（机械电子工程专业论文）遥感相机性能测试数据采集系统研制及应用.pdf

摘壁 摘要 在遥感相机地面检测试验过程中，最佳焦面位置的确定、传递函数的测量以 及相机图像信噪比等一些性能参数的测量是检测遥感相机性能好坏的最重要的 工作之一。传统上这项工作不仅耗力而且耗时。寻求一个好的技术途径来快速准 确进行焦面位置的确定以及传递函数的测量是本论文研究的目标。 本文在对p c i 总线技术、计算机接口技术、基于操作系统底层的驱动程序开 发以及v c + + 等技术理论进行深入研究的基础上，采用了通过高速数据采集系统 将遥感相机输出的数字图像数据输入计算机，然后由计算机对图像数据进行准实 时处理的技术路线。 本文完成了数据采集卡硬件电路设计、驱动程序设计以及应用软件设计等。 在数据采集卡硬件电路设计中，采用了“p c i 专用接口芯片( $ 5 9 3 5 ) + c p l d ( i s p l s l l 0 3 2 e ) + 缓存( 7 2 v 2 1 1 3 ) ”模式，实现了计算机与外设间的d m a 方式 传输，数据传输率可稳定在5 0 m b s 。在驱动程序设计中，采用w d m ( w i n d o w s d r i v e r m o d e l ) 驱动程序模型，实现了即插即用、电源管理、w i n d o w s 管理诊断、 中断处理、d m a 传输等功能。在应用程序设计中，实现了图像数据的模拟量显 示，并可根据用户需求对其进行局部放大；在进行对比传递函数测试时可准实时 的显示所测的对比传递函数；在进行信噪比测试时可准实时的显示所测图像的信 噪比。 本文的创新点： 通过数据采集系统将遥感相机输出的图像数据以模拟数据的形式显示 在计算机屏幕上； 在对比传递函数测试中，通过显示的图像数据波形，可以确定焦面的最 佳位置； 在确定遥感相机最佳焦面位置后，可以准实时的测量并显示对比传函。 研制完成的数据采集系统在遥感相机地面检测中发挥了重要的作用。 关键词：p c i 总线d m a设备驱动程序 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h et e s t i n go fr e m o t es e n s o r , t h eo p t i m a lp o s i t i o no fo p t i c a lf o c a lp l a n e ，t h e m e a s u r e m e n to ft r a n s f e rf u n c t i o na n di m a g es i g n a l - t o - n o i s e p e r f o r m a n c ea r e i m p o r t a n tt ot h ee x a m i n a t i o no f r e m o t es e n s o r t h et r a d i t i o n a lw a yi st i m e - c o n s u m i n g a n dn e e dg r e a te f f o r t t h eo b j e c to ft h i sa r t i c l ei st of i n da l le f f i c i e n tw a yo fl o c a t i n g o p t i c a lf o c a lp l a n ea n dt h em e a s u r e m e n to f t r a n s f e rf u n c t i o n i nt h i sp a p e r , p c il o c a lb u s ，i n t e r f a c ed e s i g ni si n t r o d u c e d t h ew a yo fd e s i g na d a t aa c q u i s i t i o nc a r dw i t l lh i g h - s p e e db a s e dp c il o c a lb u si sd i s c u s s e df i r s t a n dt h e w a yo f h i g hs p e e da c q u i s i t i o ns y s t e mi sp r e s e n t e d t h eh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g no fa c q u i s i t i o ns y s t e ma r ed i s c u s s e d i n t h eh a r d w a r ed e s i g no fa c q u i s i t i o ns y s t e m ，p c ie x e u s i v ee h i p ( $ 5 9 3 5 ) ，c p l d ( i s p l s l l 0 3 2 e ) a n db u f f e rm e m o r y ( 7 2 v 2 1 1 3 ) a r ea d a p t e dt oa c h i e v ed m a t r a n s f e r b e t w e e nc o m p u t e ra n dp e r i p h e r a lw i t hs t e a d y - g o i n gt r a n s m i s s i o ns p e e do f5 0 m b s w i t hd m a ( w i n d o w sd r i v e rm o d e l ) ，p l u g - a n d - p l a y , p o w e rm a n a g e m e n t , w i n d o w s d i a g n o s em a n a g e m e n t ，i n t e r r u p th a n d l i n g ，d m at r a n s f e r sa r ea v a i l a b l ei nt h ed r i v e r p r o g r a m i nt h ea p p l i c a t i o np r o g r a m ，t h ea n a l o gq u a n t i t yd i s p l a yo f v i d e od a t aa n d i t s p a r t l yz o o mi n ，t h er e a lt i m eo b t a i no ft r a n s f e rf u n c t i o na n dt h er e a lt i m ed i s p l a yo f i m a g es i g n a l - t o - n o i s ep e r f o r m a n c ea r ea v a i l a b l e i n n o v a t i o np o i n t ： 。 ， d i s p l a yt h ea n a l o gq u a n t i t yv i d e od a t ao fr e m o t es e n s o ru s i n gd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e m l o c a t et h eo p t i m a lo p t i c a lf o c a lp l a n ew i t ht h ev i d e od a t aw a v e f o r mi nt r a n s f e r f u n c t i o nm e a s u r e m e n t r e a lt i m em e a s u r ea n dd i s p l a yo ft r a n s f e rf u n c t i o na f t e rt h el o c a t i n go fo p t i m a l o p t i c a lf o c a lp l a n e d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h et e s t i n go f r e m o t es e u s o r k e y w o r d s ：p c ib u s ，d m a ，d r i v e r p r o g r a m m i n g n 学位论文知识产权权属声明 本人郑重声明：所里交学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。知识产权归属中国科学院长春光学 精密机械与物理研究所。长春光学精密机械与物理研究所享有以任何 方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离所后 发表或使用学位论文或与该论文宜接相关的学术论文或成果时，署名 单位仍然为长春光学精密机械与物理研究所。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 日期：年月 日 导师签名： 日期：年月日 中国科学院硕士学位论文：遥感相机件能测试数据采震系统研制及虑用 、 1 1 研究背景 第1 章绪论 近几年来，随着空间技术、半导体学、光学技术的日渐成熟，遥感相机已广 泛应用于军事侦察、资源探测、灾害预防等各个方面，而在遥感相机研制过程中 需要进行大量的地面检测实验，实验过程中，最佳焦面位置的确定、传递函数的 测量以及相机图像信噪比等一些性能参数的测量是检测遥感相机性能好坏的最 重要的工作之一。传统上这些技术参数的测量不仅复杂而且可操作性差，影响了 相机的研制周期。为此，本文采用的测量方法是：将遥感相机拍摄的图像准实时 的输入计算机，由计算机进行计算，并准实时的以模拟量形式显示图像数据和对 应焦面处相机调制传递函数值。该方法快速、方便、可操作性强，提高了测量遥 感相机性能指标的效率，从而缩短了遥感相机的研制周期。 因此，如何准确的、快速的将图像数据输入计算机并进行处理就成为了本课 题的主要内容。自从p c i 总线标准诞生以来，就以其高速度、高可靠性、低成本 及兼容性好等优点，迅速得到了发展和普及，应用领域日益扩大，已成为当今计 算机的主流总线。因此，研制基于p c i 总线的数据采集系统将相机输出的图像数 据输入计算机就成为了课题的当然选择。 本论文主要包括数据采集系统( 基于p c i 总线的数据采集卡和驱动程序) 和 应用软件的设计。其涉及到计算机总线技术、接口技术、驱动程序开发以及m f c 程序设计等关键技术。该课题的研究，不仅是遥感相机性能测试的需要，同时， 它也为以后研制基于计算机底层开发的其它设备提供了技术储备。 1 2 研究重点1 1 1 2 课题研究的第一个重点内容是p c i 总线接口卡的硬件电路设计。由于p c i 总线协议非常复杂、电气规范非常苛刻，每个p c i 设备必须支持配置空间等等， 第1 章绪论 为了缩短开发周期、减少为了解p c i 总线规范的每个细节要求所带来的工作量， 设计中将采用p c i 专用接【i 芯片完成接口开发。深入研究专用接口芯片的功能特 点、熟练掌握其使用方法是课题研究成功的一个关键所在。 课题研究的第二个重点内容是w i n d o w s2 0 0 0 下设备驱动程序的开发。 w i n d o w s2 0 0 0 操作系统基j ：n t 技术构建，不但继承了w i n d o w sn t 操作系统高 度的安全性、稳定性、健壮性、可移植性以及可扩展性等特点，而且保留了 w i n d o w s9 8 优良的用户界面和可操作性，同时在技术上实现了许多新的突破， 成为当今主流操作系统之一【1 1 。作为多用户、多任务操作系统，w i n d o w s2 0 0 0 严格禁止应用程序对系统硬件的直接访问，而必须通过内核模式下的驱动程序来 进行。在w i n d o w s2 0 0 0 中，支持一种全新的、有者广泛应用前景的驱动程序模 型，即w d m ( w i n d o w s d r i v e r m o d e l ) 。利用有限的资料，深入研究和理解w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统内部机制和w d m 驱动程序模型的相关概念，进而掌握设备驱动 程序的编写规则和方法，这是课题研究的另一个关键所在。 课题研究的第三个重点内容是开发用于测试遥感相机性能指标的m f c 应用 程序。与m s d o s 操作系统相比，w i n d o w s 提供了图形窗口的操作环境，输入 手段不再局限键盘输入，视频显示器本身也成为一种输入手段，使得用户与程序 之问的交互更加密切，用户可以与屏幕上的目标直接进行交互操作。因此，一个 完整的w i n d o w s 应用程序首先要具有良好的用户界面，其涉及窗体、对话框、 控件、按钮、菜单等多方面的知识，虽然这可以通过调用w i n d o w s 的a p i 函数 来实现，但这是一个极为痛苦的过程，代码复杂冗长。而使用m f c ( m i c r o s o f t f o u n d a t i o nc l a s s ) 则可以大大简化这一过程，它位于任何w i n d o w s a p i 之上，能 够使开发者的工作更加高效和轻松。m f c 借助v i s u a lc + + 提供的工具使程序设 计更加清晰，例如应用程序向导等，能帮助开发者编写出真正“有用”的代码。 i v l f c 中还提出了许多独特的思想，例如借助m f c 消息映射机制，可以方便的实 现对消息的处理。更重要的是，c 利用c + + 的封装功能使开发者摆脱了 w i n d o w s 中各种句柄的困扰，而只需要面对c + + 中的对象，这样使开发更接近编 程语言而远离系统【2 i 。因此，深入研究m f c 的功能特点、熟练掌握其编程方法 是课题研究的又一个关键所在。 2 中国科学院硕七学位论文：遥巷相机忤能劂l 式数据采集系统研制及府用 1 3 论文安排 本论文主要围绕数据采集系统的硬件、驱动程序、应用程序的具体实现过程 展开，其主要内容如下： 1 p c i 总线与计算机接口技术。本章首先介绍了p c i 总线的特点、信号组 成、数据传输及其配置空间等，然后介绍了计算机接口技术，包括接口 电路的组成以及计算机与接口间的数据传输方式等。该章是设计数据采 集系统硬件电路所必须的理论基础。 2 w d m 驱动程序模型分析。本章首先介绍了w i n d o w s2 0 0 0 操作系统的体 系结构，并重点讨论与设备驱动程序相关的内容，然后介绍了w d m 驱 动程序的基本概念、模型、配置设备和寻址数据缓冲区的基本方式。本 章是编写w d m 驱动程序的理论基础。 3 数据采集系统设计及应用。本章首先介绍了数据采集卡硬件电路设计， 然后介绍了设备驱动程序和应用软件设计，最后介绍了利用该采集系统 测量遥感相机性能参数的实验结果。 4 结束语。结合工作实际，提出了一些有益于提高系统性能、可靠性的方 法和措施。 第2 章p c i 总线计算机接口技术 第2 章p c i 总线与计算机接口技术 在以p c 为平台的数据采集系统设计中，首先需要确定的是采集卡总线类型 和计算机与外设间数据传输方式。其应满足如下基本条件： 1 数据传输速率要高，这样才能满足高分辨率、大容量的图像数据传输。 2 c p u 占用率要小- ，尽量为后级的遥感相机技术指标的计算节约资源。 3 接口时序简单、可靠，或有高性能的接口芯片简化系统设计。 在现有的发展成熟的计算机总线中，p c i 是最符合要求的总线类型。为此， 本章将首先介绍p c i 总线的组成、特点等，然后分析各种数据传输方式和基本接 口电路，为下一章硬件电路设计提供理论基础。 2 1p c i 总线【3 】【4 】 p c i 总线的英文全称为p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c ts p e c i a li n t e r e s t g r o u p ，缩略语为p c i s i g ，也称为外围器件互联。1 9 9 1 年下半年，i n t e l 公司首 先提出p c i 总线概念，并与m m 、c o m p a q 、a s t 、i - i p ，d e c 等1 0 0 多家公司 联合，于1 9 9 3 年推出了p c i 局部总线标准p c i 总线。 2 1 1p c i 总线系统结构 图l 所示为p c i 总线系统结构p 】图中与p c i 总线直接连接的部件都称为 p c i 设备，有主设备和从设备之分。主设备是能获得总线控制权的设备，而从设 备不能获得总线控制权，只能被动的接收经过北桥转发来自c p u 或p c i 总线上 的其它主设备的传输请求， 北桥、南桥芯片组是p c i 总线系统结构的基础。c p u 、高速缓存、系统内存 予系统经过北桥连接到p c i 总线上，北桥是一个关键的p c i 设备，其中包括系统 内存( d r a m ) 控制器，它提供一个高速通路，可以使c p u 直接访问通过它映 4 中国科学院顾十学位论文：遥感相机性能测试数据采集系统研制及府用 射到系统内存空间或空间的p c i 设备，也可以让p c i 主殴备直接访问系统内 存。北桥还提供数据缓冲的功能，使得c p u 与p c i 设备可以并行工作，而不必 互相等待。北桥还把c p u 总线与p c i 总线隔离起来，使p c i 总线独立于c p u 。 p c i 总线的所有驱动都由北桥控制。南桥使得p c i 总线可以与其它总线互连，如 i s a e i s a 总线等。其它面向p c i 的音频处理系统、视频处理系统、网卡、s c s i i d e 接口等都可以直接挂在p c i 总线上。 图1p c i 总线系统结构 2 1 2p c i 总线的特点 p c i 总线的主要特点有； 独立于处理器：p c i 总线是一种廉价且真正独立于处理器的总线，为p c i 总 线设计的器件是针对p c i 的，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。 自动配置：配置寄存器的全位级别规范，支持自动的设备检测与配置。p c i 总线首创的一个重要特性是m 0 设备的即插即用，该功能的实现就是依赖于它的 自动配置特性。 总线主设备支持：全面支持p c i 总线主设备，允许同级p c i 总线访问和通过 p c i - p c i 与扩展总线桥访问主存储器和扩展总线设备。另外，p c i 主设备能够访 第2 章p c i 总线与计算机接口技术 问驻留于总线级别较低的另一个p c i 总线上的目标。 2 1 。3p c i 信号组成 p c i 总线信号( 3 2 位p c i 总线) 可以分为如下几类： 1 系统信号 p c i 时钟信号( c l ，k ) ：系统时钟信号，对于所有p c i 设备都是输入。在时钟 信号的上升沿采样p c i 设备的所有输入，这些输入信号的状态不受其他时间的影 响，所有p c i 时序参数根据时钟信号的上升沿来确定。 复位信号( r s t 样) ：复位信号。用来使p c i 专用的特性寄存器和定序器相关 的信号恢复规定的初始状态。 2 地址数据信号 。 t a d 3 1 ：0 1 ：地址数据多路复用的输入输出信号。在f r a m e # 有效时，是地 址期，在i r d y # 和t r d y # 同时有效时，是数据期。一个p c i 总线的传输中包含 了一个地址期和接着的一个或多个数据期。 c b e 3 ：o 】：总线命令和字节使能多路复用信号。在地址期，这四条信号线 上传输的是总线命令；在数据期，传输的是字节使能信号，用来表示在整个数据 期中，a d 3 1 ：0 1 上哪些字节是有效数据。 3 接口控制信号 f r a m e # ：帧周期信号。由当前主设备驱动，表示一次访问的开始和持续时 问。f r a m e # 的有效预示传输的开始，失效表示这是传输的最后一个数据期。 i r d y # ：主设备准备好信号。该信号有效表示发起本次传输的设备能够完成 一个数据期。它与t r d y # 配合使用，二者同时有效，数据方能完整传输 t r d y # ：从设备准备好信号。该信号有效表示从设备己做好完成当前数据传 输的准备工作。 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终止当前 的数据传输。该信号由从设备发出。 l o c k # ：锁定信号。当它有效时，表示驱动它的设备所进行的操作可能需要 多个传输才能完成。即对此类设备的操作具有排他性，而此时，未锁定的设备对 它的非互斥访问仍然可以进行。 i d 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。 6 中国科学院颂七学位论文：遥感相机性能测试数据采生系统研制及隐用 d e v s e 酬：设备选择信号。该信号有效表示驱动它的设备已成为当| i 访问的 从设备。 4 仲裁信号 r e q # ：总线占用请求信号。该信号有效表示驱动它的设备要求使用总线。 它是一个点到点的信号线，任何一个主设备都有自己的r e q # 信号。 g n t # ：总线占用允许信号。用来向申请占有总线的设备表示，其请求已获 得批准，它也是一个点到点的信号线，任何主设备都有自己的g n t # 。 5 错误报告信号 p e r r # ：数据奇偶校验错误报告信号。但该信号不报告特殊周期中的数据奇 偶错误。一个设备只有在响应设备选择信号和完成数据期后，才能报告一个 p e 砌磷。对每个数据接收设备，如果发现数据有错误，将在收到数据两个时钟周 期后申明p e r r # 。 s e 砌球：系统错误报告信号。该信号的作用是报告地址奇偶错、特殊命令序 列中的数据奇偶错，以及其他可能引起灾难性后果的系统错误。 6 中断信号 i n t a 撑、m b 桴、i n t c 撑，盯d 律：用来请求一个中断。对单功能设备，只能 使用一条中断线i n t a # ，对多功能设备，最多可以使用四条中断线。 2 1 4p c i 配置空间 定义一个配置空间的目的在于；提供一套适当的配置措施，使之满足现行的 和可预见的系统配置机构，因为这些机构还在发展之中，对它们无法限定。提供 这些配置的要求是： 1 充分支持未来的配置机构，使之提供：完全的设备再定位；无需用户干 预安装、配置和引导；由与设备无关的软件进行系统地址映射。 2 有效地支持现有的配置机构。 3 将功能要求所造成的硅片负担最小化。 4 有利于设备通用性，避免由于独特的要求而排斥一些设备。 7 第2 章p c i 总线与计箅机接u 技术 2 1 4 1p c i 配置空间的组成 配置空问是一个具有2 5 6 字节的特定记录结果，其组成如图2 所示。可以分 为两个部分：预定义区域和一个依赖于设备的区域。这个存储空日j 被看作是由一 些可按不同要求进行设置的寄存器组成。因此，也称为配置寄存器空间。不同的 设备只要把每一个区域中的相关寄存器进行设置即可。每一个设备的配置空间必 须在任何时候均可被访问，而并不仅是在系统启动时才能被访问。所有设备必须 把专用的设备寄存器置于6 4 2 5 5 之间的位置。 图2p c i 总线配置空间 2 1 4 2 预定义区域的结构 预定义区域有6 4 个字节，分为两部分。前1 6 个字节对任意类型的设备都相 同，称为头标区。后4 8 个字节根据设备所提供的基本功能的不同而具有不同的 设置。其结构如图3 所示。 d i dv p c i s t sp c i c m d c l c dr i d b i s th d rl a tc a l n b a d r 0 - b a d r 5 保匿 e x r o m 保留 m a a t。m i n g n ti n t p 矾i n t l n 图3p c i 配置空间预定义区域结构 8 中国科学院硕士学位论文：遥感相机性能，州试数据采集系统研制艘w 用 基于p c i 总线的设备，都必须在此预定义区域的头标区内提供厂商d ( v d ) 、设备型号d ( d d ) 等，其它寄存器的设置则可根据设备的功能进行 选择( 如作为保留寄存器) 。如设备提供了寄存器所涉及的功能，则设备必须在 规定的位置对寄存器进行相应设置。系统配置软件需要检查p c i 总线，以确定在 总线上实际存在的设备。为此，配置软件必须在每一个可能的p c i 插槽中读取厂 商d 等。 所有p c i 总线设备必须把对保留的配置寄存器的写操作变为空操作，即必须 在总线上正常完成访问并把数据抛弃。对保留的和不能设置的寄存器的读取操作 必须以正常方式结束并返回一个0 值。 2 2 计算机接口技术( 5 ) m ) 7 ) i s ) i m 2 - 2 - 1 接口电路 计算机的一个基本功能就是具有能与外部设备通信的能力，如常用的键盘、 显示器、数码相机等。但是，与计算机通信的外部设备其功能多种多样，有些外。 设可作输入设备，有些可作输出设备，而有些设备既可作输入，也可作输出；不 同的外设其信号形式也可能不一样，有些是模拟的有些是数字的，有些是串行的 也有些是并行的。因此，外部设备不能和计算机的总线直接连接起来。输入，输 出接口电路就是为了解决计算机和外部设备之问的信息变换问题而提出来的，它 将复杂的计算机总线协议转换为简单的、适合外设的本地总线协议，每个外设都 是通过接口电路和计算机总线相连，进而与c p u 进行信息传输1 5 】。 图4 是一个最基本的i o 接口形式。从图中我们可以看出，一个接口电路有 三种寄存器，即数据寄存器、状态寄存器以及控制寄存器或命令寄存器。数据寄 存器用以实现对输入，输出数据的锁存与缓冲，以保证通信的两方都得到数据。 状态寄存器的内容反映了接口的数据传输过程，实时指明了接口与外设的握手联 络的时序关系。c p u 可以读取状态寄存器的内容，对数据寄存器的读写作出相 应的处理。控制寄存器在一个接口电路中可以有多个，如方式选择寄存器、输入 输出选择寄存器、中断矢量寄存器等，一般用于c p u 对接口的工作方式、工作 参量等的设置。一般需对其进行初始化。在工作运行时，c p u 根据需要也可变 更设置，满足各种环境的运行。 9 第2 章p c i 总线与科铮机接口技术 c db i 0 矮口数据 、7i 烈孵h i 1 外 p ab 。 i d 自it 1 1 年霉 部 cb 。 l ! 善堕，! 兰l设 伍五j ：一_ 备 u i 墨i 坚! 兰i d b ：计算机数据总线 a b ：计算机地址总线 c b ：计算机控制总线 图4i 0 接口基本结构框图 除了三种寄存器外，接口电路还需要有些相应的控制逻辑电路。例如， 选择端口，需要地址译码器：执行中断控制，要有中断控制逻辑：实现差错检测， 要有相应的差错检测部件配合等。 对于接口芯片的引线，它有两个面向，其一是面向外设，其二是面向计算 机的c p u 。面向外设的线由数据线、控制线和状态线组成。数据线是外设与接 口的数据传输的通道，状态线表示了接口工作状态，反映了接口与外设的握手时 序关系。控制线就是对数据的传输进行操作。外设不同，引线就可能不一样。面。 向c p u 的引线通过连接计算机总线与c p u 相连，虽然所有的计算机总线都主要 是由数据总线、地址总线、控制总线三部分组成，但对于不同的总线，其数据总 线、地址总线的宽度可能不同，它的控制总线也不一样。随着外围设备的不断发罐一 展，输入输出总线也在迅速发展；新的总线标准不断涌现。总线不同，接口电路 就不一样。 2 2 2 传输方式 e l c p u 与外部设备问的数据传输方式或f o 模块基本处理方式是微机接口技术 最基本的内容。c p u 与外设之间进行的数据传送，实际上可分为两个阶段，即 c p u 通过总线和的接口之间的数据传输，及i 0 接口和外设之间的数据传输， 不同的外设对所传送的内容和服务质量有不同的需求，这就需要用不同的传送方 式。而传送方式的不同决定了c p u 与对外设的控制方式就不同，从而导致了接 口电路的结构和功能不同。c p u 与外设间的数据传输方式一般可分为三种方式： 程序方式、中断方式、d m a 方式。 1 0 中国科学院顾卜学位论止：遥感相机件能测试数据采集系统研制及虎用 2 2 2 1 程序方式 程序方式传送是指在程序控制下进行信息传送，又分为无条件传送和条件传 送。 无条件传送：如果计算机能确信一个外设已经准备就绪，那就不必查询外设 的状态而可直接进行信息传输，这就是无条件传送方式。该传送方式传输简单、 结构简明，程序设计也较简单。在传输过程中，收方始终处于准备好状态，可以 随时接收数据。在外设处于接收方时，c p u 不必检查外设的状态而直接传递数 据，要求外设能够及时响应。在c p u 处于接收方时，c p u 要不断处于准各接收 的就绪状态，着不能及时将数据取走，下一个数据就可能将会把还没有处理的数 据覆盖，而造成有效数据的丢失。显然这种方式的使用受到很大的局限，所以无 条件传送方式很少使用，只用在对一些简单外设的操作。如c p u 读取d 口开关 状态，向七段l e d 数码管发送显示数据等。 条件传送：又称为查询方式传送。用条件方式传送时，c p u 通过执行程序不 断读取并测试外设的状态，如果外设处于准备好状态( 输入设备) 或空闲状态( 输 出设备) ，则c p u 执行输入指令或输出指令与外设交换信息。为此，接口电路除 了有传送数据的端口以外，还有传送状态的端口。对于输入过程来说，当外设将 数据准备好时，则使接口的状态端口中的“准备好”标志位置1 ；对于输出过程 来说，外设取走一个数据后，接口便将状态端口中的对应标志位置1 ，表示当前 输出寄存器已经处于“空”状态，可以接收下一个数据。它适用于c p u 不太忙 且速度要求不高及系统实时性要求不是很高的场合。 显然，条件传送方式比无条件传送数据的可靠性高，但这种方式中，c p u 处 于主动地位，它的大量工作时间用在查询设备状态上，而用于传输数据的时间很 少，系统资源被浪费。 2 2 2 2中断方式 中断传送方式就是当外设就绪时，主动向c p u 发中断请求信号，中断c p u 当前的工作，使c p u 停止执行当i i i 程序，而去执行一个数据输入，输出的程序， 此程序称为中断处理子程序或中断服务子程序。中断子程序执行完后，c p u 又 第2 章p c i 总线与计算帆接u 技术 转回来执行原来的程序。使用中断传送方式时，c p u 就不必花费大量时间去查 询外设的工作状态，从而大大提高了c p u 的效率。但在中断方式下，仍然是通 过c p u 执行程序来实现数据传送的，每进行一次传送，c p u 都必须执行一遍中 断处理程序。而每进入一次中断处理程序，c p u 都要保护断点和标志；此外， 在中断处理程序中，通常有一系列保护寄存器和恢复寄存器的指令，这些指令显 然和数据传送没有直接关系，但在执行时，却要使c p u 花费不少时问；还有， 对于8 0 8 6 来说，取指令和执行指令是并行地工作。但是，一旦进入中断，由于 要清除指令队列，这种并行工作机制就失去功能。因此，中断方式下的传输效率 仍然不是很高。 2 2 2 3d m a 方式 d m a 方式也称为直接存储器访问方式。在该方式下，外部设备通过d m a 控制器与存储器直接进行高速数据传送，而不经过c p u 。这样，传输时就不必 进行保护现场之类的一系列额外操作，数据的传输速度基本上决定于外设和存储 器的速度。d m a 传送主要应用于高速度大批量数据传送的系统中，以提高数据 的吞吐量，如磁盘存取、图像处理、高速数据采集系统等。 d m a 控制器是外设与计算机进行d m a 方式传输的硬件基础。在利用d m a 方式进行数据传输时，由于要利用系统的数据总线、地址总线和控制总线，但系 统总线原是由c p u 或总线控制器管理的，因此在用d m a 方式进行数据传输时， d m a 控制器要向c p u 发出请求，使c p u 让出总线，即把总线控制权交给d m a 控制器，由它发出读写控制信号控制外设和存储器之间的数据传送，取代c p u 控制整个系统。所以，d m a 控制器应具备如下功能： 1 当外设准备就绪，希望进行d m a 操作时，会向d m a 控制器发出d m a 请求信号，d m a 控制器接到此信号后，应能向c p u 发总线请求信号。 2 c p u 接到总线请求信号后，如果允许，则会发出d m a 响应信号，从而 c p u 放弃对总线的控制，这时d m a 控制器应能实行对总线的控制。 3 d m a 控制器得到总线控制权以后，要往地址总线发送地址信号，修改 所用的存储器或接口的地址指针。为此，d m a 控制器内部设有地址寄 存器。一开始，由软件往该寄存器中设置d m a 的首地址。在d m a 操 1 2 中国干 学院硕七学位论文：遥感相机件能测试数据采集系境研制及v 用 作过程中，每传送一个字节，就会自动对地址寄存器的内容进行修改， 一指向下一个要传送的字节。 4 在d m a 传送期间，d m a 控制器应能发送读写控制信号。 5 为了决定所传送的字节数，并且判断d m a 传送是否结束，在d m a 控 制器内部必须有一个字节计数器，用来存放所传送的字节数，即数据长 度。一开始由软件设置数据长度。在d m a 过程中，每传送一个字节， 字节计数器的值便自动减一，减为零时，则d m a 过程结束。 6 d m a 过程结束时，d m a 控制器应向c p u 发出结束信号，将总线控制 权交还给c p u 。 由此可知，进行一次d m a 方式传输，其流程如下图5 所示( 以从接口往内 存传输一个数据块为例) ； 2 3 图5d m a 方式传输流程图 本章小结 p c i 总线支持即插即用功能是其最大的特点，p c i 规范要求每个p c i 总线接口设备都必须支持该功能，因此，p c i 接口设备都有p c i 配置 寄存器，系统在上电或复位时将读取该寄存器的值，以识别设备并为 设备分配系统资源。 通过对三种传输方式的比较，可以发现d m a 方式传输速度最快，c p u 占用率最低，适合大批量的数据传输。 通过对接口电路的介绍，可以发现，计算机与外设问进行数据传输实 际上分为两个部分，一是计算机与接口电路间的数据传输，二是接口 电路与外设的数据传输。 第3 章w d m 驱动程序模型分析 第3 章w d m 驱动程序模型分析 当前应用于p c 机上的主流操作系统是w i n d o w s2 0 0 0 、w i n d o w sx p 等，它 们都是基于n t 技术构建，具有高度的安全性、稳定性、健壮性、可移植性以及 可扩展性等特点。为实现这些特点，它们在设计时融合了分层操作系统和客户 服务器( 微内核) 操作系统的优点，通过硬件机制，实现了操作系统运行在两种 不同的特权级模式下，即内核模式( k e r n e l m o d e ) 和用户模式( u s e r m o d e ) 。内 核模式运行那些执行服务，它统一管理资源，并有权访问系统数据和硬件；用户 模式运行应用程序，它不能直接访问系统数据和硬件，而只能通过调用运行于内 核模式的设备驱动程序所提供的各种服务问接地对硬件资源进行访问。深入了解 操作系统，对于掌握运行于内核模式的设备驱动程序的编写是非常必要的。因此， 本章将首先对w i n d o w s2 0 0 0 操作系统的内部机制进行探讨，重点讨论与设备驱 动程序相关的内容。 3 1w i n d o w s2 0 0 0 操作系统i l l p 9 2 0 3 1 1w i n d o w s2 0 0 0 体系结构 图6 描述了w i n d o w s2 0 0 0 的体系结构【” 粗线上面的方框代表运行在保护地址空间的用户模式程序，而其下面的方框 代表运行在核心态地址空间的内核模式程序。用户模式程序主要有四个基本类 型： s y s t e ms u p p o r t p r o c e s s ( 系统支持程序) ：例如登陆进程和会议管理器等，它 们不是w i n d o w s2 0 0 0 的服务程序，即它们不由服务控制管理器启动。 s e r v i c ep r o c e s s e s ( 服务程序) ：例如任务调度程序和假脱机程序等，它们是 w i i l d o w s2 0 0 0 的服务程序。 u s e ra p p l i c a t i o n s ( 用户应用程序) ：它们包括六种类型：w i n d o w s3 2 位应用 1 4 中国科学蕲颂 学位论文：遥感相机t 牛能测试数据采蔓系统研制及廊用 程序、w i n d o w s6 4 位应1 日程序、w i n d o w s3 1 1 6 位应用程序、m s d o s1 6 位应 用程序、p o s i x3 2 位应用程序以及o s 23 2 位应用程序。 e n 、，i r o n m e n ts u b s y s t e ms e r v e r p r o c e s s e s ( 环境子系统服务程序) ：它们向i 蓝用 程序提供操作系统环境支持。在w i n d o w s2 0 0 0 操作系统中，包括w m 3 2 、o s l 2 以及p o s 子系统。 在“s e r v i c ep r o c e s s e s ”和“u s e ra p p l i c a t i o n s ”方框下面有一个“s u b s y s t e m d l l s ”方框，即“子系统动态连接库”。w i n d o w s 操作系统中的应用程序不能直 接调用系统服务例程，它们必须通过子系统动态连接库与操作系统进行交互，即 通过予系统动态连接库将文档化函数( 公开的调用接口) 转换为适当的w i n d o w s 2 0 0 0 内部调用。 趼虬明慨servicesupportprocesses li ll l 儿v o 口o o o o u s e r p p l i c a t i o n s u b s y s t e md l l s e n v i r o n m e n s u b s y s t e m s u s e rm o d e e x e c u ti v e k e r n e ld e v i c ed r i v e r s h a r d w a r ea b s t r a c t i o nl a y e r ( h a l ) k e r n e lm o d e 图6w i n d o w s2 0 0 0 孤c m t e c t u r e 运行于核心态地址空间的内核模式程序主要有五个类型： e x e c u t i v e ( 执行体) ：包含了基本的操作系统服务程序，例如对象管理器、 内存管理、进程线程管理、安全管理、i o 系统、网络以及进程问的通信等等。 k e r n e l ( 内核) ：它是操作系统的中枢部分，为其提供最低层次的功能，例 如线程调度、中断处理以及内核异常处理。同时它也为执行体提供了一组例程和 基本对象来实现高级结构。 d e v i c ed r i v e r s ( 设备驱动程序) ：它包括硬件设备驱动程序、文件系统以及 网络驱动程序等。其中，硬件设备驱动程序是将用户的m d 函数调用转换为对专 用硬件设备的i 0 请求。 第3 章w d m 驱动程序模型分析 h a r d w a r e a b s t r a c tl a y e r ( h a l ，硬件抽象层) ：将内核、设备驱动程序以及 执行体同硬件分隔开来，使它们可以适用多种平台。w i n d o w s2 0 0 0 操作系统中 的设备驱动程序不直接操作硬件，而是通过调用h a l 的函数与硬件接口，从而 保证没备驱动程序的可移植性。 w i n d o w i n ga n dg r a p h i c ss y s t e m ( 图形引擎) ：包含了实现图形用户界面 ( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ，g u i ) 的基本函数。 从基本结构可以看出，w i n d o w s2 0 0 0 运行在两种不同的处理器模式下，运 行在用户模式下的应用程序不能直接访问硬件，它使系统更具可靠性、健壮性； 由于在内核模式中使用硬件抽象层，使系统具有可移植性；并且它支持各种不同 的子系统，这些子系统能使它能运行来自0 s 2 和p o s i x 的程序。 w m i s e r v l c e w i n d o w s s e r v l c e s 攀封倒： 一一l 一一一皇一一一k e x n e lm o d e w d m 删i r o u t i n s 司m a n a g e r 囡固i 苎! ! ! ! 竺i l 竺! ! 璺! 坚 i n ff l l e s c a tf x l e s r e g l s t r y 一一一一一一一一一一1 一一一一一一一一一一一 图7i os y s t e mc o m p o n e n t s 3 1 2i ，o 系统 作为设备驱动程序开发人员，我们主要关心的是操作系统中负责管理输入输 出设备的哟系统。在w i n d o w s2 0 0 0 中，i o 系统由一些执行体组件和设备驱动 茜百 一!一一i 一。引，一 锄 强 “ 悒 o 吼 h 以外 一 u 鲫 髓 中圆科学院硕十学位论文二遥感相机忭能测试数据采集系统研制及脚甩 程序组成，它接收来自运行于用户态或核心态的调用程序的f o 请求，并以不同 的形式把它们传送到设备，从而实现指定的的操作。 3 1 2 1i o 系统结构 图7 显示了w i n d o w s 2 0 0 0 的i ，o 系统结构。 i o 系统主要由下面几个组件组成： f o m a n a g e r ( f o 管理器) ：它是f o 系统的核心，它把应用程序和系统组件 连接到各种虚拟的、