基于PCI总线的DSP视频采集驱动设计

2010-07-09李晨阳续志军

制造业自动化 2010年9期

李晨阳，续志军

（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033）

0 引言

随着市场经济的发展和科学技术的进步，对图像与视频的采集和处理己经得到了越来越广泛的应用。无论在居民的日常生活中还是在科研单位，人们对图像与视频采集处理的需求越来越广泛。由于人们对图像分辨率与画质的要求的不断增高，这对信号的采集尤其是实时处理提出了更高的要求。这是由图像信号的特点决定的。由于市场中不断增长的业务需求，视频DSP系统在近年来有了较大的发展。出于现在的视频DSP系统主要以视频采集卡(盒)的形式出现，本节将主要介绍视频采集卡的现状。当今市场上的主流视频采集卡在功能上己经十分强大，已经基本可以满足视频信号的实时采集、处理和传输。大多数采集卡的主要工作步骤为:视频信号的数字采样，并可实时完成一些简单的数字图像处理，通过数据总线传输至计算机，然后由计算机完成进一步的处理。

目前，市场上主要应用的图像采集卡的功能处理单元的实现主要采用:一是不进行任何图像处理，只是单一的实现图像的采集。这种产品己经比较少见，主要出现在早期的图像采集卡中。二是使用专用DSP芯片，以实现一些图像处理算基于PCI的实时视频DSP平台法。三是采用专用ASIC芯片。这种产品往往拥有比较完善和强大的处理功能。采用后两种方式的产品在目前比较常见。

采集卡在进行数字采集和初步的图像处理后，会将数据传输至计算机中进一步处理。目前主流的视频采集卡均使用PCI总线作为其与计算机通信的数据总线，个别外置采集设备则通过IEEE1394,USB2.0等高速数据接口与计算机通信.PCI作为一种高性能的计算机局部总线，近年来早己成为主流的计算机内部总线。当前主流PC中的PCI总线拥有33MHz工作频率、32bit位数据位宽，和最大132MB/s的传输速度，非常适于一些高速外接设备与PC进行数据通信。未来，PC中的PCI总线还将向66MHz,64bit过渡，这将提供更高的的传输速度(264MB/s或者更高)。视频处理和传输需要较大的带宽，由于PCI总线带宽大、兼容性强以及发展潜力大等优点，使其十分适合作为图像与视频处理系统的接口总线。

1 DSP 平台设置

文中所提出的实时视频DSP平台方案使用FPGA芯片。首先搭建平台基本框架之后，利用FPGA的灵活及高速并行处理的特性，可以方便的实现多种功能，也可添加一些特定的功能，以满足特殊的需要。这就克服了DSP芯片和ASIC芯片的的缺点并充分实现了两者的优点。灵活的实现了全程硬件实时处理。本平台对于一些需要经常进行特殊图像处理的研究型单位，如学校、科研机构等，进行教学、研究具有一定的意义。

PC19054有3类数据直接传输模式，分别是PCIInitiator(PCI发起者模式，或称主模式)、PCITarget(PCI目标模式，或称从模式)和DMA(直接存储器访问模式)。其中，主模式是山本地处理器发起访问PCI存储器或I/O，从模式是由PCI主设备发起访问本地存储器或I/O,DMA模式是由PC19054的DMA控制器控制本地总线的存储器或1/O与PCI总线的存储器或I/O之间的数据交换。

本平台中主要的数据交换为:图像数据的双向传输和FPGA控制寄存器的配置信息的写入。图像数据为大量的高速连续信号，最大速度达到了27MB/s，为了保证信号传输的实时性，选择用DMA方式传输;FPGA中含有许多控制寄存器，用于选择和控制自身的工作状态以及SAA7113的IC电路初始化，在进行这些控制寄存器配置和SAA7113的初始化时，写入多为几个或几十字节长度的数据，对实时性要求不高，所以采用从模式传输。

2 PCI总线操作

PCI总线最早是由Intel公司提出概念，并联合IBM，HP等100多家公司于1993年正式推出的一种高性能局部总线。PCI总线是32位或64位地址/数据复用的总线，即外部设备互联。其用途是在高度集成的外设控制器器件、扩展板和处理器系统之间提供一种内部连接机制。目前，PCI总线己经成为工业标准，并广泛使用于个人计算机、苹果的Mac机以及小型服务器之中。

PCI总线特点：

PCI局部总线不受制于处理器，为中央处理器和外围设备提供了一座数据传输的桥梁，可以同时支持多组外设。其特点如下:

1）高性能

PCI局部总线以33MHz的时钟频率工作，采用32位数据总线，可支持多种外设和附加卡。数据传输率可高达132MB/s，远远超过之前的标准ISA总线5MB/s的速率。

2）线性突发传输

PCI能支持线性突发的传输方式，可确保总线不断的满载数据。线性突发传输能够更有效地运用总线的带宽去传送数据，以减少无谓的地址操作。另外，PCI支持突发读取和突发写入。

3）极小的存取延迟

支持PCI的设备，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的时间。

4）采用总线主控和同步操作

总线主控可以让任何一个具有处理能力的外围设备暂时接管总线，以加速执行高优先级、高吞吐量的任务;同步操作可以保证微处理器能与这些总线主控同时操作，不必等待后者的完成。

5）不受处理器限制基于PCI的实时视频DSP平台

PCI独立于处理器，将中央处理器子系统与外围设备分开。这可以保证处理器技术的变化不会使任何个别的系统的设计过时，使得系统升级平化。

6）兼容性强

PCI总线可与ISA.EISA及MCA总线完全兼容。

7）预留了发展空间

考虑到新一代的高性能外设最总将需要64位宽的数据通道，PCI支持64位地址/数据多路复用，可将数据传输率提高到264MB/s

8）低成本、高效益

PCI的芯片将大量系统功能高度集成，节省了逻辑电路，耗用较小的线路板空间，成本降低。采用地址/数据复用，使得PCI部件用以连接其他部件的引脚数较少。

PCI局部总线是计算机界公认的最具高瞻远瞩的局部总线标准，它的高性能、高效率及与现有标准的兼容性和充裕的发展潜力，是其它总线部不可及的。它可作为当今及未来的设计指引。

3 平台驱动程序设计

PLXSDK提供了功能丰富的API函数，通过调用这些函数可以方便的实现对所有控制寄存器的访问与设置。编程者只需要遵照API函数调用规则编写程序即可实现完全控制PC19054的工作。

Windows操作系统在虚拟环境中实现内存空间，输入/输出操作，外围设备，终端操作的虚拟化.虚拟环境中无法直接访问和控制硬件单元，即管理硬件的程序是在实际的机器上运行而不是在虚拟机上。与管理程序相类似的还有VxD〔虚拟设备驱动程序)。Windows类操作系统(Windows9x,Wind owsNT,Windows2000)为了保证系统的安全性、稳定性和可移植性，对应用程序访问硬件资源加以限制。Windows下的驱动程序通常有两种方式。

第一种是程序被包装成DLL形式的文件，应用程序可以通过加载相应的DLL文件实现对硬件的访问。编写DLL程序以通过标袱的Windows开发工具，如VC++(DLL是运行在虚拟环境中的程序)。第二种方式是通过到月的开发工具如VtoolsD等，编写虚拟驱动程序，这种方法的效率较高。以一个简单的例子来看在系统对硬件中断响应速度上的表现。如果将ISR(中断服务程序)在应用程序以及编写，由于系统在相应ISR之前存在一连串的中断反射过程将使系统响应速度较慢，即系统要先调度虚拟环境后才响应中断，所以可能会是DOS系统下响应时间的20倍以上。如果将中断服务程序放入VxD中编写，则会避免调度虚拟环境而使得响应速度加快。为了方便基于PCI总线的适配卡的设计，PLX公司推出了一套软件辅助设计的解决方案—PLX SDK(Sotfwaer Development Kit).

在编写驱动程序时使用VC环境直接编写应用级程序，通过调用PLX提供的功能丰富强大的API函数(包装在PlxApi.dll中)，实现对硬件资源的访问。这样一来就避免了学习Widows下甚至是运用汇编语言编写设备驱动的复杂过程，缩短了系统开发周期。这样做唯一的不利就是降低了系统的工作效率，但不影响系统的正常工作。利用PLXSDK在VC环境下编写程序时应遵循以下步骤:

I）先在VC环境中建立一个Win32 Console Application工程.

2）将P1xMon的头文件包括在工程文件中，在VC环境的Option菜单中的Derection标签加入PIxMon的安装路径.

3）在主函数中定义#define PCI_CODE.应将该句定义放在最开头（任何一个#include之前），因为PCI主设备运行在本地芯片中的软件共享很多头文件，该定义放在最开始可以保证只有与PCI主设备有关的头文件被包括。

4）定义#define LITTLE_ENDIAN。用来确定芯片是工作在LITTLE_ENDIAN模式下.

5）include"PlxApi.h"这个文件中包括TPlx函数的定义.以及数据类型的定义。

6）将PlxLib.h库函数加入该工程.这个库文件中包括与PIxApi.dll文件的连接消息，当程序运行并调用到PLX的API函数时，其中的API DLL函数会被自动加载。

按照以上的步骤建立工程文件后，就可以编写驱动函数了。

在API函数中，对PCI9054寄存器的访问以一种直观的方式表现出来，可以直接在软件中设置，这样极大的方便了对PCI9054的控制。图1给出了平台驱动程序流程。采集生成的图像数据将存储至计算机中或直接播放。