（通信与信息系统专业论文）指纹识别设备驱动的开发和车牌字符识别的dsp实现.pdf

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 做的任何贡献均己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： 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、汇编学位论文。( 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范围，在一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：j 越扯一日期： 导师签名： 日期： w o l 厂 _ e - 北京邮电大学硕l 学位论文 指纹识别设备驱动的开发和车牌字符识别的d s p 实现 摘要 指纹是人体固有的生理特征，具有唯一性和不变性；因此成为 身份识别的重要方式，越来越多的应用在各生产生活领域。指纹识 别系统( a f i s ) 包括指纹采集、指纹预处理、特征提取、指纹比对 和结果输出等部分。 指纹采集是指纹识别系统的最前端部分，采集质量的好坏和采 集速度的快慢直接影响到整个系统的性能。本文研究了基于m b f 2 0 0 的指纹采集仪，开发了基于w d f 的u s b 驱动程序。图像质量较好， 基于u s b 2 0 的传输速度也达到了要求。 指纹比对部分是指纹识别系统对速度要求最高的步骤。在许多 实际应用中，为了解决高准确率算法的高复杂性和大库容量对比对 速度的高要求之间的矛盾，用带有硬件加速设备的两级比对系统的 方式，来提高指纹比对的速度。针对基于f p g a 的指纹粗比对加速卡， 本文开发了基于w d m 的p c i 驱动程序。 车牌识别系统是i t s 的重要组成部分。车牌识别算法分为车牌 定位、车牌图像分割、字符识别等过程。针对t i c 5 5 0 9 a 平台，对字 符识别算法进行了优化。 关键词：w d m ，m b f 2 0 0 ，p c i 9 0 5 4 ，车牌识别系统，优化 北京邮l 乜人学硕i ：学位论文 - 北京邮电人学硕j j 学位论文 w i n d o w sd e v i c ed r i v e rd e s i g no fa f i s a n do p t i m i z a t i o no fc h a r a c t e rr e c o g n i t i o n a l g o l u t h m so nd s p a b s t r a c t f i n g e r p r i n ti st h ei n h e r e n tp h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh u m a nb o d y w i t hu n i q u e n e s sa n di n v a r i a n c e t h e r e f o r e ，i tb e c o m e sa ni m p o r t a n t m e a n so fi d e n t i f i c a t i o n w i t hm o r ea p p l i c a t i o n si nv a r i o u sa r e a so f l i f e a u t o m a t i cf in g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o n s y s t e m ( a f is ) i sa n i d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ，w h i c hi n c l u d e sf i n g e r p r i n tc a p t u r e ，f i n g e r p r i n t p r e - p r o c e s s i n g ，f e a t u r ee x t r a c t i o n ，f i n g e r p r i n tm a t c h i n g ，a n do u t p u t r e s u l t s s o ，i ti sd e s i r a b l et oh a v ea ne f f i c i e n tf i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n s y s t e m f i n g e r p r i n tc a p t u r ei st h em a j o rf r o n t - e n dp a r ti nt h ea c q u i s i t i o nq u a l i t y , a n di t s c o m p u t a t i o n a ls p e e d h a sad i r e c t i m p a c t o nt h e o v e r a ，l l p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m f o rm b f 2 0 0f i n g e r p r i n tc o l l e c t i o ni n s t r u m e n t ， w ed e v e l o p e dan e wu s bd r i v e r , w h i c hi sb a s e do nw d f c o m p a r i n g w i t ht r a d i t i o n a ld r i v e r , i m a g eq u a l i t yo fo u rp r o p o s e dd r i v e ri sb e t t e r , a n d i ta l s om e e t st h et r a n s f e rs p e e dr e q u i r e m e n t sb a s e do nu s b 2 0 f i n g e r p r i n tm a t c h i n gp a r ti n t h ef i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o ns y s t e mn e e d h i g h e rs p e e di no r d e rt om a t c hf i n g e r p r i n tw i t hl a r g ed a t a b a s e i nm a n y p r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，i no r d e rt or e s o l v et h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h e c o m p l e xa l g o r i t h ma n dt h es p e e do f t h es y s t e mb a s e do nl a r g ef i n g e r p r i n t d a t a b a s e ，w em u s tu s eh a r d w a r e a c c e l e r a t e dd e v i c e st oi m p r o v et h e f i n g e r p r i n tc o m p a r i s o na c c u r a c y a n ds p e e d am o d i f i e da l g o r i t h mf o rp c i b a s e dw d md r i v e rf o rt h ec o a r s ef i n g e r p r i n tc o m p a r i s o na c c e l e r a t o ri s d e v e l o p e d l i c e n s ep l a t er e c o g n i t i o ns y s t e m ( l p r s ) i sa ni m p o r t a n tp a r to f i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m l i c e n s ep l a t er e c o g n i t i o np r o c e s s i s d i v i d e di n t ov e h i c l el i c e n s e p l a t el o c a t i o n ，l i c e n s ep l a t ei m a g e s e g m e n t a t i o n ，a n dc h a r a c t e rr e c o g n i t i o np r o c e s s f i n a l l y , w ea l s op r o p o s e 北京邮l 【1 人学硕j 二学位论艾 a no p t i m i z a t i o no ft h ec h a r a c t e rr e c o g n i t i o na l g o r i t h m s ，a n ds u c c e s s f u l l y i n t e g r a t ei n t ot 1 5 5 0 9 ap l a t f o r m k e y w o r d s - w d m ；m b f 2 0 0 ；p c i 9 0 5 4 ；l p r s ；o p t i m i z a t i o n 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景和意义一l 1 1 1 指纹识别系统与设备驱动程序1 1 1 2 设备驱动程序开发现状2 1 1 3 车牌识别系统研究背景3 1 2 课题的主要工作成果。4 1 2 1 基于p c i 9 0 5 4 的指纹粗比对加速卡p c i 驱动开发4 1 2 2 基于m b f 2 0 0 的指纹采集仪u s b 驱动开发。4 1 2 3 基于d s p 的车牌字符识别算法移植5 1 3 论文的内容安排5 第二章相关总线技术介绍。6 2 1p c i 总线6 2 1 1p c i 总线概述6 2 1 2p c i 总线结构6 2 1 3p c i 总线特点7 2 1 4 接口芯片p c i 9 0 5 4 8 2 2u s b 总线。9 2 2 1u s b 系统模型9 2 2 2u s b 主机组成1 0 2 2 3u s b 设备描述符1 l 2 2 41 9 s b 设备枚举、配置1 1 第三章w d m 驱动程序框架 3 1 概j 签1 3 3 2w i n d o w s 内核结构13 3 3w i n d o w s 驱动开发历史15 3 4w d m 驱动模型15 3 4 1w d m 驱动概述15 3 4 2w d m 驱动特点l6 北京l i | j l 乜人学硕- l 学位论义 3 4 3w d m 分层结构17 3 4 4w d m 驱动例程17 3 5w d m 驱动对象：18 3 5 1d d v e r o b j e c t 对象19 3 ! ；2d e 访c e 对! 象19 3 5 3i r p 对象2 0 3 5 4i n t e r r u p t 对象2 0 3 5 5a d a p t e r 又寸豸t 。2 0 第四章驱动开发环境和工具配置2 1 4 1 驱动开发环境选择2l 4 2 开发环境的建立2 l 4 3d r w e r s t u d i o 驱动开发向导2 2 4 4 驱动调试工具s o f t i c e 。2 3 4 5 驱动程序的发布和安装2 4 第五章基于w d m 的指纹粗比对加速卡p c i 驱动 ：! ! ； 5 1 指纹比对加速卡的硬件框架2 5 5 2 指纹粗比对加速卡驱动向导设置2 5 5 3p c i 9 0 5 4 配置资源的获取2 7 5 4 驱动程序核心例程设计2 8 5 4 1d r i v c r e n i r y 例程2 8 5 4 2a d d d e v i c e 例程2 8 5 4 3o n s t a n d e 、，i c e 例程一2 9 5 4 4r e a d 例程3 0 5 4 5d e v i c e c o n t r o l 例程3 0 5 4 6 中断服务例程i s r 及其延迟过程调用d p c 31 5 4 7 其它例程3 2 5 5 中间类库设计3 2 5 6 实验结果3 3 5 7 本章小结3 4 第六章基于w d f 的指纹采集仪u s b 驱动。 3 5 6 1 概j 丕3 5 6 2w d f 驱动概述一3 5 6 2 1w d f 驱动模型3 5 i v j 6 6 实验结果4 4 6 7 本章小结4 5 第七章车牌字符识别算法的d s p 实现4 6 7 1 概述4 6 7 2t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 简介4 6 7 3 基于t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 as i m u l a t o r 的优化4 6 7 3 1c 语言级优化4 6 ， 7 3 2 汇编优化方法一4 7 7 4 优化过程和结果4 8 7 5 本章小结5 2 第八章结束语5 3 8 1 论文总结5 3 8 2 工作展望5 3 参考文献5 4 。 致 射。 攻读硕士学位期间已发表学术论文 v ! ；6 5 7 北京邮i 乜人学硕i j 学位论文 v i 1 北京邮l 乜人学硕i ：学位论文 1 1 课题的研究背景和意义 第一章绪论 1 1 1 指纹识别系统与设备驱动程序 随着社会的进步和科技的发展，人们对安全性的要求越来越高。现代生物特 征识别技术作为模式识别和机器视觉的一个重要研究领域，广泛应用在公安、刑 侦、金融、考勤、保密等身份认证领域。生物识别技术主要有：指纹识别、人脸 识别、虹膜识别、掌纹识别、脑电波识别等。这些生物识别技术各有优劣，相比 较而言，指纹识别技术由于具有易采集、准确性高、处理速度快、使用简单方便 等优点，易被人接受。因此，指纹识别技术的研究和应用已经成为当前生物识别 研究领域的重点。 自动指纹识别系统过程如图1 - 1 所示： 图1 - i 自动指纹识别系统流程图 在指纹识别系统中，指纹采集是关键的一环。因为采集指纹图像质量的好坏， 直接影响到最终的识别结果。所以指纹采集仪的设计显得尤为重要，不仅包括硬 件电路的设计，而且包括针对平台的主机驱动程序设计。而今，针对w i n d o w s 平台下的指纹采集仪驱动程序相继出现，但是其采集速度或图像质量良莠不齐。 同时，不同的系统由于所采用的指纹芯片和具体的系统结构不同，必须丌发自己 相应的采集仪驱动程序。 根据指纹应用场景的不同，指纹识别系统可分为验证系统和辨识系统两种。 验证系统是一对一的查比系统，即将欲验证的用户指纹与库中存储的一枚( 或少 数几枚) 合法用户的指纹进行比对来确认其身份的合法性；而辨识系统则是一对 多的查比系统，即将欲验证的用户指纹与库中存储的大量库指纹进行比对来查找 相似或相同的指纹。后者可以被公安部门广泛应用在侦破案件中。 为了解决超大型指纹库进行比对的难题，可以采用带有硬件加速的两级比对 算法。即首先利用硬件实现粗比对，对大库中的指纹进行快速筛选；然后，对 筛选出的候选指纹再作精细的比对。这就是我们实验室指纹粗比对加速卡的开发 背景。我们的指纹粗比对加速卡采用高速f p g a 实现，采用p c i 总线通信，能大 第l 页共5 9 页 北京邮i u 大学硕i j 学位论文 大减轻计算机工作负担，且能加速指纹比对的速度。而将这个卡插z t t 算机，并 使其j 下常工作，就需要针对该卡开发采用w d m 驱动架构设计的p c i 驱动程序，以 实现指纹数据的传输和硬件、驱动、应用程序的协同工作。 i i 2 设备驱动程序开发现状 设备驱动程序，是一种可以使计算机和设备进行通信的特殊程序，是操作 系统连接硬件设备的接口。在现代计算机系统( 广义，也包括嵌入式系统) 中， 驱动程序是必不可少的。没有驱动程序这个连接软件和硬件的桥梁，硬件无法工 作，软件也无法运行。 在x 8 6 平台下，针对不同的操作系统平台，驱动开发主要有基于w i n d o w s 平台的，有基于l i n u x u n i x 平台的：由于m a co s 在不少专业领域仍在应用，所 以针对m a co s 平台的驱动开发也是一大热点；此外，针对嵌入式系统，有基于 v x w o r k s 、w i n c e 、w i n d o w sm o b il e 、s y m b i a n 、p a l m 、a n d r o i d 等操作系统的驱 动开发。如今的设备接口，u s b 总线是主流，非u s b 设备主要是p c i 总线、i s a 总线、i e e e l 3 9 4 等接口。随着u s b 3 0 的推出，u s b 总线的发展突飞猛进，u s b 设备的种类越来越繁多，各种应用形式层出不穷。u s b 设备驱动开发是目前的热 点。p c i 总线一直是局部总线的标准，各种板卡设备大多采用f e i 接口，随着p c i e x p r e s s 标准的推出，针对p c i 设备的驱动开发也进入了崭新的时代。 如今的各种计算机设备种类越来越多，从台式p c 发展到笔记本电脑，后来 又出现了智能手机、各种多媒体播放设备、游戏机、导航仪等等。在这些设备中， p c 由于其强大的计算能力和兼容性，占据了大部分的终端市场。而微软在p c 操 作系统上的份额达到了9 0 。所以针对w i n d o w s 平台的驱动开发显得尤为重要n 。 微软已经发布了很多版本的w i n d o w s 操作系统，从开始的w i n d o w s 3 0 到 w i n d o w s 2 0 0 0 和w i n d o w sx p ，v i s t a ，直到最新发布的w i n d o w s7 。 根据操作系统的不同，w i n d o w s 驱动开发主要有两种模式： 1 w d m 驱动程序开发 是一种p n p 驱动程序，它同时还遵循电源管理协议，并能在w i n d o w s 9 8 和 w i n d o w s2 0 0 0 x p 间实现源代码级兼容。w d m 驱动程序还细分为类驱动程序( c l a s s d r i v e r ) 和迷你驱动程序( m i n id r i v e r ) ，类驱动程序管理属于已定义类的设备， 迷你驱动程序向类驱动程序提供厂商专有的支持，。 2 w d f 驱动程序开发 是基于v i s t a w i n d o w s 7 的新型p n p 驱动程序。w d f 驱动程序包括两个类型， 一个是内核级的k m d f ( k e r n e l - m o d ed r i v e rf r a m e w o r k ) ；另一个是用户级的u m d f ( u s e r m o d ed r i v e rf r a m e w o r k ) 。内核模式驱动程序作为内核模式操作系统组 第2 页共5 9 页 北京邮电人学硕i ：学位论文 件的一部分执行，它们管理i o 、即插即用、内存、进程和线程、安全等。内核 模式驱动程序通常为分层结构。用户模式驱动程序通常提供w i n 3 2 用程序与内 核模式驱动程序或其他操作系统组件之间的接口。用户模式驱动程序支持基于协 议或基于串行总线( 如摄像机和便携音乐播放器) 的设备。 1 1 3 车牌识别系统研究背景 在i t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 一智能交通管理系统3 中，交 通信息的采集、处理和传输是关键的一环，车牌作为关键的交通信息，是车辆身 份信息采集的最关键部分。当车辆经过某一特定地点时，自动将该车的车牌识别 出来的技术统称为车牌识别系统( l p r s ：l i c e n s ep l a t er e c o g n i t i o ns y s t e m ) n 3 。 车牌识别技术是集模式识别、图像处理、并行计算、计算机视觉、嵌入式系统等 技术为一体的复杂系统，要求识别精度高、处理时间短。车牌识别系统在违章监 督管理、电子收费、车辆检测、停车场监控与管理以及车辆安全防盗等领域，具 有广阔的应用前景。目前，国内的车牌识别技术仍有待提高，还存在识别精度不 高、识别速度低、稳定性差等问题，因此，车牌识别系统的研究和开发具有巨大 的研究意义和经济价值阿3 1 。 车牌识别系统能够从摄像头获取的车牌图像中智能提取出车牌，通过图像处 理、字符分割后，对分割出的字符进行识别。典型的车牌识别系统包括图像采集、 车牌定位、字符分割、字符识别以及结果输出五个功能模块，如图i - 3 所示： 图i - 3 车牌识别系统功能模块 下面对各功能模块进行简介： 1 图像采集模块 系统通过检测器或是通过视频中运动目标的检测，触发图像采集系统，采用 摄像机摄取车牌图像，采集原始车牌信息。 2 车牌定位模块 车牌的定位就是寻找最符合车牌特征区域，从本质上讲，是一个在参量空间 寻找最优定位参量的问题。由于定位的车牌一般都有或多或少的倾斜，为避免后 续的字符分割和字符识别的失败，必须对车牌进行倾斜校正。 3 字符分割模块 从定位得到的车牌图像中分离出单个字符图像，以便后级模块的处理。 4 字符识别模块 对分割得到的字符图像进行归一化处理，进行字符识别，从而得到字符文本。 第3 页共5 9 页 北京邮l 乜人学顺l j 学位论文 5 结果输出模块 把识别的字符文本通过网络、r s 2 3 2 4 8 5 、w i f i 等接口传到中心服务器上。 车牌识别系统有两种口3 ，一种是直连计算机的大型应用系统，一种是嵌入式 车牌识别系统( e - l p r s ) 。直连计算机的大型应用系统具有运算能力极强、系统 灵活、上层应用丰富、可以建立大型的数据库应用、实现海量车牌识别等优点。 嵌入式系统则是一个相对独立的完整系统，功能较为单一，但由于灵活便携、成 本较小，常用于相对灵活、无人值守的应用场景。我们实验室在已有的基于计算 机的车牌识别系统的基础上，正在开发基于d s p 的嵌入式系统。 1 2 课题的主要工作成果 本文的工作成果分为两部分：第一部分是指纹识别系统w i n d o w s 设备驱动的 开发。具体包括基于p c i 9 0 5 4 的指纹粗比对加速卡p c i 驱动程序的开发和基于 m b f 2 0 0 的指纹采集仪u s b 驱动程序的开发。第二部分是车牌识别算法向d s p 的 优化和移植。具体包括车牌字符识别算法的c 和汇编程序优化。 1 2 1 基于p c i 9 0 5 4 的指纹粗比对加速卡p c i 驱动开发 指纹粗比对加速卡是指纹查比系统的重要组成部分。本课题基于w d m 框架， 开发了p c i 驱动程序，具体工作成果如下： 首先，系统学习了w d m 驱动框架的内容；对d r i v e r w o r k s 中专门针对p c i 的 类库进行了学习和总结。接下来，研究了p c i 9 0 5 4 接口芯片的特点和结构，以及 各配置寄存器的含义，针对f p g a 内部指纹比对模块的要求和数据传输方式，设 置了各寄存器的内容。然后，针对指纹数据的传输和处理过程，和指纹加速卡开 发人员合作调试数据传输；针对具体的业务流程，进行了驱动程序源代码的编写、 调试和安装测试。此外，本课题开发了用于数据管理的基于c # 的可移植类库。 1 2 2 基于m b f 2 0 0 的指纹采集仪u s b 驱动开发 指纹采集仪是所有指纹识别系统必不可少的部分。本课题基于w d f 框架，完 成了应用于w i n d o w s 系统上的指纹采集仪u s b 驱动程序和指纹采集应用程序的开 发，具体工作成果如下： 首先，基于m b f 2 0 0 指纹芯片研究了u s b 接口的指纹采集仪电路设计，期间 对m b f 2 0 0 的结构和寄存器进行了详细的了解。学习了w d f 驱动框架的内容和开 发方式，对比了w d m 和w d f 开发模式的异同。根据对u s b 协议的了解，实现了指 纹采集仪寄存器配置实例、读写实例、以及其他实例代码的编写：对于指纹数据 第4 页共5 9 页 北京邮电人学硕i ：学位论文 的自动采集，提出了软中断和硬中断相结合的方式，满足了系统对输入指纹图像 的质量要求。最后把u s b 驱动程序用i n f 打包，最终把s y s 文件发布。经过设计 的指纹采集上层应用程序的测试，指纹图像清晰，且采集速度达到要求。 1 2 3 基于d s p 的车牌字符识别算法移植 车牌识别系统对智能交通的研究非常重要，本课题研究了车牌字符识别算法 的c 和汇编程序优化，工作成果如下：对算法组提供的车牌识别算法中的字符识 别算法，在t i c 5 5 0 9 a 上优化后的算法时间从7 0 0 m s 缩短到l o o m s 左右。 1 3 论文的内容安排 第一章：绪论。介绍课题研究背景和现状。对指纹识别系统和车牌识别系统 的发展背景和现状进行了简要介绍和分析。从w i n d o w s 的驱动模型组成，介绍了 w i n d o w s 设备驱动丌发的现状和主要技术。并具体说明了本文所完成的工作。 第二章：相关总线技术介绍。简要介绍了本课题驱动开发的基础：p c i 总线 和u s b 总线。 第三章：w d m 驱动程序框架。详细介绍了w i n d o w s 驱动开发的历史和类型， 介绍了w i n d o w s 内核结构，对w d m 驱动的特点和核心对象进行了详细阐述。 第四章：w d m 驱动开发环境配置和开发工具使用。对d r i v e r s t u d i o 的配置 和驱动开发向导进行了图解式的介绍；接着介绍了驱动程序的打包和安装；最后 对驱动调试工具s o f t l c e 进行了介绍。 第五章：基于w d m 的指纹粗比对加速卡的p c i 驱动程序设计。首先建立了指 纹粗比对加速卡的硬件框架，对p c i 9 0 5 4 芯片功能及相关配置寄存器进行了介绍 和配置，然后针对p c i 总线，设计了p c i 驱动程序的框架，完成了指纹数据的读 写和传输。最后对驱动程序进行了打包，设计了界面应用程序，进行了传输测试。 第六章：基于w d f 的指纹采集仪u s b 驱动程序设计。首先介绍了u s b 总线的 结构和特点，并且介绍了u s b 的相关设备对象等，根据m b f 2 0 0 的特点，设计了 具体的电路；接下来对w d f 的驱动框架和丌发过程进行了阐述；针对指纹采集仪， 开发出了不同传输模式下的驱动程序和应用程序； 第七章：基于t 1 5 5 0 9 a 的车牌识别系统研究。首先，介绍了车牌识别算法的 具体过程，针对此过程，主要对字符识别模块进行了优化；详细列举了程序优化 的各种方法。 第八章：总结和展望。总结了全文所做的工作，对下一步工作提出了展望。 第5 页共5 9 页 北京邮i b 人学硕一l ! 学位论文 2 1p c i 总线 2 1 1p c i 总线概述 第二章相关总线技术介绍 p c i 已经成为微型计算机系统的主流总线。随着p c 技术的发展，计算机硬件 技术出现了日新月异的变化。优秀的p c i 局部总线标准一经推出就倍受计算机业 界的青睐，经过短短几年的发展，已经替代了i s a 、m a c 等总线标准成为了主流 的总线标准1 。各种基于p c i 总线的板卡也大量涌现，极大地增强了p c 机的功 能。 2 1 2p c i 总线结构 p c i 总线结构如图2 - 1 所示。它通过p c i 桥路将一些高速外设挂到c p u 总线， 可支持高速i 0 与c p u 并行工作。在p c i 总线上还有一种特殊设备，即标准总线 桥路，它将p c i 总线转换成i s a 、e i s a 或m c a 等标准总线，以便与这些总线设备 相连。 p c i 总线定义了3 2 位数据总线，且可扩展为6 4 位。它体积较小，支持无限 读写碎发操作，支持并发工作方式，即多组外围设备可与c p u 并发工作。p c i 总 线结构的另一优点是扩充性好，如果需要把许多设备接到p c i 总线上，而总线驱 动能力不足时，可以采用多p c i 总线结构，这些总线都可以并发工作。在图2 - 1 中，和p c i 总线直接相连的设备被称为p c i 设备盯1 。它分为两种，一种被称为p c i 主设备，这种设备可以获得总线的控制权；另一种设备称为p c i 从设备，这种设 备不能获得总线的控制权，只能被动地响应c p u 或p c i 主设备发出的传输请求。 作为一种通用的总线接口标准，p c i 总线提供了一组完整的总线接口规范， 其目的是描述如何将计算机系统中的外围设备以一种结构化的方式连接在一起， 同时它还刻画了外围设备在连接时的电气特性和行为规约，并且详细定义了计算 机系统中的各个不同部件之间应该如何正确地进行交互。与旧式的i s a 总线不 同，p c i 将计算机系统中的总线子系统与处理存储子系统完全地分开啊1 ，通过一 块称为p c i 桥的设备来完成同总线子系统的交互。 第6 页共5 9 页 总线优越。其时钟频率为3 3 m h z 或6 6 m h z ，采用3 2 位或6 4 位数据线，支持多组 外围部件及附加卡。最大数据传送率可达1 3 2 m b s ，在6 6 m h z 时钟频率下，速率 可以翻倍。 2 线性突发传输 p c i 支持一种称为线性突发的数据传输模式，可确保总线不断满载数据n 刚。 外围设备可以从内存的某个地址顺序的接收数据，每次只需将地址自动加1 。从 而有效地利用总线的带宽去传送数据，以减少无谓的地址操作。 3 极小的存取延迟 存取延迟很小，能够大幅度减少外围设备取得总线控制权所需要的时问。 4 采用总线控制和同步操作 总线主控的目的是让任何一个具有处理能力的外围设备暂时接管总线，以加 速执行高吞吐量、高优先级的任务。p c i 独特的同步操作功能保证微处理器与总 线主控同时操作，而不必等待后者的完成。从而改善了总线性能。 5 不受处理器限制 第7 页共5 9 页 北京邮l b 人学顺i j 学位论文 p c i 独立于处理器的结构，形成一种独特的中间缓冲器设计方式，将c p u 子 系统与外围设备分开。这样我们可以随意增添外围设备电脑系统，而不必担心在 不同的时钟频率下会导致c p u 性能的下降。 6 兼容性强 由于p c i 的设计是要辅助现有的扩展总线标准，因此它与i s a 、e i s a 及m c a 总线完全兼容。p c i 总线可提供“共用插槽”，以便插接p c i 、i s a 、及m c a 金手 指。此外，p c i 的驱动软件可以在不同的平台上运行n 引。 7 预留了发展空间 p c i 总线支持6 4 位地址数据多路复用，p c i6 4 位延伸设计可将系统的数据 传输速率提高到2 6 4 m b s 。允许p c i 总线扩展卡和元件自动配置。 8 数据完整 p c i 提供的数据和地址奇偶校验功能，保证了数据的完整性和准确性。 9 成本低、效率高 2 1 4 接口芯片p c i 9 0 5 4 2 1 4 1p c i 9 0 5 4 简介 p c l 9 0 5 4 是3 2 位、3 3 m h z 的通用p c i 总线控制器专用芯片。该芯片符合p c i 总线规范2 2 版。突发传输速率能达到1 3 2 m b s 。l o c a l 总线支持复用非复用的 3 2 位地址数据，可为m 模式、c 模式、j 模式中的一种。p c i 9 0 5 4 内部有六个可 编程的f i f o ，实现零等待突发传输及局部总线和p c i 总线间的异步操作。p c i 9 0 5 4 支持主模式( i n i t i a t o r ) 、从模式( t a r g e t ) 、d m a 传输方式，可用于适配卡和嵌 入式系统。其工作电压为3 3 v ，频率3 3 3 m h z ，局部总线频率可达5 0 m h z 。p c i 9 0 5 4 的主要特点如下： 1 符合p c iv 2 1 、v 2 2 规范。兼容p c iv 2 2 电源管理规范； 2 采用通用总线主控接口。包含两个独立的d m a 通道； 3 支持p c i 双地址周期( d a c ) 。地址空间可达4 g b ，支持t y p e o ，t y p e l 配 置周期； 4 内含可编程中断控制器。能实现可编程的突发传输操作的6 个零时间等 待可编程f i f o ，8 个3 2 b i t 的m a i l b o x 寄存器和2 个3 2 b i t 的d o o r b e l l 寄存器； 5 支持局部总线与m o t o r o l am p c 8 6 0 、p o w e r q u i c c 和i n t e l1 9 6 0 系列以 及i b m 的p p c 4 0 1 等c p u 直接相连； 6 支持局部总线与p c i 总线异步工作，可编程控制局部总线等待状态，支 持可编程预读取计数器。 第8 页共5 9 页 北京邮i 【i 人学硕l ：学位论文 2 1 4 2p c i 9 0 5 4 配置 p c i 9 0 5 4 内部有5 个内部寄存器组：p c i 配置寄存器组( p c ic o n f i g u r a t i o n r e g i s t e r s ) 、l o c a | 配置寄存器组( l o c a lc o n f i g u r a t i o nr e g i s t e r s ) 、d m a 寄存 器组( d m ar e g i s t e r s ) 、运行寄存器组( r u n t i m er e g i s t e r s ) 、消息队列寄存器 组( m e s s a g eq u e u er e g is t e r s ) 。 p c i 9 0 5 4 的配置寄存器分为两类：一类是p c i 配置寄存器，另一类是本地配 置寄存器。p c i 配置寄存器用于配置p c i 9 0 5 4 的p c i 总线接口方面的属性，本地 配置寄存器是用于配置p c i 9 0 5 4 本地总线接口属性的。 可根据需要，使用p l xp c is d k 中的p l x m o n 软件进行配置寄存器的读取和 修改，如图2 - 2 所示： 2 2u s b 总线 2 2 1u s b 系统模型 图2 - 2p c i 9 0 5 4 配置寄存器修改 u s b 系统以u s b 主机为核心，以外围的u s b 设备为功能，组成了系统模型。即， u s b 提供的是主机和设备中间的一种数据通信服务。主机是u s b 的核心，每一次u s b 数据通信都必须是由主机来发起的，主机管理着每个u s b 设备。见图2 3 ，图中的 第9 页共5 9 页 北京邮i 【1 人学硕i 二学位论文 h u b 是一类特殊的u s b 设备，它是一组u s b 的连接点，主机中有一个被嵌入的h u b 叫根h u b ( r o o th u b ) 。根h u b 提供若干个连接点。 2 2 2u s b 主机组成 图2 3u s b 系统模型 u s b 主机 用户软件和u s b 设备类驱动程序 工 u s b 系统软件 ( u s b 核心和朱 控制器驱动程序) 工 u s b 生控制器 根h u b 。图2 4u s b 主机结构 图2 - 4 表示了一个比较完整的u s b 主机组成部分： 1 u s b 主控制器根h u b u s b 主控制器芯片提供u s b 的收发物理层，实现u s b 电缆上差模信号与数字信 号的转换并提供端点的物理存储机制，还能根据u s b 的传输机制自动管理各个端 点的存储与数据交换。此外，u s b 主控制器还需提供与外围控$ i j c p u 的接口电路， 通过并行或串行的方式连接到c p u 的总线上，从而建立与c p u 的通信。而根t l u b 是 u s b 的第一级h u b ，提供u s b 的物理接口，供外围设备连接使用。 2 u s b 系统软件 u s b 系统软件主要由u s b 核心驱动程序和u s b 主控制器驱动程序组成。u s b 核心 驱动程序是整个软件体系的核心部分，用来解释u s b 设备类驱动程序发送来的命 第l o 页共5 9 页 北京邮i 乜人学硕i ：学位论文 令并将其划分为一系列的u s b 事务，然后发送给u s b 主控制器驱动程序。u s b 主控 制器驱动程序负责最底层的驱动任务，控制和管理硬件底层，并负责将u s b 事务 发送给u s b 主控制器芯片，最终将串行数据发送到电缆上。 3 用户软件和u s b 设备类驱动程序 u s b 设备类驱动程序把用户要求的u s b 命令发送给u s b 的主控制器硬件，同时 初始化内存缓冲区，存储所有u s b 通信中的数据。而用户软件主要是指用户与u s b 系统之间的一种界面，主要完成用户对于u s b 的控制，以及实时地进行一些数据 的交互。 2 2 3u s b 设备描述符 u s b 设备利用描述符来报告其属性。一个描述符是具有一个确定格式的一个 数据结构，使用描述符可以对单独配置的属性进行简洁地存贮“0 。 接l =