（电路与系统专业论文）基于pci总线的mpeg4视频监控卡的设计.pdf

中文摘要 在现代高速公路道路监控系统中，视频监控是一种非常重要的监控手段。但 视频监控通常由于处理，采集的数据量巨大，应用受到一定限制。为解决视频数 据的存储和传输问题，唯一途径就是对视频数据进行压缩。 二十世纪九十年代末，随着多媒体技术、视频压缩编码技术、网络通讯技术 的发展，数字视频监控系统迅速崛起。在d t v 、h d t v 巨大市场的拉动下，与 数字电视相关的各种数字视频技术得到了迅速发展，相应的技术标准、各种算法 和专用芯片、处理、记录和展示图像信号的设备相继制定和开发完成。所有这些 都促进了数字视频监控系统的迅速发展。 论文结合目前监控技术，提出了一种基于p c i 总线的m p e g 4 视频压缩卡 的实现方案。研究了一般的视频监控采集系统的特点和w i n d o w s 驱动程序模型， 完成了基于专用视频压缩芯片g 0 7 0 0 7 s b 和多媒体p c i 桥s a a 7 1 4 6 的视频监控 卡的硬件设计，并在对视频监控卡w d m 驱动程序的开发方法进行深入研究的基 础上，编制了驱动程序，较好的解决了s a a 7 1 4 6 和g 0 7 0 0 7 s b 的配置、中断响 应以及芯片接口的时序调整问题。所开发的驱动程序在硬件系统中可正确加载， 能够实现系统软复位，并可进行固件包和初始化包的下载。 视频监控卡的硬件和软件调试结果表明，所提出的硬件设计方案可行，所开 发的w d m 驱动程序达到了软件驱动的设计要求。 关键词：视频监控；g 0 7 0 0 7 s b ；s a a 7 1 4 6 ；w d m 驱动程序 v i d e os u r v e i l l a n c ei sak i n do fi m p o r t a n tt o o l si nh i g h w a ym o n i t o r i n gn o w a d a y s h o w e v e r , t h ed a t ap r o c e s s e da n dc o l l e c t e db yv i d e om o n i t o r sa r eh u g e ，w h i c hl i m i t s t h ea p p l i c a t i o n so fv i d e os u r v e i l l a n c e t h eo n l yw a yt os o l v et h i sp r o b l e mi s c o m p r e s s i o n i nt h el a t e 1 9 9 0 ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i at e c h n o l o g y , v i d e o c o m p r e s s i o na n dc o d i n gt e c h n o l o g ya n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , v i d e o s u r v e i l l a n c et e c h n o l o g yh a sb e e ni nar a p i d l yd e v e l o p i n gp e r i o d i n f l u e n c e db y p o t e n t i a lm a r k e tp r o f i to fh d t va n dd t v , m a n yt e c h n o l o g i c a ls t a n d a r d a n d a l g o r i t h ma r cb e i n go rh a v eb e e ns e tu p ，a s i c sa n de q u i p m e n t sf o rv i d e op r o c e s s i n g , r e c o r d i n g ，a n dd i s p l a y i n gh a v eb e e nr e s e a r c h e da n dp u ti nt ou s e a l lt h e s ef a c t o r s p u s h t h et e c h n o l o g yo f v i d e os u r v e i l l a n c ef o r w a r d a c c o r d i n gt oc u r r e n tt e c h n o l o g i e s , t h i sp a p e rr a i s e sad e s i g nm e t h o r da b o u ta m p e g - 4v i d e os u r v e i l l a n c ec a r db a s e do np c ib u s a f t e rs t u d yc o m m o l lv i d e o s u r v e i l l a n c ec h a r a c t e r sa n dw i n d o w sd i r v e rm o d e l ，w eg i v eak i n do f h a r e w a r ed e s i g n m e t h o db a s e do nv i d e oc o m p r e s s i o nc h i pg 0 7 0 0 7 s ba n dm u l t i m e d i ap c ib r i d g e s a a 7 1 4 6u s e di nt h i sv i d e os u r v e i l l a n c ec a r d , a n df m i s h ed r i v e rp r o g r a m m i n g t h e c o n f i g u r a t i o no fs a a 7 1 4 6a n dg 0 7 0 0 7 s b ，r e a c t i o nt oi n t u r r p u t i o na n dt i m i n g b e t w e e nt h et w oc h i p sw e r ep r o c e s s e d t h ed r i v e rf o rt h ec a r dc a nb el o a d e di n w i n d o w s2 0 0 0p r o p e r l y , a n di sa b l et or e s e t s y s t e m , d o w n l o a df i r m w a r ea n d i n i t i a l i z a t i o np a c k a g e a f t e rt e s t i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，h a r e w a r es y s t e mi sa b l et or u n , w d m d r i v e rc a ns a t i s f yt h ed e s i g nr e q u e s t k e yw o r d s ：v i d e os u r v e i l l a n c e ，g 0 7 0 0 7 s b ，s a a 7 1 4 6 ，w d md r i v e r 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘茎或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。 靴做储鹳。研辩醐一，年则 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘茎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：“年，月，a 日 导师签名： 张椭够 签字日期：易年j 月冲 第一章绪论 第一章绪论 1 1 视频监控系统的发展状况 1 1 1 视频监控系统的现状 在国内外市场上。主要推出的是数字控制的模拟视频监控和数字视频监控两 类产品。前者技术发展已经非常成熟、性能稳定，并在实际工程应用中得到广泛 应用，特别是在大、中型视频监控工程中的应用尤为广泛；后者是新近崛起的以 计算机技术及图像视频压缩为核心的新型视频监控系统，该系统解决了模拟系统 部分弊端而迅速崛起，但仍需进一步完善和发展。目前，视频监控系统【1 1 1 2 1 正处 在数控模拟系统与数字系统混合应用并将逐渐向数字系统过渡的阶段。 1 1 2 数字信号控制的模拟视频监控系统 数字信号控制的模拟视频监控系统【3 】分为；1 基于微处理器的视频切换控制 加p c 机的多媒体管理；2 基于p c 机实现对矩阵主机的切换控制及对系统的多 媒体管理两种类型。 1 基于微处理器的视频切换控制加p c 机的多媒体管理类型 二十世纪八十年代是微处理器的年代，视频监控系统利用微处理器固件发展 的矩阵切换器，将原来分散的全硬件视频监控系统微型集中化，如将视频切换、 对前端的控制等功能集合在一起，一机处理，是技术上的一个突破。 自备微处理器的矩阵主机可通过p c 机的图形管理软件实现以下功能： 对单一工作站之中的视频监控、出入口控制、内部通讯、报警等进行综合全 面控制( 注：只能提供一个简单的、可增强系统控制功能的用户界面，但不能代 替矩阵主机的安防配置和编程能力) ； 任意一台工作站可通过网络，控制其它工作站所连接的矩阵主机、报警设备， 完成视频切换云台、镜头控制及报警联动等； 可通过软件实现对众多矩阵主机和报警接口软件模块的控制。 2 基于p c 机实现对矩阵主机的切换、控制和对系统的多媒体管理 基于p c 机的视频监控系统采用软件设计，实现摄像机到监视器的视频矩阵 切换，云台和镜头的控制，通过串口连接报警设备的报警信息，并通过程序编程 自动完成视频切换、云台控制、报警联动、报警录像等各项控制功能。 系统能充分利用p c 机的资源，使视频监控系统随电脑技术的发展而不断进 第一章绪论 步，同时其开放性的结构特性更可使之与其它多种系统如与消防报警系统、出入 口管理系统、楼宇自控系统等实现互动集成。 数控模拟视频监控系统的优缺点 随着微处理器、微机的功能、性能的增强和提高，以及多媒体技术的应用， 系统在功能、性能、可靠性、结构方式等方面都发生了很大的变化，视频监控系 统的构成更加方便灵活、与其它技术系统的接口趋于规范，人机交互界面更为友 好。但由于视频监控系统中信息流的形态没有变，仍为模拟的视频信号，系统的 网络结构主要是一种单功能、单向、集总方式的信息采集网络，具有介质专用的 特点，因此系统尽管已发展到很高的水平，已无太多潜力可挖，其局限性依然存 在，要满足更高的要求，数字化是必由之路。 模拟监控系统的主要缺点有： 通常只适合于小范围的区域监控。模拟视频信号的传输工具主要是同轴电 缆，而同轴电缆传输模拟视频信号的距离不大于1 k m ，双绞线的距离更短，这 就决定了模拟监控只适合于单个大楼小的居民区以及其它小范围的场所； 系统的扩展能力差。对于已经建好的系统，如要增加新的监控点，往往是牵 一发而动全身，新的设备也很难添加到原有的系统之中； 无法形成有效的报警联动。在模拟监控系统中，由于各部分独立运作，相互 之间的控制协议很难互通，联动只能在有限的范围内进行。 1 1 3 数字视频监控系统 数字视频监控系统【4 】是以计算机为中心、数字视频处理技术为基础，利用图 像数据压缩的国际标准( , i p e g ，m p e g ) ，综合利用图像传感器、计算机网络、自 动控制和人工智能等技术的一种新型监控系统。 数字视频监控系统将摄像头获得的模拟电视和视频信号转变为数字视频信 号以便于计算机处理，或者由数字摄像头直接输出数字视频信号，在计算机显示 器上显示多路活动图像的同时，可将各路信号分别存储于计算机的硬盘内。在实 时情况下，每路信号在监视、记录、回放时都能达到最大为2 5 帧，s 的活动图 像的效果。 数字视频监控系统除了具有传统闭路电视监视系统的所有功能外，还具有远 程视频传输与回放、自动异常检测与报警、结构化的视频数据存储等功能。与数 字视频监控系统相关的主要技术有视频数据压缩、视频的分析与理解、视频流的 传输与回放和视频数据的存储。视频是在时间上近似连续的图像序列。在数字图 像处理中，把照片这类单幅的图像称为静态图像( 简称图像) ，而把电视图像这类 连续图像称为运动图像或视频。数字视频信号具有频谱效率高、抗干扰能力强， 2 第一章绪论 失真少等模拟信号无法比拟的优点，同时也具有信号处理数据量大、占用频率资 源多的问题，正是这个原因，造成数字视频监控系统虽然具有很多的优点，却迟 迟难以实用化。只有对数字视频信号实现有效的压缩，实现其压缩功能的芯片成 熟化，并具有实用性，使之在通信和存储方面的成本与模拟信号基本相同时，它 的其它优点才能表现出来，数字视频监控系统才有可能全面发展起来。 数字视频监控系统通常分为两类：一类是基于p c 机的板卡式数字监控系统； 另一类是嵌入式数字监控系统。 1 基于p c 机的板卡式数字监控系统 数字视频压缩编码技术日益成熟和计算机的普及化，为基于p c 机的多媒体 监控创造了条件。这种新型视频监控系统的迅速崛起，部分地取代了以视频矩阵 图像分割器、录像机为核心，辅以其它传送器的模拟视频监控模式，其优越性主 要表现在： p c 机的多媒体监控主机综合了视频矩阵、图像分割器、录像机等的众多功 能，使系统结构大为简化。 由于采用计算机网络技术，数字多媒体远程网络监控不受距离限制； 由于采用大容量磁盘阵列存盘器或光盘存储器，可以节省大量的磁带介质， 同时有利于系统实现多媒体信息查询。 但随着基于p c 机的视频监控录像系统的发展，在实际工程使用过程中，也 暴露出一些不足，主要是系统工作的不稳定性。基于p c 的视频监控录像系统 的组成结构为：兼容t 控p c 机+ 视频采集卡+ 普通较可靠的操作平台+ 应用软 件。从系统的组成结构来分析： 兼容p c 机用于2 4 小时不间断工作时，其性能是不很稳定的，工控p c 机 相对兼容p c 机的稳定性有一个档次上的提高，适用于较复杂的工作环境； 以w i n d o w s 为操作平台的系统，业内人士都知道，w i n d o w s 的稳定性是 有一定问题的，如果同时应用软件又不是很规范，这样就容易在使用过程中出现 工作不稳定、死机等问题。而基于p c 机的视频监控录像系统软件的实现是在 w i n d o w s 、u n i x 、l i n u x 等通用操作系统上进行的，同时系统文件、应用软件和 图像文件都存储在硬盘上，视频处理要求高密度输入大量数据，同时硬盘要进行 多工工作，普通的硬盘逻辑( 如w i n d o w s 的f a t 3 2 ) 己无法适应，以致极易产 生系统的不稳定性，造成死机现象； 采用简易应用软件的系统是不能够用于安防领域的，视频监控系统的应用 软件应能支持多任务并发处理，如监视、录像、回放、备份、报警、控制、远程 连接等的多工处理能力； 视频监控录像系统通常均为多路输入系统，视频采集卡可采用多卡方式， 也可采用单卡方式。一般说，单卡方式集成度高，稳定性会优于多卡方式，很多 采用一路一卡的方式很容易形成硬件冲突，其稳定性会有较大的影响。目前市场 第一章绪论 上也有部分为追求高帧数而设计的，采用多卡进行迭加的多路单卡设备，但其仍 在计算机的总线上进行传输、处理，不可能会有质的飞跃。 2 嵌入方式的视频监控系统 嵌入式系统是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠 性、成本、体积等综合性严格要求的专用计算机系统，亦即为监控系统量体裁衣 的专用计算机系统。 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软 件系统等组成，它是集软硬件于一体的可独立工作的”器件”。 嵌入式操作系统是一种实时的，支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是 嵌入式系统极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内 核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。嵌入式操作系统在 系统实时高效性、硬件的相关依靠性、软件固态化及应用的专用性等方面具有较 为突出的特点。 嵌入式系统的优缺点： 嵌入式系统为专用系统，所以系统小，指令精简，处理速度快；系统数据置 于r o m f l a s hm e m o r y 之中，调用速度快，不会被改变，稳定性好；系统处 理实时性好，性能稳定；文件管理系统更适合于大量的视频数据。但该类系统目 前四路以上机型还较为少见：在网络功能、音视频同步等方面也难令人满意。 此外还有嵌入式视频w e b 服务器方式。 嵌入式视频w e b 服务器的主要原理：视频服务器内置一个嵌入式w e b 服务 器，采用嵌入式实时多任务操作系统。摄像机送来的视频信号数字化后由高效压 缩芯片压缩，通过内部总线送到内置的w e b 服务器，网络上用户可以直接用浏 览器观看w e b 服务器上的摄像机图像，授权用户还可以控制摄像机、云台、镜 头的动作或对系统配置进行操作。 由于把视频压缩和w e b 功能集中到一个体积很小的设备内，可以直接连入 局域网，达到即插即看，省掉多种复杂的电缆，安装方便( 仅需设置一个p 地 址) ，用户也无需安装任何硬件设备，仅用浏览器即可观看。 嵌入式视频w e b 服务器监控系统与其它监控系统的比较有如下特点： 布控区域广阔。嵌入式视频w e b 服务器监控系统的w e b 服务器直接连入 网络，没有线缆长度和信号衰减的限制，同时网络是没有距离概念的，彻底抛弃 了地域的概念，扩展布控区域。 系统具有几乎无限的无缝扩展能力。所有设备都以口地址进行标识，增 加设备只是意味着i p 地址的扩充。 可组成非常复杂的监控网络。采用基于嵌入式w e b 服务器为核心的监控 系统，在组网方式上与传统的模拟监控和基于p c 平台的监控方式有极大的不 同，由于w e b 服务器输出已完成模拟到数字的转换并压缩，采用统一的协议在 4 第一章绪论 网络上传输，支持跨网关、跨路由器的远程视频传输。 性能稳定可靠，无需专人管理。嵌入式w e b 服务器实际上基于嵌入式电 脑技术，采用嵌入式实时多任务操作系统，又由于视频压缩和w e b 功能集中到 一个体积* t t d , 的设备内，直接连入局域网或广域网，即插即看，系统的实时性、 稳定性、可靠性大大提高，也无需专人管理，非常适合于无人值守的环境。 当监控中心需要同时观看较多个摄像机图像时，对网络带宽就会有一定的 要求。 1 2 视频监控系统的发展 视频监控系统目前正在向着业界公认的前端一体化、视频数字化、监控网络 化、系统集成化方向发展。而数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成化的 基础，所以，视频监控发展的最大两个特点就是数字化和网络化【5 】 6 】【刀 数字化 数字化是2 1 世纪的特征，是以信息技术为核心的电子技术发展的必然。视 频监控系统的数字化首先应该是系统中信息流( 包括视频、音频、控制等) 从模 拟状态转换为数字状态，这将彻底打破”经典闭路电视系统是以摄像机成像技术 为中心”的结构形式，根本上改变视频监控系统从信息采集、数据处理、传输、 系统控制等的方式和结构。信息流的数字化、编码压缩、开放式的协议，使视频 监控系统与安防系统中其它各子系统间实现无缝连接，并在统一的操作平台上实 现管理和控制。这也是系统集成化的含义。 网络化 视频监控系统的网络化意昧着系统的结构将由集总式向集散式系统过渡。集 散式系统采用多层分级的结构形式，具有微内核技术的实时多任务、多用户、分 布式操作系统，以实现抢先任务调度算法的快速响应。组成集散式监控系统的硬 件和软件采用标准化、模块化和系列化的设计，系统设备的配置具有通用性强、 开放性好、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、人机界面友好以及系 统安装、调试和维修简单化，系统运行互为热备份，容错可靠等优点。系统的网 络化在某种程度上打破了布控区域和设备扩展的地域和数量界限。系统网络化将 使整个网络系统实现硬件和软件资源的共享以及任务和负载的共享，这也是系统 集成的一个重要概念。 1 3 论文的研究任务及章节安排 论文主要研究基于p c 的板卡式m p e g - 4 视频监控卡的设计，该课题的目的 第一章绪论 是开发出一款应用于高速公路道路监控的视频监控p c i 板卡。 在开发设计中需要解决的几个关键技术问题： 系统的硬件实现方案 s 从7 1 1 3 的配置， s 从7 1 4 6 的配置和使用 c r 0 7 0 0 7 s b 配置和使用 s a a 7 1 4 6 和g 0 7 0 0 7 s b 之间数据和控制信号的交换 监控卡w d m 驱动程序的开发 软硬件调试 本论文的大致结构如下g 第一章简要介绍视频压缩技术的发展状况，特别是数字视频压缩技术的发展 和现阶段的主要技术；第二章主要阐述了p c i 局部总线技术：第三章介绍系统硬 件构成；第四章介绍w m d o w s 驱动程序模型；第五章主要介绍监控卡w d m 驱 动程序的开发；第六章给出系统调试；第七章简要总结及展望。 6 第二章p c i 局部总线 2 1p c i 局部总线 第二章p c i 局部总线 p c i s l g l 是英文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 t ( # b 围设备互连) 的缩写。由 i n t e l 公司于1 9 9 1 年推出，是一款适合w m d o w s 类图形界面操作系统要求的高 性能局部总线。p c i 局部总线标准的制定主要目的是为了实现种将周边设备与 处理器高速结合起来的总线结构，以便适应用户对于数据率越来越高的要求。该 总线支持6 4 位数据传送、多总线主控和线性突发方式。使用p c i 总线结构的设 备，可以达到理论上峰值为1 3 2 m b y t e s s 的数据率，考虑到系统的繁忙和设备自 身的原因，一般可以达到6 0 m b y t e s s 的数据率。同时p c i 局部总线还具有传输 性能高、极少存取延误、c p u 占用率极低、兼容性强等特点。 p c i 总线能支持一种称为线性突发的数据传输模式，该模式可确保总线不断 满载数据。外围设备一般可由内存某个地址顺序接受数据，这种线性或顺序的寻 址方式，意味着可以由某个起始地址开始读写大量数据，每次地址自动加l 后， 便可接受数据流内的下一个字节的数据。线性突发传输能够更有效地运用总线的 带宽去传输数据，以减少无谓的地址操作。这对使用高性能图形加速器尤为重要， 对简化图像采集卡的开发也非常有益。 p c i 总线的推出，使得基于p c i 总线产品的开发充满活力。早期基于i s a 总 线的图像采集卡是采用面向帧存的图像采集方式，即模拟图像通过a p d 转换器 后，先存于采集卡上的存储器中( 帧存储器) ，存满一帧( 一般是一幅完整图像) 后， 再送到计算机内存。因此电路复杂，成本较高。现在的采集卡，数据采集和传输 速度均基于p c i 总线，借助p c i 总线的线性突发传输的特点，可采用面向计算 机内存的图像采集方式，即模拟图像通过a p d 转换器后，先存于p c i 总线产品 自身的缓冲器中( 一般只需几k 的容量) ，当缓冲器满后直接把图像数据传输给 计算机的物理内存。因此电路设计较为简化、成本低、采集速度快、数据传输流 畅，满足2 4 帧s 的图像采集要求。事实上在需要高数据率和低耗的场合，都 可以使用p c i 总线设备。 图2 1 给出了p c i 局部总线应用的基本架构。可以看出p c i 局部总线通过系 统中的主桥( h o s tb r i d g e ) 、s c s i 控制器( s c s ic o n t r o l l e r ) 、扩展总线桥( e x p a n s i o n b u s b r i d g e ) 与系统中的其他部分连接起来，还可以直接和百兆的以太网、声卡、 显卡和视频采集卡连接。 7 第二章p c i 局部总线 图2 1 p c i 总线基本架构 2 2 p c i 局部总线信号 为处理数据、寻址、接口控制、仲裁及系统功能，p c i 接口要求作为目标设 备的设备至少有4 7 条引脚，作为总线主设备的设备至少有4 9 条引脚，图2 2 为 按功能分类的引脚，必要的引脚在左边，任选的引脚在右边。信号的方向说明是 针对总线主设备目标设备组合设备而言的“”。 p c i 总线按照功能不同可分为以下几组： 系统信号线：包括时钟信号c l k 和复位信号i 峪群； 地址数据线：包括地址数据复用总线a d 3 1 ：0 、传送各种p c i 总线命 令及字节使能的c b e 3 ：0 和用于奇偶校验的p a r ； 接口控制信号线；主要是进行数据通信时，设备间的握手信号。包括 f r a m e # 、t r d y 萍、i r d y 撑、s t o p 群、l o c k 、d e v s e l 群和i d s e l ； 错误报告信号线：主要用于报告奇偶错误和系统错误。包括p e r r # 和 s e r r # ： 中断信号线：用以请求一个中断。包括跗t 斛、 i n t b # 、i n t c # 和 i n t d 群。 作为p c i 主设备还必需两条仲裁信号线i 瑾q # 和g n t # 。 p c i 总线传输采用命令驱动的方式，其地址与数据通过复用的方式使用 a d 【3 l ：o 】信号线，在地址期，主设备通过c b e 3 ：0 发布p c i 各 种命令，包括中断应答、i o 读写、内存区读写配置读写等。 8 第二章p c i 局部总线 d m m ( 螂：硼：岬：弼 0 咖 a 口e 口：埘：c 詹e 仃：舢- 、 p k r ik 睢o 、 r5 一 l r d f 一, h v 。乏p o ) w r n ( 惚 萎熬。l 0 0 m p i j a h r r d e v i c e l 、 一m ； l n t b ( i t c 4 j( ! 旆凄裟； 。 枷塑；篇、 硼 - o ，聊 一 尹、t d o、 t c k，j 脚氅； )tm$ 1 ) t r s t # 图2 2p c i 局部总线信号定义 p c i 总线的基本传输机制是突发分组传输，一个突发分组由一个地址期和一 1 6 个( 或多个) 数据期组成。这种突发分组由p c i 主桥来完成，它可以把多次存 储器访问在不产生副作用的情况下合并为一次传输：只要处理机发出的连续双字 读( 或写) 所隐含的地址是连续的，那么主桥路就可以把这些访问合并为突发传 输。 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。在微机中只有前两个地址空间，而配置地址空间是为了便于对p c i 硬 件进行配置而引入的独特地址空间。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。在i o 空间中，a d 【3 1 ：o 】共3 2 条 信号线都参与地址编码，所以i o 空间地址可以精确到字节( 但是并不是所有 p c i 设备都必须支持字节级的寻址) ；在内存空间中，a d i ：0 没有用于地址编码， 所以内存空间地址只能精确到双字，此时，a d i ：o 规定了对内存空间的访问方 式，比如o o 表示突发传输为线性增长方式，0 1 表示突发传输为c a c h e 行切换 方式；在配置地址空间中，通过a d 7 ：2 来形成一个双字地址，可以访问到p c i 设备的配置寄存器。 2 3p c i 配置空间及其操作 上节已经提到，p c i 总线定义了一个特殊的空间：配置空间“”。它的主要作 用在于：当机器上电时，配置软件可以根据其中的内容确定在总线上存在什么设 备以及它们有什么配置要求。这样做有两个重要意义：一是做到即插即用，有利 于简化最终用户的操作；二是系统根据各种设备的要求，统一分配资源，使整机 9 第二章p c i 局部总线 性能达到最佳。 宇节3宇节2宇节l宇节 设备识别供应两1 其别 状态奇争 分粪代码 版本号 b 培t 、 i 安标类型疙e n 寸讨。强 、 囊存大小 磊址哿存暑 a t 址寄存 基址膏存嚣 基址寄存譬 薹址寄存 薹址寄r - f 簟 保鹜 手系镝漕璁i子系统供砬商识 扩展r o m 基址寄存 保留 保警 i - u l l l q g l q t 中断目i 脚中断缝 图2 3p c i 局部总线配置空间 咖d a x 0 4 叫0 哪c 伍t o 正是基于上述原因，p c i 规范要求所有的p c i 设备都必须实现配置空间。 配置空间容量为2 5 6 个字节，该空间分成头标区与设备相关区两部分，头 标区长度为6 4 字节，安排在配置地址空间的最前面，其寄存器布局如图2 3 所 示，图中o x 表示十六进制。 每个p c i 设备都必须支持头标区的寄存器，而设备相关区安排在配置地址 空间的6 4 2 5 5 字节处，该区不是必需的，各个设备根据自己的需要进行定义。 所有多字节的p c i 寄存器遵循低位在前、高位在后的原则。 下面对配置空间头标区比较常用的寄存器按功能分类进行简要说明： l - 设备识别寄存器 在头标区有五个字段涉及设备的识别。所有的p c i 设备必须实现这些字段， 一般配置软件利用它们便能很容易地确定在系统p c i 总线上有什么样的可用设 备。所有这类寄存器都是只读寄存器。这五个字段分别是： 1 ) 供应商识别字段( v e n d o ri d ) ：标明设备的制造者，此i d 由p c is i g 分配，具有唯一性； 2 ) 设备识别字段( d e v i c ei d ) ：标明特定的设备，此i d 由供应商提供； 3 ) 修改识别字段( r e v i s i o ni d h 标明一个设备特有的修改识别代码， 此i d 由供应商提供。此i d 应当看作是设备识别字段的扩展。 4 ) 头标类型字段( h e a d e rt y p e ) ：标明配置空间的布局类型以及设备是否 1 0 “博”辩筝l*雏嚣删酬嘲一咄岫略吣峪哺 第二章p c i 局部总线 是多功能设备； 5 1 分类代码字段( c l a s sc o d e ) ：标明设备类型，例如本次设计的p c i 卡 就定义成多媒体设备。 2 设备控制寄存器 头标区中的命令( c o m m a n d ) 寄存器可为发出和响应p c i 总线命令提供粗 略的控制。它可以控制设备是否对f o 空间或存储器空间的访问作出响应、该 设备是否可以作为p c i 总线的主控设备等等。 3 设备状态寄存器 状态( s t a t u s ) 寄存器用于记录p c i 总线有关事件的状态信息。它能够反映 出系统错误、数据奇偶错误、主控失败和目标失败等多种情况。 4 基址寄存器 p c i 设备的个显著特点就是它的地址空间是浮动的，能够简化设备的配置 过程。基址寄存器在这一过程中扮演了重要角色。 5 中断寄存器 在p c i 设备的配置空间中，与中断相关的寄存器有两个： 1 ) 中断引脚( i n t e r r u p tp i n ) 寄存器；表明设备使用了哪一根中断线。 其值l 4 分别代表使用n 1 a 撑i n t d # 中断线。如果设备没有使 用中断功能，则该寄存器值为0 。 2 ) 中断线( i n t e r r u p tl i n e ) 寄存器：表明设备的中断引脚与系统中断控 制器的哪一个输入端相连。设备驱动程序和操作系统可以利用这个 信息来确定中断的优先级和向量。该寄存器的值要受系统体系的支 配。对于x 8 6 兼容p c ，这个寄存器中的值与标准的8 2 5 9 配置中 的i r q 编号( o 1 5 ) 相对应，o x f f 表示没有连到中断控制器，1 5 2 5 5 之间的值为保留值。 6 总线主控相关寄存器 与总线主控相关的寄存器主要有三个： 1 ) 延迟计数器( l a t e n c y t i m e r ) ：l t 中包含的值定义了总线主设备每 次取得总线所有权并启动交易时，保持总线所有权的最短时间( 以 p c i 时钟周期计) 。 2 ) 时间片请求( m i ng n t ) 寄存器：表明设备需要多长的突发段( 以 2 5 0 n s 递增) 以达到最佳性能。0 值表示设备对此没有严格要求。 3 ) 优先级请求( m a xl a t ) 寄存器：表明设备需要“多快”访问总线( 以 2 5 0 n s 递增) ，0 值表示的含义同2 。 配置空间的所有寄存器除了在系统上电时可由b i o s 访问以外，还可以由 主机上的应用软件访问。这些寄存器映射到p c i 总线的配置空间，通过a d 7 ：2 】 第二章p c i 局部总线 来对寄存器寻址，而微机没有这个地址空间，那么如何从主机访问这些寄存器 呢? 在x 8 6 微机中有两种对p c i 寄存器进行访问的机制，一种是通过 p c ib i o s 调用来完成的；另外一种配置机制很常用，即用软件产生p c i 配置 周期，在这种机制中，在系统的i o 空间中分配了两个双字寄存器单元，第一 个单元地址为0 x c f 8 ，称为配置地址寄存器，第二个单元地址为0 x c f c ，称为 配置数据寄存器。 配置地址寄存器的格式如图2 4 所示 3 1s o2 42 s1 6 1 5 1 11 0b7210 l 使能位i 保留l 总线号i 设备号l 功能号i 寄存器号l0i ol 图2 4 配置地址寄存器 其中，位3 1 为l 时表示允许将对该寄存器的访问转变成p c i 总线上的配 置周期；位3 0 2 4 为保留位，必须为0 ；位2 3 1 6 为总线号，用来选择2 5 6 条 系统总线中的一条；位1 5 1 1 为设备号，用来选择总线上3 2 个设备中的一个， 这两个编号都是由系统分配的，必须通过遍历查询来获得某一个p c i 设备的总 线号与设备号；位1 0 - 8 为功能号，用来选择多功能设备( 最多8 个) 的某个功 能，对单功能设备，功能号为0 ；位7 2 位为寄存器号，用来选中p c i 配置寄 存器中的某一个双字寄存器，必须注意的是，图2 4 中寄存器号是以字节边界为 准的，而这里必须以双字边乔为准，比如基址寄存器0 的编号是4 而不是 o ) 【1 0 ；位1 、0 为只读位，必须为o o 。 访问配置空间的方法是：先往配置地址寄存器中写一个值，用来指定总线编 号、设备编号、配置寄存器号，然后对配置数据寄存器进行读写，这时，这些读 写操作都会转换为p c i 总线上的配置访问周期。对这两个寄存器的读写只能是 3 2 位同时进行而不能分成两个1 6 位或4 个8 位寄存器分别进行。系统对 p c i 设备的检测正是配置软件通过读写p c i 配置寄存器实现的。 2 4p c i 设备驱动程序概述 p c i 设备驱动程序是在操作系统中用来管理和描述一个p c i 设备的一段代 码。一个p c i 板卡在完成相关的硬件逻辑设计后，最重要的工作就是p c i 设 备驱动程序的设计。这部分的工作是整个板卡开发的最关键、最重要的部分，往 往在软件设计过程中会发现很多硬件问题。在设计驱动程序之前，需要对硬件的 工作原理进行细致分析，更需要了解硬件设备的特性。不同功能的p c i 设备对 驱动的要求不同，以下几个方面的硬件设备特性对于驱动程序开发者来说需要着 重理解： 1 设备的总线结构 ， 硬件的总线结构对驱动程序的开发有重大影响。不同的总线( p c i 、i s a 、u s b ) 1 2 第二章p c i 局部总线 在硬件工作原理上完全不同，对应驱动程序的机制也不同。 2 设备控制寄存器 设备寄存器的大小和寻址方式必须知道。每个寄存器的用途和每个控制、状 态和数据寄存器的内容必须详细描述。寄存器特别的行为应着重标识出来，如： 一些设备寄存器可以是只读或者只写的。一个寄存器在读取方面可能执行与写入 不同的功能。某些寄存器的操作需要固定的时延间隔之后起作用。可能要求按规 定的顺序进行寄存器的访问。 3 设备错误和状态报告 了解设备所使用的协议，清楚如何判断设备的状态和错误，并且知道如何用 恰当的方法把这些信息返回给驱动程序。 4 设备中断行为 必须确切知道什么设备条件使硬件产生一个中断，以及找出是否设备使用多 个中断矢量。如果使用多设备控制器，中断可以来自控制器自身，必须有一种机 制标识真正需要关注的设备。 5 设备数据传输机制 最常见的数据传输机制是通过i o 端口，即使用c p u 的i n o u t 指令进行 数据的读写。另一种重要的传输机制是d m a ，它具有高效、快速的特点。使用 时应搞清是总线受控d m a 还是总线主控d m a ，以及在物理缓冲区的使用上 有无地址范围和页面大小的限制。本次设计即采用总线主控d m a 传输机制， 值得指出的是p c i 规范不包含从属d m a 的说明。 6 设备内存 如果设备使用自身的专用内存，弄清楚如何访问它。一般p c i 设备采用内 存映射方式将内部寄存器映射到主机系统的物理内存空间。有的设备还要通过驱 动程序设置设备的接口寄存器。 不同功能的p c i 设备，硬件的驱动程序可能千差万别，但万变不离其宗。 p c i 设备驱动程序的基本功能是： 1 完成设备的初始化 p c i 设备驱动程序必须实现识别p c i 器件、获取p c i 器件资源和对p c i 设备的中断进行处理的功能。如果需要启用设备的d m a 功能，还需要分配 d m a 物理缓冲区。对具体的p c i 设备而言，初始化的含义更多的体现为对硬 件设备的某一个功能模块相关寄存器进行配置。一如本次设计中s a a 7 1 4 6d e b i 接口的设置、d m a 控制器的配置、g p i o 工作模式的设置以及1 2 c 器件的配置 等。后面将作进一步介绍。 2 i o 空间寄存器的读写 p c i 设备寄存器可能是f o 映射，也可能是m e m o r y 映射( 般都是内存映 第二章p c i 局部总线 射) 。所以c p u 以两种方法之一访问设备寄存器：通过c p u 专用的y o 指令， 或者通过标准的内存引用指令 一些c p u 体系结构( 尤其是h t e lx 8 6 ) 在引用设备驱动程序时使用y o 机 器指令。这些特殊指令引用c p u 上一个特定的引脚集合，因而为y o 设备定 义一个单独的总线和地址空间。在此总线上的地址有时称做端d 0 0 空间寄存 器) ，并且与任何内存地址完全隔离。在h t e l x 8 6 体系结构中，i o 地址空间是 6 4 k b 大4 , ( 1 6 位) ，汇编语言定义两个指令用于在此空间中读取和写入端口：烈 和o u t 。实际应用中使用硬件抽象层( h a l ) 的j l 种宏进行端口操作。 3 内存映射寄存器的读写 复杂的设备一般具有内存映射寄存器，这些寄存器直接映射到系统的物理内 存空间，这就使得高级语言( 如c ，c + + ) 能更快更方便地对它们进行访问。 必须注意的是，所有h a l 宏的入口参数都是实际的物理内存地址。在保护 模式下，p c 机不仅采用了扩充的存储器分段管理机制，而且还提供了可选的存 储器分页管理机制。分段和分页管理通过计算机的存储器管理部件m m u 实现。 由于实际的微机系统物理内存有限，所以，为了运行大型程序和实现多任务，必 须采用虚拟存储器。虚拟存储是一种软硬件结合的技术，用于提供比实际内存大 得多的存储空间，这样程序员在编写程序时不必考虑物理存储器的实际容量。应 该清楚的是，只有在物理存储器上的程序才能运行，只有在物理存储器上的数据 才能被访问。因此在对设备的内存映射寄存器进行访问时，必须先将其虚拟地址 空间映射到物理地址空间，然后再使用h a l 宏。 4 中断的设置、响应和调用 设备在执行任务时，往往与正常的c p u 操作并发且异步进行，因此设备通 过中断的方式发信给设备驱动程序进行处理。处理中断必须首先了解设备可能发 生哪些中断，并且正确识别需要处理的中断。然后编写中断服务函数，通过操作 系统的内核a p i 安装中断服务函数。 2 5 本章小结 由于视频信号数据量巨大，使得传输信道的数据率必须满足一定要求，而p c i 局部总线具备高速的数据传输速率和较好的系统兼容性，所以一般的板卡式数据 采集系统都采用p c i 局部总线进行数据传输。本章介绍了p c i 局部总线的基本 架构、总线信号、配置空间及其操作和p c i 设备驱动程序的结构。 1 4 第三章系统硬件方案 3 1 系统框图 第三章系统硬件方案 本课题设计的视频监控卡1 2 1 吲属于基于p c 机的板卡式数字监控卡1 4 】【堋，系 统主要包括g 0 7 0 0 7 s b 和s a a 7 1 4 6 两块主芯片、视音频a d 芯片、电压变换芯 片、e e p r o m 、c p l d 以及一块配合g 0 7 0 0 7 s b 使用的s d r a m 。m p e g - 4 码流 的压制由g 0 7 0 0 7 s b 完成，s a a 7 1 4 6 负责将m p e g - 4 码流和预览码流送入p c 机中。系统框图如图3 1 所示。 p c i 总线 图3 1系统框图 系统中信号处理的大致流程如下： 由摄像头采集到的模拟视频信号经接口进入系统后首先由s a a 7 1 1 3 进行 d 变换； a d 变换后的视频信号分成两路。一路数字视频信号，经s a a 7 1 4 6 的d 1 a 接口，通过p c i