基于PCI總線的DSP視頻采集驅動設計

李晨陽，續志軍

（中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033）

0 引言

隨著市場經濟的發展和科學技術的進步，對圖像與視頻的采集和處理己經得到了越來越廣泛的應用。無論在居民的日常生活中還是在科研單位，人們對圖像與視頻采集處理的需求越來越廣泛。由于人們對圖像分辨率與畫質的要求的不斷增高，這對信號的采集尤其是實時處理提出了更高的要求。這是由圖像信號的特點決定的。由于市場中不斷增長的業務需求，視頻DSP系統在近年來有了較大的發展。出于現在的視頻DSP系統主要以視頻采集卡(盒)的形式出現，本節將主要介紹視頻采集卡的現狀。當今市場上的主流視頻采集卡在功能上己經十分強大，已經基本可以滿足視頻信號的實時采集、處理和傳輸。大多數采集卡的主要工作步驟為:視頻信號的數字采樣，并可實時完成一些簡單的數字圖像處理，通過數據總線傳輸至計算機，然后由計算機完成進一步的處理。

目前，市場上主要應用的圖像采集卡的功能處理單元的實現主要采用:一是不進行任何圖像處理，只是單一的實現圖像的采集。這種產品己經比較少見，主要出現在早期的圖像采集卡中。二是使用專用DSP芯片，以實現一些圖像處理算基于PCI的實時視頻DSP平臺法。三是采用專用ASIC芯片。這種產品往往擁有比較完善和強大的處理功能。采用后兩種方式的產品在目前比較常見。

采集卡在進行數字采集和初步的圖像處理后，會將數據傳輸至計算機中進一步處理。目前主流的視頻采集卡均使用PCI總線作為其與計算機通信的數據總線，個別外置采集設備則通過IEEE1394,USB2.0等高速數據接口與計算機通信.PCI作為一種高性能的計算機局部總線，近年來早己成為主流的計算機內部總線。當前主流PC中的PCI總線擁有33MHz工作頻率、32bit位數據位寬，和最大132MB/s的傳輸速度，非常適于一些高速外接設備與PC進行數據通信。未來，PC中的PCI總線還將向66MHz,64bit過渡，這將提供更高的的傳輸速度(264MB/s或者更高)。視頻處理和傳輸需要較大的帶寬，由于PCI總線帶寬大、兼容性強以及發展潛力大等優點，使其十分適合作為圖像與視頻處理系統的接口總線。

1 DSP 平臺設置

文中所提出的實時視頻DSP平臺方案使用FPGA芯片。首先搭建平臺基本框架之后，利用FPGA的靈活及高速并行處理的特性，可以方便的實現多種功能，也可添加一些特定的功能，以滿足特殊的需要。這就克服了DSP芯片和ASIC芯片的的缺點并充分實現了兩者的優點。靈活的實現了全程硬件實時處理。本平臺對于一些需要經常進行特殊圖像處理的研究型單位，如學校、科研機構等，進行教學、研究具有一定的意義。

PC19054有3類數據直接傳輸模式，分別是PCIInitiator(PCI發起者模式，或稱主模式)、PCITarget(PCI目標模式，或稱從模式)和DMA(直接存儲器訪問模式)。其中，主模式是山本地處理器發起訪問PCI存儲器或I/O，從模式是由PCI主設備發起訪問本地存儲器或I/O,DMA模式是由PC19054的DMA控制器控制本地總線的存儲器或1/O與PCI總線的存儲器或I/O之間的數據交換。

本平臺中主要的數據交換為:圖像數據的雙向傳輸和FPGA控制寄存器的配置信息的寫入。圖像數據為大量的高速連續信號，最大速度達到了27MB/s，為了保證信號傳輸的實時性，選擇用DMA方式傳輸;FPGA中含有許多控制寄存器，用于選擇和控制自身的工作狀態以及SAA7113的IC電路初始化，在進行這些控制寄存器配置和SAA7113的初始化時，寫入多為幾個或幾十字節長度的數據，對實時性要求不高，所以采用從模式傳輸。

2 PCI總線操作

PCI總線最早是由Intel公司提出概念，并聯合IBM，HP等100多家公司于1993年正式推出的一種高性能局部總線。PCI總線是32位或64位地址/數據復用的總線，即外部設備互聯。其用途是在高度集成的外設控制器器件、擴展板和處理器系統之間提供一種內部連接機制。目前，PCI總線己經成為工業標準，并廣泛使用于個人計算機、蘋果的Mac機以及小型服務器之中。

PCI總線特點：

PCI局部總線不受制于處理器，為中央處理器和外圍設備提供了一座數據傳輸的橋梁，可以同時支持多組外設。其特點如下:

1）高性能

PCI局部總線以33MHz的時鐘頻率工作，采用32位數據總線，可支持多種外設和附加卡。數據傳輸率可高達132MB/s，遠遠超過之前的標準ISA總線5MB/s的速率。

2）線性突發傳輸

PCI能支持線性突發的傳輸方式，可確保總線不斷的滿載數據。線性突發傳輸能夠更有效地運用總線的帶寬去傳送數據，以減少無謂的地址操作。另外，PCI支持突發讀取和突發寫入。

3）極小的存取延遲

支持PCI的設備，存取延遲很小，能夠大幅度減少外圍設備取得總線控制權所需的時間。

4）采用總線主控和同步操作

總線主控可以讓任何一個具有處理能力的外圍設備暫時接管總線，以加速執行高優先級、高吞吐量的任務;同步操作可以保證微處理器能與這些總線主控同時操作，不必等待后者的完成。

5）不受處理器限制基于PCI的實時視頻DSP平臺

PCI獨立于處理器，將中央處理器子系統與外圍設備分開。這可以保證處理器技術的變化不會使任何個別的系統的設計過時，使得系統升級平化。

6）兼容性強

PCI總線可與ISA.EISA及MCA總線完全兼容。

7）預留了發展空間

考慮到新一代的高性能外設最總將需要64位寬的數據通道，PCI支持64位地址/數據多路復用，可將數據傳輸率提高到264MB/s

8）低成本、高效益

PCI的芯片將大量系統功能高度集成，節省了邏輯電路，耗用較小的線路板空間，成本降低。采用地址/數據復用，使得PCI部件用以連接其他部件的引腳數較少。

PCI局部總線是計算機界公認的最具高瞻遠矚的局部總線標準，它的高性能、高效率及與現有標準的兼容性和充裕的發展潛力，是其它總線部不可及的。它可作為當今及未來的設計指引。

3 平臺驅動程序設計

PLXSDK提供了功能豐富的API函數，通過調用這些函數可以方便的實現對所有控制寄存器的訪問與設置。編程者只需要遵照API函數調用規則編寫程序即可實現完全控制PC19054的工作。

Windows操作系統在虛擬環境中實現內存空間，輸入/輸出操作，外圍設備，終端操作的虛擬化.虛擬環境中無法直接訪問和控制硬件單元，即管理硬件的程序是在實際的機器上運行而不是在虛擬機上。與管理程序相類似的還有VxD〔虛擬設備驅動程序)。Windows類操作系統(Windows9x,Wind owsNT,Windows2000)為了保證系統的安全性、穩定性和可移植性，對應用程序訪問硬件資源加以限制。Windows下的驅動程序通常有兩種方式。

第一種是程序被包裝成DLL形式的文件，應用程序可以通過加載相應的DLL文件實現對硬件的訪問。編寫DLL程序以通過標袱的Windows開發工具，如VC++(DLL是運行在虛擬環境中的程序)。第二種方式是通過到月的開發工具如VtoolsD等，編寫虛擬驅動程序，這種方法的效率較高。以一個簡單的例子來看在系統對硬件中斷響應速度上的表現。如果將ISR(中斷服務程序)在應用程序以及編寫，由于系統在相應ISR之前存在一連串的中斷反射過程將使系統響應速度較慢，即系統要先調度虛擬環境后才響應中斷，所以可能會是DOS系統下響應時間的20倍以上。如果將中斷服務程序放入VxD中編寫，則會避免調度虛擬環境而使得響應速度加快。為了方便基于PCI總線的適配卡的設計，PLX公司推出了一套軟件輔助設計的解決方案—PLX SDK(Sotfwaer Development Kit).

在編寫驅動程序時使用VC環境直接編寫應用級程序，通過調用PLX提供的功能豐富強大的API函數(包裝在PlxApi.dll中)，實現對硬件資源的訪問。這樣一來就避免了學習Widows下甚至是運用匯編語言編寫設備驅動的復雜過程，縮短了系統開發周期。這樣做唯一的不利就是降低了系統的工作效率，但不影響系統的正常工作。利用PLXSDK在VC環境下編寫程序時應遵循以下步驟:

I）先在VC環境中建立一個Win32 Console Application工程.

2）將P1xMon的頭文件包括在工程文件中，在VC環境的Option菜單中的Derection標簽加入PIxMon的安裝路徑.

3）在主函數中定義#define PCI_CODE.應將該句定義放在最開頭（任何一個#include之前），因為PCI主設備運行在本地芯片中的軟件共享很多頭文件，該定義放在最開始可以保證只有與PCI主設備有關的頭文件被包括。

4）定義#define LITTLE_ENDIAN。用來確定芯片是工作在LITTLE_ENDIAN模式下.

5）include"PlxApi.h"這個文件中包括TPlx函數的定義.以及數據類型的定義。

6）將PlxLib.h庫函數加入該工程.這個庫文件中包括與PIxApi.dll文件的連接消息，當程序運行并調用到PLX的API函數時，其中的API DLL函數會被自動加載。

按照以上的步驟建立工程文件后，就可以編寫驅動函數了。

在API函數中，對PCI9054寄存器的訪問以一種直觀的方式表現出來，可以直接在軟件中設置，這樣極大的方便了對PCI9054的控制。圖1給出了平臺驅動程序流程。采集生成的圖像數據將存儲至計算機中或直接播放。

圖1 驅動程序設計流程圖

4 結論

本驅動程序的優點在于采用FPGA完成圖像處理功能。首先，可利用FPGA的靈活性根據需要隨時增加新的處理功能或刪減不必要的功能;其次，利用FPGA高速并行處理的優點，實現了全部處理功能在平臺內實時完成，避免了傳統視頻采集卡，只進行部分初級處理的缺點，提高了實時性。

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