实现了坐标变换与数据插补，而且可以使图像具有放大、缩小、变焦、摇镜头等多功能。最近，全数字式的超声诊断设备的推出把超声诊断设备的性能推向了顶峰。1 1 2 医学超声成像原理医学超声诊断成像有多种方法，可以是反射成像，也可以是透射成像或散射成像，主要有以下几类嗍：1 脉冲回波法诊断信息产生于超声经人体组织界面的反射和散射后的信号强弱，这是目前使用最广泛的方法。2 多普勒法诊断信息产生于超声经运动着的人体组织界面和血流细胞所反射和散射后的超声信号的频移，或者说多普勒频移。目前应用这类成像方法的设备的品种比较多，如胎儿听诊器、血流检测仪、多普勒诊断系统和彩色血流显像仪等。3 透射法诊断信息产生于超声透射过人体组织后的幅度及相位的变化，其应用有超声全息、透射型超声c t 、透射型超声显微镜等。按信号显示方式的不同，脉冲回波法分为a 型、m 型及b 型三大类。1 ) a 型显示方式a 型显示是超声诊断仪最基本的一种显示方式，因其回声采用幅度调制( a i n p l 沁d em o d u l 撕o n )而得名。在阴极射线管荧光屏上，以横坐标代表被探测物体的深度，纵坐标代表回波信号的幅度，由探头( 换能器) 定点发射获得的回波所在的位置可测得人体脏器的厚度、病灶在人体组织种的深度以及病灶的大小。根据回波的一些特征，如波幅和波密度等，还可以在一定程度上对病灶进行定性分析。由于a 超仪显示的是回声波形图，只能反映局部组织的回波信息，不能获得在临床诊断上需要2第一章绪论的解剖图形，且诊断的准确性和操作医生的识图经验关系很大，因此其应用价值已渐见低落，很少被医院使用了。2 ) m 型显示方式m 方式显示的图像是由运动回波信号对显示器扫描线实行辉度调制，并按照时闯顺序展开( t i m e m o d ) 而获得一维空间多点运动时序图，故称之为m 型超声诊断仪。m 型超声诊断仪发射和接收的工作原理与a 型相似，不同的是其显示方式。对于运动脏器，由于各界面反射回波的位置及信号大小是随时间而变化的，如果仍用幅度调制的a 型显示方式进行显示，所显示波形会随时间而改变，得不到稳定的波形图。因此，m 超仪采用辉度调制的方法，使深度方向所有界面反射回波，用亮点的形式在显示器垂直扫描线上显示出来，随着脏器的运动，垂直扫描线上的各点将发生位置上的变动，定时的采样这些回波并使之按时间先后逐行在屏上显示出来，便可构成一副反射界面的活动曲线图。m 型超声诊断仪对人体中的运动脏器，如心脏、胎儿胎心、动脉血管等功能的检查具有优势，并可进行多种心功能参数的测量，如心脏瓣膜的运动速度。加速度等。但m 型显示仍不能获得解剖图像，它不适用于对静态脏器的诊查。3 ) b 型显示方式采用b 型显示方式的仪器称为b 型超声诊断仪，简称b 超仪。b 超仪采用亮度调制( b n g h t i l e s sm o d u l a t i o n ) 方式来显示回波信号的强弱，因此而得名b 超。b 型显示时，探头中的换能器所发射和接收的超声波方向按一定规则扫查过一个平面，所以显示的b 型黑白图像是一幅两维的截面声像图，因此常把这类仪器称为超声断层显像仪，国外则常称它为b 型超声扫查仪0 n t r a s 啷db m o d es 娓n n e r ) 因为脉冲回波法可获得回波信号幅度和回波反射源深度的信息，调亮后的光点亮度( 通常称为灰阶) 与回波幅度间存在一定的函数关系( 由显示管的调制特性决定) 。在b 超仪的接收放大通道中使用对数放大器，因此调亮所用的回波信号已经经过对数压缩处理，于是显示出来的两维黑自图像具有很大的动态范围，其灰阶代表着反射( 或散射) 系数的变化。声阻抗大的组织和结石等物质( 质量密度大的组织和物质，其声阻抗通常也大) ，其反射系数也大，所以b 超图像上的光点亮度也高。b 超图像所能显示的组织界面及组织内部不均匀性的反射系数的变化范围很大，加之两维截面声像图的解剖学特性，使得b 型图像具有极大的诊断价值。目前，b 超图像诊断已适用于医院的很多科室，促进了b 超仪的技术发展及产品系列化进程。4 ) p 型显示方式p 型超声诊断仪也是一种二维超声断层显像仪，亦采用辉度调制显像方式。与b 型超声诊断仪不同之处，是其探头发射的超声波束采用圆周扫描方式进行探查，这只要使用机械系统使探头作圆周旋转，同时使阴极射线示波管扫描线绕屏中心点作相应圆周扫描即可。p 型超声诊断仪主要适用于对肛门、直肠内肿瘤、食道癌及子宫颈癌的检查，亦可用于对尿道、膀胱的检查。p 型超声诊断仪所使用的探头称为径向扫描探头，如尿道探头、直肠探头都属于径向扫描探头。5 ) c 型显示方式3东南大学硕士学位论文c 式显示也是一种亮度调制的显示，也是以灰阶显示的二维切面声像图。所不同的是，通常b超仪所获得的是超声波束扫查平面本身的切面像，即纵向切面像；而c 型扫查所获得的是距离探头某一特定深度的与扫查声束轴向相垂直的切面像，即横向切面像。可见，c 型扫查平面与常规的b超仪扫查平面是相互垂直的，改变c 型扫查深度，便可获得不同深度的c 型切面图像。1 2 现代计算机常用的接口方式随着微电子技术和计算机技术的发展，总线技术也在不断的发展和完善。现代计算机与周围器件之间的接口可以有多种方式，如r s 2 3 2 串行口、并行口、u s b 总线、i s a 总线、p c i 总线等。1 r s 2 3 2 串行接口串行通信是在单根导线上将二进制数一位一位的顺序传输，串行通信较并行通信，虽然速度较低，但可节约大量的线路成本。现在的p c 机一般至少有两个串行口，由于p c 机的限制，其最高传输速率不超过1 1 5 k b p s ，同时传输的距离也不会超过1 5 米。采样系统与p c 机接口速度的瓶颈作用会导致一部分数据丢失，失去连续采样的意义。2 并行接口并行接口又简称为“并口”，是一种增强了的双向并行传输接口。优点是不需要在p c 机中用其他的卡，无限制连接数目，设备的安装和使用容易，最高传输速率为1 5 m b p s 。所谓“并行”，是指8 位数据同时通过并行进行传送，这样数据传送速度大大提高，但并行传送的线路长度受到限制，干扰也会增加，容易出错。3 u s b 总线u s b ( u n i v c l l s a ls 商a 1b 邺即通用串行总线) 是一种简单实用的计算机外部设备接口标准，目前大多数主板均有提供。通用串行总线u s b 是由h t c l 、c o m p a q 、d i g i t a l 、m m 、m i c r o s o r 、n e c 、n o h 锄t e l 锄等7 家世界著名的计算机和通信公司共同推出的一种新型接口标准。它基于通用连接技术，实现外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成本、扩展p c 机连接外设范围的目的。它可以为外设提供电源，而不像普通的使用串、并口的设备需要单独的供电系统。u s b 总线从诞生起便引发了一场产业革命。它以灵活、方便、应用范围广、通信稳定、成本低廉等优点，使得p c机的接口纷纷从串行口和并行口转到u s b 总线上来。4 i s a 总线最早的p c 机的系统总线是m m 公司于1 9 8 1 年推出的基于准1 6 位机p c t 的总线，称为p c总线。1 9 8 4 年m m 公司推出了1 6 位p c 机p c a t ，其总线称为a t 总线。为了能够更好的合理开发外接插板，由h t e l 公司、m e e 和e i s a 集团联合开发出与i c m | a = r 原装机总线意义相近的i s a 总线。i s a ( p c 觚p c 灯) 总线是微机最基本的总线，从8 0 8 6 到p t i 啪w 都支持该总线，而且大部分接口电路和系统都使用该总线。随着计算机主频的提高和外设速度的加快，i s a 总线的8 3 3 m b p s 的峰值传输率和8 1 6 b i t 的数据宽度这两项关键指标成为了制约系统性能以及高速传输的最大瓶颈，因此i s a 总线标准正在逐渐地被淘汰。5 p c i 总线4第一章绪论i s a 总线时钟频率仅为8 m h z ，即使对于1 6 b “的数据端口，在不间断传送周期下总线的最大传送速率也仅为2 m 仍，显然i s a 总线无法完成高速数据采集任务。由于i s a 总线已经严重制约了计算机发展，因此业界于1 9 9 3 年提出了p c 机的一项新技术局部总线。局部总线是p c 机体系结构的重大发展，它打破了数据i o 瓶颈，使高性能c p u 的功能得到了充分发挥。p c i 总线推出以后，其以突出的性能备受计算机和通信业界的青睐，它取代以往的总线，成为高档机及高性能工作站外部部件的基石。p c i 总线作为一种局部总线，一边与处理器和存储器总线接口，另一边为外设扩展提供了高速通道。时钟频率为3 3 m h z 、3 2 b i t 的p c i 总线，可以实现1 3 2 m b s 的数据传输速率，6 4 b “的p c i 总线性能则加倍。它可以有效地解决数据的实时传输和存储，为数据的实时处理提供了方便。为此，我们根据课题的具体要求，利用计算机p c i 总线突出的数据传输性能，研究了应用在医学超声诊断中的p c i 接口系统。1 3w d m 驱动程序概述m i 啪s 硪为设备驱动程序开发了新的技术，即w d m 设备驱动程序，它实现了平台之间可移植性。w d m 驱动程序在其定义中就规定了其源代码可以在w i n d 0 、s9 8 ，w i n d o w sm e ，w m d o 粥2 0 0 0 ，w m d o w s 之间相互移植。为了实现这种可移植性，驱动程序应该全部采c 语言编写，应避免使用编译器厂商专有的语言特征。因为w d m 设备驱动程序的目标就是适用于多平台，所以为多个应用平台只编写一次驱动程序成为可能的设计。1 3 1w d m 驱动程序的层次结构w d m 驱动程序采用分层的结构模型。如图1 1 所示，左边是设备对象堆栈。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。处于堆栈最底层的设备对象称为物理设备对象( p h y s i c a ld e 、，i 0 畅e c t ) ，简称为p d o 。在设备对象堆栈的中间有一个对象称为功能设备对象( f u n c t i o 1d e 、，i c e0 l b ! i t ) ，简称为f d o 。在f d o 的上面和下面还会有一些过滤器设备对象( f i l t e rd c 、，i c eo b j c 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f 3 一。5东南大学硕士学位论文图1 1 驱动程序层次结构设备对象堆栈是按照操作系统的p n p 管理器依据设备驱动程序的要求构造的，总线驱动程序的一个任务就是枚举总线上的设备，并为每个设备创建一个p d o 。一旦总线驱动程序检查到新硬件存在。p l l p 管理器就创建一个p d o ，创建完p d 0 后p n p 管理器按照注册表中的信息查找与这个p d o相关的过滤驱动程序和功能驱动程序，它们之间的关系如上图所示。系统安装程序负责添加这些注册表项，而驱动程序包中控制硬件安装的盯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 印管理器装入底层的过滤器驱动程序，调用其a d d d e v i c e 函数。该函数创建一个f i d o ，这样就在过滤器驱动程序和f i d o 之问建立了水平连接。然后，a d d d c 、，i c 把p d o 连接到f i d o 上，建立设备对象之间的连线。然后p n p 管理器依次向上执行，直到完成最后整个堆栈。上面的层次结构使i o 请求过程显得更加清晰明了，对上面设备的每个操作都使用了i o 请求包，一般冲先被送到设备堆栈的最上层驱动程序，然后逐渐过滤，逐步送到下面的驱动程序。每一层驱动程序都可以决定如何处理口。有时，驱动程序不做任何事，仅仅是向下层传递该冲，有时驱动程序直接处理完该强就不再向下传递，还有时驱动程序既要处理心又把冲往下传递，这取决于是何种设备以及眦所携带的内容。在单个硬件的驱动程序堆栈中，不同位置的驱动程序扮演的角色也不同。功能驱动程序管理f d o 所代表的设备，总线驱动程序管理计算机与p d o 所代表的设备的连接，过滤器驱动程序则用于监视以及修改耻流。1 3 2 设备的识别驱动程序被加载后，内核其它驱动程序和用户态程序都可能与该驱动程序通讯，通过这个驱动程序控制某个硬件设备的行为，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，存在着两个主要问题，一是命名设备对象会带来潜在的安全问题，访问设备的应用程序需要先知道设备采用的命名方案，如果硬件只使用你的应用程序访问，不会出现什么问题，但是如果硬件使用的是其他的公司写的应用程序，那么设计一个合适的命名方案是很困难的，为此需要有一种方法使其他的程序可以识别这个驱动程序，创建设备接口：驱动程序通过全局唯一标识符( g u d ) 来标识一个接口，w n 3 2 程序通过该接口可以识别相应的设备。可以用g 切d g e n 工具生成一个6第一苹绪论g u d ，所有的g u d 都是唯一的，然后在功能驱动程序的a d l d 鲥例程中调用i o 脚t e r d e 、，i c e h c c r 缸e 函数注册这个设备接口。i o r e 酉s t e r d e v i c e h l t l 缸k e 的第一个参数必须是设备p d o 的地址。第二个参数指出与接口关联的g u m ，第三个参数指出额外的接口细分类名。第四个参数是一个i j l c o d e s 删g 串的地址，该串用于接收设备对象的符号连接名。因为硬件设备在这时并没有设置好，这时该接口还不能应用，只有在随后驱动程序响应了p n p 的心删s t a r id e c e 请求时，驱动程序设置好硬件设备后，才可以调用l o s 叩e v i c e h t e k e s t a t e 函数“使能”该接口，之后内核模式代码和用户模式代码就可以通过该接口访问这个设备。1 4 论文的主要研究工作本论文提出了一种基于p c i 2 2 总线协议的d m a 方式实现医学超声诊断仪的高速图像传输的方法，实现了基于p c i 总线的超声图像信号的实时传输和存储。本论文着眼于使用计算机实现超声图像的高速实时传输、显示和存储，选用p c i 作为图像传输的路径，将超声探头采集的经过数字化的信号输入计算机进行处理和显示。在超声系统的整体设计中，要求采集到的超声图像的大小为1 0 2 4 2 5 6 ，也就是每一幅图像的大小为2 5 6 k b ，对于现在意义上的能够实时显示的超声系统，帧频需要达到3 0 h z 以上，因此需要数据传输数据速率大于7 5 m b s 。p c i 2 2 的高速特性完全能够满足超声系统的快速、实时地显示图像的要求。在本文中，主要工作是应用可编程逻辑器件f p g a 来设计p c i 总线主从接口设备。p c i 总线接口设计包括硬件设计和软件编程两部分。硬件上，详细介绍了f p g a 的设计方法，深入理解了f p g a的r 1 几级设计技术，包括数据通道，接口和有限状态机。在深入理解p c i 局部总线协议的基础上，把协议应用到本设计中。根据本系统中p c i 接口的具体性能要求裁剪了a 妇魈公司提供的p c i 软核p c im t 3 2 来节省硬件资源，缩短开发时间。软件上，用d r i v 加d i o 驱动程序开发包，生成的基本的驱动程序框架，并按照本卡的实际功能修改填写相应的程序。具体工作如下：1 深入研究了p c i 总线协议规范。包括信号定义、总线操作、电气参数、配置空间的研究。2 根据设计的性能要求，在深入研究p c im t 3 2 的基本功能的基础上，对系统框架的功能模块进行了划分，完成了各个功能模块的设计，采用两组s 黜m 实现乒乓缓存操作，设计了d m a 控制器实现对数据传输的控制。3 f p g a 的设计和编程工作( 输入输出信号的设计、用佃l l 语言编程、功能仿真、综合等) 。4 利用d r i v 髓加d i o 开发工具包生成驱动程序并按照本系统中的具体应用添加和修改程序。7第二章p a 总线技术研究第二章p c i 总线技术研究随着计算机技术的不断发展，计算机的体系结构也发生了显著的变化，如c p u 的运行速度的提高、多处理器结构的出现、高速缓冲存储器的广泛采用等，都要求总线进行高速数据传输，从而出现了多总线结构，多总线结构即指c p u 与存储器、i ，o 等设备之间有两种以上的总线，这样可以将慢速的设备和快速的设备挂在不同的总线上，以减少总线竞争，提高系统的效率。在多总线结构中，局部总线的发展最令人瞩目。局部总线是指来自处理器的延伸线路，与处理器同步操作。由于局部总线有极高的数据传输率，因此，其在c p u 与高速缓存器、高速图形卡等场合得到广泛的应用。本论文正是利用了局部总线中的p c i 总线完成医学超声诊断系统的接口设计，以满足高速数据传输的要求。2 1p c i 局部总线的特点相对于其他常用的总线而言，p c i 总线主要有以下特点【i 】：( 1 ) 独立于处理器，为p c i 局部总线设计的器件是针对p c i ，而不是针对处理器的，因此设备的设计独立于处理器的升级。( 2 ) 每个p c i 局部总线支持约8 0 个p c i 功能，一个典型的p c i 支持约1 0 个电气负载，每一个设备对于总线来说就是一个负载，因此，每一个设备可以包括8 个p c i 功能。( 3 ) 低功耗，p c i 技术规范的主要设计目标就是实现电流尽可能小的系统设计。( 4 ) 在读写传送中可实现突发( b u r s t ) 传送，3 2 位3 3 m h z 的p c i 局部总线在读写传送中可支持1 3 2 m b s 的峰值传送速率，对于6 4 b “3 3 m h z 的p c i 传送支持2 6 4 m b s 的峰值传送速率，对于6 4 位6 6 姗z 的p c i 局部总线，其传送速率可以达到5 2 8 m b s 。( 5 ) 支持多达2 5 6 个p c i 局部总线，技术规范提供了对2 5 6 个p c i 局部总线的支持。( 6 ) 总线速度：2 o 版规范支持的p c i 局部总线速度达到3 3 m h z ，2 1 以上的版本增加了对6 6 m h z总线操作的支持。( 7 ) “位总线扩展支持。( 8 ) 访问时间快，当停靠在p c i 局部总线上的主设备写p c i 目标时，在3 3 m h z 总线速度下，访问时间只需要6 0 璐。( 9 ) 并行总线操作，桥支持完全总线并行操作，与处理器总线、p c i 局部总线和扩展总线同步使用。总线主设备支持：全面支持p c i 局部总线主设备，允许统计p c i 局部总线访问和通过p c i - p c i桥与扩展总线访问主存储器和扩展总线设备。隐式总线仲裁：p c i 局部总线仲裁能够在另一个总线主设备正在p c i 局部总线上执行传送时发生。凹引脚数少，一个功能的p c i 从设备只需要4 7 个引脚，而主射各只需要4 9 个引脚。9东南大学硕士学位论文交易完整性校验，在地址、命令、数据周期上进行奇偶校验。3 类地址空间，即指存储器、i o 和配置空间。自动配置。插入卡，规范包括p c i 连接器和插入卡的定义。：，2 2p c i 局部总线的信号说明在一个p c i 应用系统中，如果某个设备取得了总线控制权，就称其为“主设备”；而被主设备选中以进行通信的设备称为“目标设备”。对于相应的接口信号线，通常分为必备的和可选的两大类。如果只作为目标设备，至少需要4 7 条信号线，如作为主设备则需要4 9 条信号线。利用这些信号线，便可以处理数据、地址，实现接口控制、仲裁以及系统功能。下面对主设备和目标设备综合考虑，并按照功能分组将这些信号表示如图2 1 所示【1 1 。r 固移? )二r e q 6 4 二严二t r d y 二二a c k 6 4 二p c i 总线设i n t a 。备i n t b 二i n t c 二r，i n t d 。s d o n e 。rr e q二t d o气二t c k支t m s二t r s t图2 1p c i 局部总线信号其中常用各信号定义如下【1 1 ：c l k ：系统时钟信号，对于所有的p c i 设备都是输入信号。其工作频率范围为o 3 3 m h z 或0 巧6 m h z ，其它的信号在c l k 的上升沿有效。r s t ：复位信号。用来使p c i 专用的特性寄存器和定序器相关的信号恢复为规定的初始态，必要的p c i 配置寄存器其复位状态是明确规定的，每当复位时，p c i 的全部输出信号一般都应驱动到第三态。当设备请求引导系统时，将响应复位，复位后响应系统引导。1 0第二章p c i 总线技术研究a d 【3 1 ：0 0 】：它是地址、数据多路复用的输入输出信号。在丹蝴有效时，是地址期，在y和1 1 m y 同时有效时，是数据期。一个p c i 总线传输中包含了一个地址期和接着的一个( 或无限个)数据期。p c i 总线支持突发方式的读写功能。c b e 【3 ：o 】：它是总线命令和字节使能多路复用信号线。在地址期中，这四条线上传输的是总线命令，在数据期内，它们传输的是字节使能信号。h 蝴：由当前的设备驱动，表示一次访问的开始和持续时间，它的有效预示着总线传输的开始，它的无效是传输的最后一个数据周期。l d y ：主设备准备好信号。它的有效表明发起本次传输的设备能够完成一个数据期，它要与t 赳) y 配合使用，二者同时有效，数据方能完整传输，否则为等待周期。t r d y ：从设备准备好信号。它的有效表示从设备已作好完成当前数据传输的准备工作，同样该信号要与取d y 配合使用，二者同时有效，数据才能完整传输。s t o p ：停止数据传输信号。当它有效时，表示从设备要求主设备停止当前的数据传输。u ) c k ：锁定信号。当该信号有效时，表示驱动它的设备所进行的操作可能需要多次传输才能完成。而此时，未被锁定的设备，对它的非互斥访问仍然可以进行。m s e l ：初始化设备选择信号。在参数配置读写传输期间，用作片选信号，表明本卡即为配置的目标设备。d e v s e l ：设备选择信号。该信号有效时，表示驱动它的设备已成为当前访问的从设备。r e q ：总线占用请求信号。该信号一旦有效即表明驱动它的设备要求使用总线。它是一个点对点的信号，任何主设备都有其l 也q 信号。g n t ：总线占用允许信号。用来向申请占用总线的设备表示，其请求已经获得批准，这也是一个点对点的信号，任何主设备都应有自己的g l 盯信号。p c i 上的基本总线传输机制是突发成组传输。一个突发分组由一个地址期和一个( 多个) 数据期组成，即在给出首地址后，主设备连续写入多个数据，用户设备需对首地址自动加l 。其中配置空间和i o 空间只能单周期读写，而m 锄。巧空间可以单周期或突发读写。p c i 规范中定义了三种读写操作，的读写、m e m o 巧读写以及配置读写。其中m 删读写分为m 锄o r y 单周期读写、m 锄。巧突发读写。i o 读写只有单周期模式。2 3p c i 局部总线命令简介总线命令是用来规定主、从( 目标) 设备之间的传输类型的，它出现于地址期的c 倡e 【3 ：0 】线上。当一个主设备获得总线的拥有权时，它就可以启动表2 2 中的任何一种交易类型。在一个交易的地址周期，命令序节使能总线c 愿e 【3 ：o 】用于表明交易命令和类型【2 】。东南大学硕士学位论文表2 1 总线命令c b e 【3 ：o 】命令类型说明c b e 3 ：0 】命令类型说明0 0 0 0中断应答l o o o保留0 0 0 l特殊周期1 0 0 l保留0 0 l o加读1 0 1 0配置读0 0 1 1i o 写1 0 1 l配置写0 1 0 0保留1 1 0 0存储器多行读0 l o l保留1 1 0 l双地址周期0 1 1 0存储器读1 1 1 0存储器一行读0 l l l存储器写1 1 1 l存储器写无效2 4p c i 局部总线协议p c i 上的基本总线传输机制是突发成组传输。一个突发分组由一个地址期和一个( 多个) 数据期组成。p c i 支持存储器空间和i o 空间的突发传输。这里的突发传输是指主桥可以将多个存储器写访问在不产生副作用的前提下合并为一次传输。一个设备通过将基址寄存器的预取位置l ，来表示允许预读数据和合并写数据。一个桥可利用初始化时配置软件所提供的地址范围，来区分那些地址空间可以合并，哪些不能合并。当遇到要写的后续数据不可预取或者一个对任何范围的读操作时，在缓冲器的数据合并操作必须停止并将以前的合并结果清洗。但其后的写操作，如果是在预取范围内，便可与更后面的写操作合并，但无论如何不能与前面合并过的数据合并【。由于对于i ，o 空间的访问不能合并，因此它们一般只有一个数据期。也就是说，对于所有的i o访问，在处理机产生它们的同时，该访问也必须出现在p c i 总线上。如果一个从设备被i o 访问选中，在字节使能信号所代表的传输长度大于该设备能支持的长度时，从设备要用目标终止方式结束本次访问f l 】2 4 1p c i 局部总线的交易控制p c i 总线上所有的数据传输基本上都是由以下三条信号线控制的l l 】：f l 己_ 6 山也由主设备驱动，表明一个数据传输的起始和结束；舳y 由主设备驱动，表明它已准备好交易数据，允许插入等待周期；t r d y 由从设备驱动，表明它已准备好交易数据，允许插入等待周期。当数据有效时，数据资源需要无条件设置m y 信号，接收方可以在适当的时间发出它的x r d y 信号。f ra m b 信号有效后的第一个时钟前沿是地址期的开始，此时传送地址信息和总线命令。下一个时钟前沿开始一个( 多个) 数据期。每逢m y 和n y 同时有效时，所对应的时钟前沿就使数据在主从设备之间传送，在此期间，可由主设备或从设备分别利用i r d y 和t r d y 的无效而插入等待周期【2 1 。一旦主设备设置了取d y 信号，将不能改变瓜d y 和h 乙蝴e ，直到当前的数据完成为止；而1 2第二章p c i 总线技术研究一个从设备一旦设置了咖y 信号或s t o p 信号，就不能改变d e v s e l 、n m y 或s 1 d p ，直到当前的数据期完成，也就使说，不管是主设备还是从设备，只要承诺了的数据传输- 就必须进行到底。当到最后一次数据俦输时主设备应撤消疆啪信号，而建立虱陋i y 信号，表明主设备已做好了最后一次数据传输的准备，待到从设备发出n m y 信号后，就说明最后一次数据传输已完成，r 己- 心伍和m y 信号均撤消，总线回到了空闲状态【2 】。2 ，4 2p c i 局部总线的编址p c i 总线定义了三个物理地址空间：内存地址空间、i o 地址空间和配置地址空间。这里重点讨论一下配置地址空问。p c i 总线的编址是分布式的。每个设备都有自己的地址译码，从而省去了中央译码逻辑【1 1 。在的地址空间，全部3 2 位a d 线都被用来提供一个完整的地址编码( 字。节地址) 。这使得要求地址精确到字节水平的设备不需要多等一个周期就可完成地址译码( 产生d e v s e l 信号) ，也使负懿始址译码省去了一个时钟屑嬲。在l ，o 访问中。a d f l ：。】两位很重要，它一方面用来产生p e v s l信号，更值得注意的是它也表示传输涉及的最低有效字节，并且要与c b e 【3 ：0 】相配合口j 。在存储器访问中，所有的目标设备都要检查a d 【l ：0 】，要么提供所要求的突发传输顺序，要么执行目标设备断开操作。对于所有支持突发传输的设备都应能实现线性突发传输顺序。在配置地址空间中，要用a d l 7 ：2 】将访问落实到一个d w o r d 地址。当一个设备收到配置命令时，若d s e l 信号成立且a d 1 ：o 】= 0 0 。则该设备即被选为访问的目标。否则就不参与当前的对话。如果译码出的命令符合某桥路的编号，且a d 【l ：0 】_ 0 l ，则说明配置访问是对着该桥路后面的设备睇1 。2 ，4 ，3 配置空间结构配置地址空间是一个容量为2 5 6 字节并具有特定记录结构或模型的地址空间。该空间又分为头标区和设备有关区两部分。设备在每个区中只实现必要的和与之相配的寄存器。一个设备的配置空闸不仅在系统自举时可以访问，在其它时间内也是可以访问的i l 】。头标区的长度为6 4 字节，每个设备都必须支持该区的寄存器分配。该区中的各个字段用来唯一地识别设备，并使设备能以一般方法控制。其余的1 9 2 字节是因设备而异。系统软件可能要扫描p c i总线以确定存在什么样的设备，配置软件必须读取每个p c i 橹上的设备供应商识别码。如果所读取的位置上不存在一个设备，则从宿主总线连接到p c i 的桥必须准确无误的报告出来。由于o f 聊是一个非法的供应商识别码，所以，宿主总线到p c i 的桥可以返回一个全“l ”，作为一个设备的配置空间寄存器的读出值，以表示设备不存在。表2 2 给出6 4 字节头标区