（光学工程专业论文）数字显微镜图像采集系统设计.pdf

重庆大学硕十学位论文 中文摘要 摘要 图像信息的采集和处理在科学研究、工农业生产、医疗卫生、公共安全等领 域得到了越来越广泛的应用。同时图像采集也是进行图像处理、图像压缩、图像 识别的基础，所以对图像采集系统的研制有着重要的现实意义和价值。 本课题将传统的显微技术与现代计算机图像采集技术相结合，设计完成了数 字显微镜图像采集系统。该系统主要由显微镜系统、c c d 摄像机、图像采集卡和 w i n d o w s 操作系统下的驱动程序和应用程序等主要模块组成。本课题中，完成了图 像采集卡的硬件电路设计、p c b 板的制作和图像采集系统的软件部分设计和开发。 软件部分包括w i n d o w 操作系统下的设备驱动程序和应用程序。 图像采集卡采用飞利浦新一代图像处理芯片s a a 7 1 3 4 作为p c i 接口控制芯 片。在视频处理方面，图像采集卡整合了模数转换、视频解码、尺寸控制等处理 功能，同时支持所有模拟电视标准。在p c i 接口方面，图像采集卡遵循p c i2 2 规 范、支持a c p i 、分散聚集功能、可配置f i f o 、拥有七条d m a 通道。 在驱动程序设计方面，论文深入分析了a v s t r e a m 多媒体设备微型驱动程序基 本构架，设备描述符结构，处理范例，数据帧队列的分配和维护等重要概念和技 术。论文中详细讲述了图像采集卡的驱动程序开发过程，包括支持即插即用功能 的p l l p 派遣表，视频捕获过滤器，视频捕获管脚，分散聚集d m a 传输，c r o s s b a r 过滤器和驱动程序的安装和调试等重要开发过程的实现细节。 在应用程序设计方面，论文介绍了d i r e c t s h o w 多媒体应用开发构架， d i r e c t s h o w 技术，讲述了系统应用程序的开发过程。在应用程序开发工作中，主 要完成了视频捕获过滤器图的创建、视频流控制、图像质量控制、视频数据预览 和捕获等主要功能。 关键词：图像采集，数字显微镜，a v s t r e a m ，s a a 7 1 3 4 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t t h ea c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n go fi m a g es i g n a l8 r eu s e dw i d e l yi nt h ef i e l d so f s c i e n t i f i cr e s e a r c h , i n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n , m e d i c i n ea n ds a n i t a t i o n , p u b l i cs ( 跏r i t ya n ds o0 1 1 m e a n w h i l ei m a g ea c q u i s i t i o ni st h eb a s i so f i m a g ep r o c e s s i n g , c o m p r e s s i n ga n dr e c o g n i z i n g , s ot h er e s e a r c ho ni m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e mi sv e r y i m p o r t a n ta n dv a l u a b l e t h er e s e a r c ho f d e s i g no f i m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e mo f d i g i t a lm i c r o s c o p e i st o d e s i g na ni m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e mo fd i g i t a lm i c r o s c o p e t h es y s t e mi n t e g r a t e d m o d e r ni m a g ea c q u i s i t i o nt e c h n o l o g yi n t ot r a d i t i o n a lm i c r o s c o p e ，a n di n c o r p o r a t e s m i c r o s c o p es y s t e m , c c dv i d i c o n , i m a g ea c q u i s i t i o nc a r d , d e v i c ed r i v e r , a p p l i c a t i o no f w i n d o w so sa n do t h e rm a i nf u n c t i o nm o d u l e i nt h er e s e a = r c l lt h eh a r d w a r ec i r c u i to f t h es y s t e mw a sd e s i g n e da n dp c bb o a r dw i l l sp r o d u c e d t h es o f t w a r eo f t h ec a r dw h i c h i n c o r p o r a t e dd e v i c e d r i v e ra n da p p l i c a t i o no f w i n d o w so sw a s d e v e l o p e dt o o p h i l i p ss a a 7 1 3 4p c iv i d e od e c o d e rw a sa d o p t e di nt h ei m a g ea c q u i s i t i o nc a r d t h ec a r di n c o r p o r a t e sa d c ，v i d e od e c o d e ra n ds c a l i n gc o n t r o l ，s u p p o r t sa l lt vs t a n d a r d , p c i2 2c o m p l i a n ti n c l u d i n gf u l la c p i ，c o n f i g u r a b l ep c if i f o sa n dv l r t u a l - t o - p h y s i c a l a d d r e s sc o n v e r s i o nb yt h em m u f o rt h ed r i v e rd e s i g n , t h ea r c l l i t e c t u r eo fa v s t r e a mm i n i d d v c r , t h es t r u c t u r eo f d e v i c ed e s c r i p t o r , t h ep r o c e s s i n gp a r a d i g m s ，t h ea l l o c a t i n ga n dm a i n t a i n i n go ff l a m e s q u e u ew o r ed e e p l ya n a l y z e d f u r t h e r m o r e , t h ed e v e l o p m e n to fd r i v e ro fi m a g e a c q u i s i t i o nc a r dw a si n l r o d u c e d ，w h i c hi n c l u d ei m p l e m e n t so f p n pd i s p a t c ht a b l e , v i d e o c a p t u r ef i l t e r , v i d e oc a p t u r ep i n , s c a t t e r g a t h e rd m at r a n s f o r m , c r o s s b a rf i l t e r , i n s t a l l a t i o no f d r i v e r , d e b u go f d r i v e ra n ds oo i l f o rt h ea p p l i c a t i o nd e s i g n , t h ea r c m t e c t u r ea n dt e c i m o l o g yo fd i r e c t s h o ww a s i n t r o d u c e di nd e t a i l t h em a i nf u n c t i o n so f a p p l i c a t i o nw e i m p l e m e n t e dw h i c hi n c l u d e t h ec r e a t i n go f v i d e oc a p t u r ef i l t e rg r a p h , t h es t r e a mc o n t r o l ，t h ec o n t r o lo f i m a g eq u a l i t y , v i d e op r e v i e wa n dv i d e oc a p t t e k e y w o r d s ：i m a g ea c q u i s i t i o n , d i i g i t a lm i c r o s c o p e , a v s 仃e a m , s a a 7 1 3 4 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，也不包含为获得重麽太堂 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已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：樾砬签字日其i j ：妒7 年多月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽太堂有关保留、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。本人授权重麽太堂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() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( v ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：歹贸玄吒二 导师签名：学位论文作者签名：处主吒导师签名： 签字日期：如7年6 其了日 蟛c 毛露 签字日期! l o 年月7 日 r 、z z 弦f 。 重庆大学硕十学位论文1 绪 论 1 绪论 1 1 引言 本课题的主要目的是完成数字显微镜图像采集系统的设计，包括图像采集卡 逻辑功能和硬件电路设计、图像采集系统驱动程序设计和应用程序设计等。图1 1 展示了本课题设计完成的图像采集系统结构。它由显微镜系统，c c d 摄像机，p c i 图像采集卡和计算机组成，箭头方向代表视频数据的流向。 c c d 摄像机负责采集显微镜系统的光学信号，并经过内部电路把接收到的光 学信号转换为标准的模拟视频信号输入到图像采集卡的复合电视广播信号输入端 口。视频采集卡从该端口读入模拟视频信号，并经过内部模数转换单元后把模拟 视频信号转换成数字视频数据。视频数据再经过图像采集卡内部的梳状滤波、尺 寸控制、格式变换等单元后传入计算机展示给用户或者写入磁盘文件。图中虚线 部分代表本课题主要完成的工作。 图1 1 图像采集系统 f i g 1 1i m a g e a c q u i s i t i o ns y s t e m 1 2 课题的背景和意义 显微镜在众多科研和工业生产领域应用广泛。几百年来人们一直致力于显微 成像技术的研究，努力提高其分辨率、物体与背景的衬度。先后研制出了用于特 定用途的一系列显微镜，如暗场显微镜、相衬显微镜【l 】、荧光显微镜f 2 1 ，扫描隧道 显微甜3 l 和激光共焦扫描显微镜t 4 等。 重庆大学硕七学位论文1 绪 论 随着科技的进步和工业生产的发展，微细加工，半导体、生物医学等诸多领 域，迫切需要一种可以对显微图像进行实时观测，记录，和分析的设备。而传统 的人眼观测容易疲劳而产生误判，而且人眼观测的图像不能进行记录。虽然照相 技术可以满足记录的要求，但对于实时性要求比较严格的领域没有实用价值。 数字视频处理技术的发展，使得传统光学仪器与计算机技术结合越来越紧密。 通过数字视频处理技术，我们可以实现对显微镜监测对象实时、远距离监测，并 且监测图像或者视频信息还可以永久的保存下来，让进一步图像分析、处理成为 可能。结合计算机视频图像处理技术的显微镜系统，国内外的一些光学仪器厂家 都在积极研制，而且已经有一些商品化的产品出售，但价格比较昂贵，功能比较 单一，且对于二次开发，技术支持比较少。 本课题使传统的显微技术和计算机技术相结合，显微镜光学图像采用c c d 摄 像机进行采集，把采集所得的视频信号进行模数转化后传入计算机的p c i 图像采 集卡，经过基本处理后传入计算机进行观测，记录，分析和后期处理。这样既满 足了实时记录观测的要求，又可以让显微图像的分析方法更加的灵活和高效。由 于本图像采集卡使用的p c i 接口芯片集成了大部分视频数据处理功能，单片芯片 就可以完成我们的设计需求，这大大的降低了图像采集卡的价格。 1 3 本课题的研究内容和主要任务 本课题的主要研究任务是设计一个基于p c i 接口的图像采集系统，包括图像 采集卡以及设备驱动程序和应用程序的设计和开发，主要内容有： 图像采集系统硬件电路设计和p c b 板制作。 p c i 视频接口芯片s a a 7 1 3 4 功能配置。 基于a v s t r e a m 体系的p c i 设备驱动程序开发和设计。 基于d i r e c t s h o w 的视频捕获程序开发和设计。 2 重庆大学硕士学位论文 2 视频基础理论 2 视频基础理论 2 1 引言 视频5 1 是一组在时间轴上有序排列的图像，是二维图像在一维时间轴上构成的 图像序列，又称为动态图像、活动图像或者运动图像。它不仅包含静止图像所包 含的内容，还包含场景中目标运动的信息和客观世界随时间变化的信息。电影、 电视都属于视频的范畴。早期的视频主要指模拟的视频信号，随着各种电子技术 的发展以及全球数字化进程的推进，视频的采集设备和采集方式有了很大的进展。 2 2 模拟视频 2 2 i 模拟视频标准 表2 1 电视标准( 1 ) 旧 t a b l e 2 1t vs t a n d a r d s ( 1 ) 主参数视频频道宽度视频带宽声音副载 场频行数每帧行频 m64 24 5 ，f m5 9 9 4 0 0 65 2 51 5 7 3 4 n64 2 4 5 ，f m 5 0 6 2 51 5 6 2 5 标 b755 5 f m5 06 2 51 5 6 2 5 g h75 5 5 f m 5 06 2 51 5 6 2 5 准 i85 5 6 0 ，f m 5 06 2 51 5 6 2 5 d 依76 6 5 。f m 5 06 2 51 5 6 2 5 l8 6 6 5 ，f m 5 06 2 51 5 6 2 5 单位 m h zm h zm i - i zh zk h z 表2 2 电视标准( 2 ) 嘲 t a b l e 2 2t vs t a n d a r d s ( 2 ) 主参数u 时钟陌同步，创建等级伽玛校正色彩调制标准立体声标准 m1 7 1 6 4 0 ，7 5 2 2n t s c p a l b t s c e i a j a 2 n1 7 2 8 4 0 ，7 5 2 2p a lb t s c 标 b1 7 2 8 4 3 ，0 2 8 p a ld u a lf m j l 2 g h1 7 2 8 4 3 ，0 2 8p a l n i c a m 准 i1 7 2 8 4 3 ，0 2 8p a ln 1 c a m d k1 7 2 8 4 3 ，0 2 8s e c a m 【j a ln i c a m a 2 l1 7 2 8 4 3 ，0 2 8s e c a mn i c a m 单位 也一 模拟视频指的是视频记录、存储和传输以模拟的方式进行。视频信号最初是 用于广播电视的，也就是说是要经过传输，尤其是无线传输送到接收机上，由于 视频图像信息量巨大，因此必须对视频信号做一定的处理，以节省带宽。为此， 重庆大学硕十学位论文 2 视频基础理论 对全电视信号在清晰度、闪烁性、叠加彩色后于黑白图像兼容性、所占带宽等各 方面都做了精心的权衡与安排，研究设计出目前的黑白彩色全电视信号标准。表 2 1 和表2 2 详细展示了各标准的主要参数指标。 表2 3 电视系统色彩标准| 6 】 f s co f f s e t 主参数场频行数，每帧色差副载 f s c t o hr a t i o 倒相 ( p a l ) n r s c m 5 9 ，9 4 5 2 53 5 8 02 2 7 5n o p a l m 5 9 9 4 5 2 53 5 7 62 2 7 5y 鼯 标 p a l n5 06 2 53 5 8 2 2 2 9 2 55 0y e s p a lb g h i d5 06 2 54 4 3 4 2 8 3 7 55 0y e s 准 s e c a ml d g h k5 06 2 54 ，4 0 6 2 8 2 队l 4 4 6 04 4 3 4 y e s ( 6 0 h z 、 单位 h zm h z h z 表2 3 显示了电视系统各种彩色调制标准：美国、日本、亚太地区使用n t s c m 标准；巴西使用p a lm 标准；非洲中南部使用p a l n 标准；欧盟一些国家、中 国使用p a lb g h i d 标准；法国、东欧、非洲和中东地区使用s e c a ml d g h k 标 准。下面将进一步介绍以上各种标准【7 】。 p a l 制式是p h a s ea l t e r n a t i n gl i n e 的缩写，它采用逐行倒相正交平衡调幅的 方法，利用相邻扫描行色彩的互补性消除由位相失真引起的色调失真。帧频每秒 2 5 帧，扫描线6 2 5 行，隔行扫描。p a l 制式中根据不同的参数细节，又可以进一 步划分为g 、i 、d 等制式，其中我国大陆采用队l d 的制式。 s e c a m 制式是s 6 q u e n t i e lc o u l c m r a m d r n o i r e ( 法) 的缩写。在信号传输过程中， 亮度信号每行传送，而两个色差信号则逐行依次传送，两色差信号不是对副载波 进行调幅，而是对于两个频率不同的副载波进行调频，然后将两个调频波逐行轮 换插入亮度信号频谱的高端空隙。用行错开传输时间的办法来避免同时传输时所 产生的串色以及由其造成的彩色失真。s e c a m 制式特点是不怕干扰，彩色效果好， 但兼容性差。帧频每秒2 5 帧，扫描线6 2 5 行，隔行扫描，画面比例4 ：3 ，分辨率 7 2 0 5 7 6 。 n t s c 制式是n a t i o n a lt e l c v i s i o ns y s t e m sc o m m i t t e e 的缩写，即正交平衡调幅 制式。特点是将两个色差信号分别对频率相同而位相相差9 0 。的两个副载波进行正 交平衡调幅，再将已调制的色差信号相加后形成的色度信号插入到亮度信号频谱 的高端空隙中。帧频为每秒2 9 9 7 帧，场频为每秒6 0 场，扫描线为5 2 5 ，图像信 号带宽为6 2 m h z ，画面比例为4 ：3 ，分辨率为7 2 0 x 4 8 0 。 4 重庆大学硕士学位论文2 视频基础理论 2 2 2 模拟视频信号类型 在视频图像的传送中，是将一帧图像的每一个像素按从左到右，从上到下的 顺序逐点扫描传送的。在每一时间点上，电子束只打在屏幕的一个像素点上。全 屏效果是通过人眼的视觉惰性和荧光粉的余辉而产生的。 分离电视信号s v i d e o 分离电视信号s - v i d e o 是亮度和色差分离的一种电视信号，是分量模拟电视信 号和复合模拟电视信号的一种折中方案。s - v i d e o 信号使用单独的两条信号电缆线 两路传输，一条是亮度信号y ，一条是u 和v 正交调制后的混合彩色信号c 。使 用s v i d e o 有两个优点：减少亮度信号和色差信号之间的交叉干扰；不需要使用梳 状滤波器来分离亮度信号和色差信号，提高亮度信号的带宽。由于目前技术上的 局限，滤波器和陷波器不可能达到理想水平，会影响图像的分辨率。由于s v i d e o 信号不需要上述分离处理，所以s - v i d e o 信号输入方式可大大提高图像分辨率，减 少解码器分解r g b 分量的不确定性。 分量电视信号 分量电视信号是指每个基色分量作为独立的电视信号。每个基色既可以分别 用r 、g 和b ，也可以用亮度和色差表示。使用分量电视信号是表示颜色的最好方 法，但需要比较宽的带宽和同步信号。 复合视频信号 复合视频信号包含亮度信号、色差信号和所有定时信号的单一信号叫做复合 电视信号，或者全电视信号。 2 3 数字视频 数字视频技术涉及现行电视系统的全盘数字化，其具体内容是：将连续的模 拟视频信号经过采样，量化和编码转换成二进制代表的数字视频信号，然后进行 各种功能的处理、传输、存储和记录，并可以用计算机进行处理、监测和控制。 采用数字处理技术不仅使各种电视设备获得比原有模拟设备更高的技术性能，而 且还具有模拟技术所不能达到的新功能，使电视技术进入一个新的时代。 2 3 1 数字视频标准 为了规范国际上存在的多种视频数字化格式，前国际无线电咨询委员会 ( c c m ) 于1 9 8 2 年2 月通过了全数字演播室标准c c i r - 6 0 1 建议书，即现在的 r r u 6 0 1 标准( 表2 4 ) ，这是用于电视演播室等级的标准，又称为4 ：2 ：2 标准【8 】。 该建议书实际上为电视的数字化规范了统一的国际标准，随后问世的绝大多数数 字视频设备都是依据这一标准进行设计生产的。 5 重庆大学硕十学位论文2 视频基础理论 表2 4i t u - 6 0 1 标准闭 t l b l e 2 4n u - 6 0 1s t a n d a r d 参数名称 p 札( 6 2 5 5 0 ) n t s c ( 5 2 5 6 0 ) 编码信号( 分量信号)y u ，v y - i q 全行亮度信号采样点数 8 6 48 5 8 全行色差信号采样点数 4 3 24 2 9 取样结构 正交结构 亮度信号 1 3 5 m h z 取样频率 色差信号 6 7 5 m h z 采用每采样点8 b i t 均匀 编码方式 量化脉码调制( p c m ) 亮度信号 7 2 0 全数字行有效点数 色差信号 3 6 0 亮度信号7 2 0 5 7 67 2 0 4 8 0 图像分辨率 色差信号 3 6 0 5 7 63 6 0 4 8 0 传输速率2 1 6 m b i t s 或2 7 m b s 视频信号电平与鼍亮度信号共2 2 0 个量化级 化级间的对应关系色差信号共2 2 4 个量化级 2 3 2 数字视频特点 相对模拟视频，数字视频有很多优越性： 存储便利 模拟视频大多存储在磁带或者胶片上，存储成本高，对温度和湿度要求严格， 而且多次重放容易磨损。这样长时间存储会严重影响图像质量。数字存储没有这 些问题。随着数字存储技术的发展，存储成本也在不断下降，同时，各种压缩编 码技术有突飞猛进的发展，也大大降低了对存储空间的要求。 图像质量好 模拟视频抗干扰能力差，在传输和存储工程中都会受到各种干扰和噪声的影 响，并且每次拷贝都会引入新的噪声，导致图像效果变差。数字视频的抗干扰能 力较强，而且拷贝一般不会引入新的噪声。 便于扩展 数字视频的数字表示形式和传输手段可以使它更容易的与现有数组通讯和计 算机技术相结合，便于扩展新的服务功能。 便于编辑处理 模拟视频的编辑非常不方便，需要对原有存储载体进行复制，进行视频剪辑， 通常会破坏原有载体。而数字视频的编辑不必破坏原有载体，还可以进行视频创 作。 如图2 1 所示，本课题中，c c d 摄像机负责采集数字显微镜的图像信息，摄 像机送出模拟视频信号，视频标准为b ，彩色调制标准为p a l ，信号类型为复合 6 重庆大学硕十学位论文 2 视频基础理论 电视广播信号。图像采集卡负责接收摄像机的复合电视广播信号，它同时支持 s v i d c o 类型的模拟信号。最终，由图像采集卡将模拟视频信号转化为数字视频数 据预览给用户或者保存到计算机做进一步处理。 7 重庆大学硕士学位论文3p c i 总线介绍 3p c i 总线技术 3 1 引言 p c i 9 , 1 0 戢j 含义是外部部件互连( p 硎p h e f a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 。p c i 总线是 一组公共信号线，是多个模块之间相互传输信息的公共通道，通过这条公共通道， 计算机各组成部分可以进行数据和命令的传送。1 9 9 1 年，i n t e l 公司对p c i 总线进 行定义，并与i b m 、c o m p a q 、a s t 、h p 、n e c 等1 0 0 多家公司联合共谋计算机 总线发展，于是，p c i 总线标准1 0 版技术规范于1 9 9 2 年6 月推出。p c i 总线是一 种具有多路地址和数据线的高性能的3 2 6 4 位总线。它在高度集成的外围控制器 件、外围插件板和处理器，存储器之间作为互连机构应用。 3 2p c i 总线系统结构和特点 3 2 1p c i 系统结构 连接在p c i 总线的设备能够彼此间快速访问，也可以快速访问系统存储适配 器，同时p c i 总线可以让处理器以接近自身总线全速的速度访问适配器。这些都 得益于p c i 总线系统的特殊结构，如图3 1 ： 图3 1p c i 总线系统 f i g 3 1p c ib u ss y s t e m 图3 1 中，北桥( n o r t hb r i d g e ) 用来连接主处理器总线到基础p c i 总线。南 桥( s o u t h b r i d g e ) 用来连接基础p c i 总线到i s a ( 或者e i s a ) 总线，南桥通常含 重庆大学硕士学位论文 3p c i 总线介绍 有中断控制器、u s b 主控制器和d m a 控制器。北桥和南桥构成最终的芯片组。 在基础p c i 总线或者p c i 插入卡上，可以嵌入一个或者多个p c i - p c i 桥。 3 2 2p c i 总线特点 p c i 总线是一种同步的独立于处理器的3 2 位或6 4 位总线，最高工作频率为 3 3 m h z ，峰值速度在3 2 位时为1 3 2 m b s ，6 4 位时为2 6 4 m b s ，总线规范由p c i s i g 发布。i s a 总线相比，p c i 总线和有如下显著的特点： 高性能 p c i 是一套整体的系统解决方案，不仅可以提高网络接口卡和硬盘等设备的性 能，还能满足全活动影像、图形及各种高速外围设备的要求。p c i 局部总线以3 3 m h z 的时钟频率操作，采用3 2 位数据总线，可支持多组外围部件及附加卡，数据传送 速率可达1 3 2 m b s 。如果选择6 4 位总线可使3 3 m h z 下p c i 总线的传输速率可达 2 6 4 m b s ，6 6 m h z 下更达到5 2 8 m h z 的高速度。 线性突发传输 p c i 支持突发数据传输周期，可确保总线不断满载数据。外围设备一般从内存 某个地址开始顺序处理数据，这种线性或顺序的寻址方式，可以从某一个地址起 读出或写入大量数据，然后，每次只需将地址自动加1 ，便可处理数据流内下一个 字节的数据。p c i 总线线性突发传输可以有效地运用总线的带宽进行这种数据传 送，以减少无谓的地址操作，这对使用高性能图形设备尤为重要。 减少存取延迟 对于支持p c i 总线的设备，可减小存取延迟，能够大幅度减少外围设备取得 总线控制权所需的时间，以保证数据传输的畅通。 采用总线主控和同步操作 p c i 总线独特的同步操作功能可保证处理器能够与这些总线主控器同时操作， 而不必等待后者的完成，从而有利于提高p c i 总线性能。 不受处理器限制 p c i 总线以一种独特的中间缓冲器方式，独立于处理器，并将中央处理器子系 统与外围设备分开。这种缓冲器的设计方式，用户可随意增添外围设备，以扩充 计算机系统而不必担心在不同时钟频率下会导致性能的下降。这种总线设计还可 保证不会因处理器技术的变化而导致其他互连外设系统的设计变得过时。 适用于各种机型 适用于各种规格的计算机系统，通过支持3 3 v 的电源环境，p c i 局部总线可 应用在个人计算机中。在服务器环境下，p c i 总线具有支持分级式外围设备的特性， 可使一个p c i 接口支持一组级连的p c i 局部总线；也可以设置为多组p c i 总线的 服务器增添额外的扩展插槽，提供更多的i o 接口，并将高带宽与低带宽的数据分 9 重庆大学硕士学位论文 3p c i 总线介绍 隔开来。 兼容性强 p c i 总线与i s a 、e i s a 及m c a 总线完全兼容，方便用户选用外围设备。 预留了充足的扩展空间。 它支持6 4 位地址数据多路复用，p c i 插槽能同时插3 2 位和6 4 位插卡，还提 供了自动配置功能，保证在安装p c i 接口卡时，无需手工调整跨接线。 成本低、效率高 p c i 的芯片采用超大规模集成电路，节省布线空间，为计算机的小型化和多功 能化提供了良好的实现条件。p c i 部件采用地址数据线复用，使p c i 部件连接其 他部件的管脚数减至5 0 以下。 向前扩展性 p c i 局部总线既符合当今的技术要求，又能满足未来的需要，是一种较好的局 部总线标准。p c i 的高性能、高效率、与现有标准兼容和充裕的开发潜力，使其成 为开发当今高性能a g p 总线接口的基础。 3 3p c i 总线规范 3 3 1p c i 总线信号定义 溉l 敷数缀缝f l 援一控蚜铱 镶澎糍格譬 绛魏蕻攀 攀簏稿峪 m 强缓 竣瓣 闰3 2p c i 局部总线信号嗍 f i g 3 2p c ib u ss i g n a l 1 l 翻镪线 l 援瓤，筝 j 援一产潮 1 串瓣蕻碡 j 1 l 玻嬲燃翁蟹 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”，而被主设备选中进行通信的设备被成为“从设备”或者“目标设备”。对于 相应的接口信号线，通常分为必备和可选的两大类。如果只作为从设备，则至少 1 0 重庆大学硕士学位论文 3p c i 总线介绍 需要4 7 根信号线，若作为主设备则需要4 9 根信号线。利用这些信号线可以处理 数据、地址，实现接口控制、仲裁及系统功能。下面根据主设备与从设备不同， 并按功能分组将这些信号表示在图3 2 中。 3 3 2p c i 总线命令 总线命令是用来规定主、从设备之间的传输类型的，它出现于地址期的 c b e 3 ：0 蛾k 。当一个主设备获得p c i 局部总线的拥有权时，它可以启动表3 1 的任何一种交易类型。在一个交易的地址期，命令字节使能总线c b e 3 ：0 # 用于 表明交易命令和类型。 表3 1p c i 总线命令编码及类型说明 t a b l e 3 1p c ib u sc o m m a n dd e f i n i t i o n c b e 3 ：0 】命令类型说明c b e 3 ：0 】命令类型说明 0 0 0 0 中断麻答 1 0 0 0 保留 o o o l 特殊周期 1 0 0 1 保留 0 0 1 0 i o 读 1 0 1 0 配置读 0 0 l l 写 1 0 1 l 配置写 0 1 0 0 保留 1 1 0 0 存储器多行读 o l o l 保留 1 1 0 1 双地址周期 0 1 l o 存储区读 1 1 1 0 存储器一行读 0 1 l l 存储器写 1 1 l l 存储器写并无效 下面详细地说明各条命令f l l 】： 中断应答命令 c i j f r a m 鞴 a d c 艉e 謦 弧i y r # t r d y # 图3 3 中断应答 f i g 3 3i n t e r r u p ta c k n o w l e d g e 中断应答命令是一个读命令，并且，对中断控制器的寻址采用隐含方式，回 重庆大学硕士学位论文3p c i 总线介绍 送的中断矢量的长度由字节使能信号来说明。图3 3 中两个箭头表示过渡周期，是 为了避免当一个设备停止驱动该信号而另一个设备开始驱动时可能发生的冲突。 图中给出了一个x 8 6 的中断应答在p c i 总线上进行的情况。其中的字节使能是单 字节，在地址相位中，尽管a d 3 1 ：0 0 不含有效地址，但必须将它们驱动到稳定 的状态。对中断应答命令的响应只能是一个设备，而且，响应的设备必须发出相 应的d e v s e l # 信号。同时，在t r d y 撑信号有效时必须返回中断矢量。另外，中 断应答周期与其他周期一样可插入等待周期。 特殊周期命令 特殊周期命令为p c i 提供一个简单的信息广播机制，不但能报告处理器的工 作状态，而且可以作为p c i 设备问逻辑的辅助连接信号。特殊命令周期不包含目 标地址，而是以广播的形式发给所有的设备，每个接收设备必须自我确定广播的 消息是否适合于它。在特殊周期命令期，不允许p c i 设备发出d e v s e l # 信号，同 时负责译码的桥电路也不能将特殊周期命令传递到它的下级总线上，更不能跨桥 传播特殊周期命令。特殊周期命令可以包含可选的由消息决定的数据，根据需要 传给与p c i 序列器相连的应用硬件。特殊周期命令具有一个地址相位和一个数据 相位。地址相位开始于f r a m e 利言号的建立，结束于f 洲e 群和i r d y # 信号的同 时撤消。但是它不需要目标设备的响应信号d e v s e l # 。 f o 读命令 f o 读命令从一个映射到f o 地址空间的设备读取数据。a d 3 1 ：0 0 上提供字节 地址，全部3 2 位必须完全译码，字节使能信号说明传送数据的多少，必须与字节 地址对应一致。 i o 写命令 i o 写命令向一个映射到i o 地址空间的设备写入数据。全部3 2 位必须完全译 码，字节使能信号表示数据长度，且必须与字节地址对应一致。 存储器读命令 存储器读命令从一个映射到存储器地址空间的设备读取数据。 存储器写命令 存储器写命令向一个映射到存储器地址空间的设备写入数据。 配置读命令 配置读命令从每个设备的配置空间读取数据。 配置写命令 配置写命令用来向每个设备的配置空间写入数据。一个设备被选中的条件是： 它的i d s e l 信号有效且a d 1 ：0 = 0 0 。其余和配置读命令相同。 存储器多行读命令 重庆大学硕士学位论文3p c i 总线介绍 存储器多行读命令的作用是试图在主设备连接断开之前预读取多行c a c h e 数据，这需要辅助存储器工作的控制器配合。只要f r a m e # 有效，就连续不断 地以流水线方式发出存储器读请求。 双地址周期命令 双地址周期命令用来给支持6 4 位寻址的设备发送6 4 位地址。发送过程需 要两个时钟周期，对于3 2 位寻址能力的设备不能回应。 o 存储器读行命令 存储器读行命令与存储器读命令基本相同，不同之处在于，它还表示主设备 试图完成多于两个3 2 位的p c i 数据相位。此命令也用于大块连续数据的传输，以 改善对存储器系统的访问性能，主要用于对存储器访问的突发周期。 q 存储器写并无效命令 存储器写并无效命令与存储器写命令基本相同，不同点是，它要保证最小的 传输量是一个高速缓存( c a e h e ) j t ，主设备要在一次p c i 传输中将寻址的c a c h e 行 的每个字节都写入，同时要求主设备的配置寄存器指出c a c h e 行的大小，该命令 也是保证c a c h e 一致性的措施【1 2 】。 3 3 3p c i 总线协议 p c i 协议包括p c i 总线交易控制、p c i 总线编址、字节校正和字节使能、总线 驱动与过度和交易顺序与报告等。其中p c i 接口设备设计者需要给予p c i 总线编 址规范更多的关注。 p c i 总线定义了三个物理地址空间：内存地址空间、f o 地址空间和配置地址 空间。较新的p c i 接口设备大多使用内存地址空间，而较少使用i o 地址空间。配 置地址空间用以支持p c i 硬件配置，所以每个p c i 接口设备都必须支持。p c i 目标 设备必须实现基地址寄存器，请求一个地址范围用来访问p c i 接口设备内部寄存 器。配置软件利用基地址寄存器确定一个设备在给定的地址空间内需要多大空间， 然后分配该设备驻留于此空间。下面介绍这三种物理地址空间： f o 地址空间 表3 2 a d 1 ：0 编码和字节有效位 t a b l e 3 2a d i ：o 】e n e o d i n g sa n db y t ee n a b l e a d i ：o 】 开始字节 对应的c b e 3 ：0 # 0 0 字节0 ) 。( o 或l l l l 0 1 字节lx x 0 1 或1 1 1 1 1 0字节2x 0 0 1 或1 1 l l 1 1 字节30 1 l l 或l i l i 重庆大学硕士学位论文 3p c i 总线介绍 在i o 地址空间，使用全部3 2 位a d 线来提供一个完成的地址编码。在主设 备发起的i o 交易中，a d i ：0 表示传输涉及的最低有效字节。字节使能信号指出 传输的大小，并且要与a d 1 ：o 】向配合。表3 2 给出了a d i ：o 和c b e 3 ：0 # 在数 据期的对应关系。对一个功能的访问类型要受到它所支持的i o 空间限制。 内存地址空间 在存储器地址空间，a d 3 2 ：0 2 总线上提供双字地址，a d i ：0 不是地址译码的 一部分，它表明主设备请求传输数据的顺序。在存储器访问期间，a d i ：0 的含义 如表3 3 所示。 表3 3 突发顺序编码 t a b l e 3 3b u r s to r d e r i n ge n c o r d i n g a d i a d 0 】突发顺序 oo 线性增长方式 0l 保留( 第一个数据期后断开) l0 c a c h e 行打包模式 l1 保留( 第一个数据期后断开) 配置地址空间 除主总线桥外，每个设备都必须实现配置地址空间。配置地址空间为每个功 能分配了唯一的容量等于2 5 6 字节的空间，对该空间的访问与i o 和存储器地址空 间都不一样。在配置的地址空间中，通过复用线a d 7 ：2 给出一个双字边界对齐的 起始地址。当一个设备收到配置命令时，若i d s e l 信号有效且a d i ：o 】= 0 0 ，则 该设备被选为访问的从设备。否则，就不参与当前的传输联络。如果译码出的命 令符合某桥电路的编号，且a d i ：0 = - 0 1 ，则说明配置访问是针对该桥电路后面的 设备。 3 3 4p c i 总线数据传输操作 p c i 总线上的读操作 图3 4 表示了纵向上一次读操作中有关信号的变化情况。从途中看出，一旦 f 删e 挣信号有效，地址期便开始，并在时钟2 的上升沿稳定有效。在地址相位 内，a d 3 1 ：0 0 上包含有效地址，c b e 3 ：0 # 上包含一个有效的总线命令。数据期 从时钟3 的上升沿开始。在此期间，a d 3 1 ：0 0 线上传送的是数据，c b e # 线上的 信息用于指定数据线上哪些字节有效。从数据相位的开始一直到传输的完成，c b e # 的输出缓冲器必须始终保持有效状态1 1 3 1 。 1 4 重庆大学硕士学位论文 3p c i 总线介绍 姒 f r a m e f a d c ，b b 硼d y 聋 1 如y ， d e v 掰丑j n 一 ! l _ i lf：i 呻一辛一( 毂学| 黜 数；副 耐l 鲫sj ii _ 刮 、 。一 i l；厂 ； i 一秘1 _ 、纛厂 一过 l 小l ! 珲 #臻厂_ 一辞书亨i 一 p c i 总线上的读操作 c l x f r 赫融 a d c 噻疆 攮d w t r d y 毒 d e v s l l 膏 图3 4 读操作时序 f i g 3 4t u n eo f r e a do p e r a t i o n j l 3 i i 3o i 。i 5 l 7 l _ l |l厂 ，广卜进r !； i i； - q 至 i j 数船一3 ；! ) 一j 蠢3l 一 ； ： 一 1 ( 8 u $ 如哆q 面f i a 谣以 i8 e # 3 l _ 苌两一 气：一| i： 一髓_ 、蠡表厂十、交厂一 ，0 囊积 孳孳絮撂 1 一、攀 ” 7 蹿 裔琏 一避弋譬警1 i 警- ， i - ；。j ： ； i 穗