在高科技研究以及工業(yè)、醫(yī)療、交通、航空等眾多領域中，對高幀率和高分辨率的圖像數(shù)據(jù)需求逐漸加大，例如航天和軍工中高速物體運動軌跡的捕捉、3D動漫、視頻定位和測量、高速公路交通監(jiān)控等。然而，連續(xù)的高幀率和高分辨率圖像采集將產(chǎn)生巨大的數(shù)據(jù)量，例如以10 f/s幀率傳輸分辨率為4 928 V×3 280H的視頻圖像時，總線上的數(shù)據(jù)速率高達1.23 Gb/s；以500 f/s幀率傳輸分辨率為640 V×480 H的視頻圖像時，總線上的數(shù)據(jù)速率也高達1.18 Gb/s。為了實現(xiàn)1 Gb/s以上的傳輸速度且滿足實時性和長距離傳輸?shù)囊螅x用光纖技術和PCI Express(簡稱PCI-E)總線技術設計了PCI-E總線光纖接口卡。
　光纖具有頻帶寬、傳輸距離長、損耗低、抗干擾能力強等優(yōu)點[1]，適用于大量數(shù)據(jù)的遠程傳輸。PCI-E總線采用了串行點對點通信技術，使傳輸速率大幅度提高，PCI-E 1.0標準的單通道單向速率高達2.5 Gb/s，且最大支持32通道[2]。PCI-E 3.0標準單通道單向速率可達8 Gb/s，是傳輸高速、大數(shù)據(jù)量總線的首選，具有研究和應用價值。
    本文基于Spartan-6芯片設計的PCI Express光纖接口卡的驅動程序，完成的功能有：(1)驅動程序對光纖接口卡硬件資源的獲?。?(2)光纖接口卡能夠將大量數(shù)據(jù)及時發(fā)送到計算機內存中； (3)合理的中斷機制能夠滿足處理高速圖像的需要； (4)計算機可以向光纖接口卡發(fā)送參數(shù)命令。
1 PCI Express接口卡的硬件結構
    PCI Express接口卡基于Xilinx公司的Spartan-6 LTX系列FPGA設計，完成圖像數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)緩存以及PCI-E協(xié)議等工作，并將采集到的圖像數(shù)據(jù)通過PCI-E總線傳輸給計算機。Spartan-6 LTX系列FPGA內部包含一個PCI-E端點硬核，完整實現(xiàn)了PCI-E1.0標準協(xié)議中的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的功能，可以完成1鏈路的PCI-E總線傳輸[3]。光纖接口卡采用單片高性能FPGA設計，具有系統(tǒng)集成度高、硬件設計簡潔且便于擴展的特點。末端利用計算機對采集的圖像進行顯示、存儲以及回放等操作。PCI Express接口卡的硬件結構如圖1所示。
    利用ISE中的IP核生成工具CORE Generator對PCIE端點硬核進行定制：設備ID采用默認值，Vendor ID = 0x10EE，Device ID = 0x0007，這是驅動程序識別該硬件的廠商號和設備號; 基址寄存器的類型選擇為Memory，開辟一個32 位尋址的1 KB大小的存儲器空間；中斷設置為采用INTA的傳統(tǒng)中斷類型。
   基址寄存器設計是實現(xiàn)接口卡功能關鍵內容，按照偏移地址將1 KB的存儲器空間劃分成功能不同的寄存器，部分定義如表1所示。

2 PCI Express接口卡的驅動程序
2.1 開發(fā)工具Windows DDK簡介
    Windows DDK是微軟提供的驅動程序開發(fā)工具包，包括了設備驅動開發(fā)的文檔、頭文件和庫文件、調試工具和程序示例。先將Windows DDK導入VC++軟件開發(fā)工具，然后用C語言編寫驅動程序代碼，編譯后再用Windows DDK中的調試軟件調試，生成可執(zhí)行的驅動程序。使用Windows DDK能夠開發(fā)出真正意義上的核心態(tài)驅動程序，它所開發(fā)的驅動程序效率也是最高的，但必須詳細了解操作系統(tǒng)的內核工作方式,開發(fā)難度較大[4]。
    常用開發(fā)工具還有WinDriver和DriverStudio，為了獲得最大的驅動程序效率，選擇采用Windows DDK來設計PCI Express接口卡的驅動程序。
2.2 WDM啟動程序的結構
    通常WDM驅動程序都是基于分層的結構設計，由功能驅動函數(shù)、總線驅動程序和過濾器驅動程序三部分組成。完成一個設備的操作，至少要有兩個驅動設備共同完成[5],一個是總線驅動程序生成的物理設備對象(PDO),另一個是功能驅動程序生成的功能設備對象(FDO)。
　Windows XP系統(tǒng)檢測到PCI-E接口卡插入主板卡槽時，總線驅動會自動創(chuàng)建出一個PDO。但是PDO不能單獨操作設備，還需要將實現(xiàn)功能的FDO掛載在總線驅動生成的PDO上，即相當于功能驅動程序掛載到了指定的硬件設備上[6],實現(xiàn)驅動程序對硬件設備的控制。
2.3 接口卡發(fā)送數(shù)據(jù)
    為了提高接口卡的傳輸效率,采用DMA的傳輸方式將圖像數(shù)據(jù)通過PCI-E總線發(fā)送到計算機。在DMA傳輸過程中，PCI-E接口卡作為DMA傳輸?shù)闹骺仄?，?shù)據(jù)的傳輸速度基本由PCI-E總線的傳輸速度決定[7]。
2.3.1 獲取接口卡的資源信息
    接口卡發(fā)送圖像數(shù)據(jù)之前，驅動程序要將DMA傳輸?shù)哪繕说刂芬约皵?shù)據(jù)負載的大小發(fā)送給接口卡，驅動程序需要先獲取接口卡上的硬件資源，如接口卡端點內存的物理地址等。
    首先根據(jù)設備類型和設備擴展的大小，利用函數(shù)IoCreateDevice生成并初始化一個FDO;其次利用函數(shù)IoAttachDeviceToDeviceStack將生成的FDO附加在系統(tǒng)生成的PDO上；然后向PDO轉發(fā)一個IRP_MN_START_DEVICE類型的I/O 請求包(IRP)，PDO會根據(jù)設備的類型自動枚舉該設備的所有資源。為了使FDO能夠得到底層PDO處理IRP的結果，需要同時將一個同步事件發(fā)送給底層PDO。PDO處理完IRP后立刻激發(fā)同步事件,通知FDO查詢此次IRP的結果; PDO完成了對IRP_
MN_START_DEVICE命令的響應后，將獲取到的接口卡設備資源存儲在IRP中名為IO_STACK_LOCATION結構的設備堆棧中[8]，流程如圖2所示。

    利用函數(shù)IoGetCurrentIrpStackLocation可以獲得該IO_STACK_LOCATION結構，主要包含接口卡的中斷信息、端點內存寄存器資源以及接口卡的物理地址等設備硬件資源。
2.3.2 分配內存空間并實現(xiàn)乒乓操作
    為了盡可能提高計算機內存資源利用率，驅動程序分配的內存空間大小與每次DMA傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)大小需保持一致。先利用函數(shù)IoGetDmaAdapter獲取一個DMA適配器，包含了開辟內存空間的函數(shù)AllocateCommonBuffer，調用此函數(shù)獲得一段指定大小的連續(xù)物理內存，保存物理內存的邏輯地址作為DMA傳輸?shù)哪繕说刂贰?br/>     預先在計算機中分配了多塊內存空間，使計算機可以在處理一塊寫滿了圖像數(shù)據(jù)的內存緩沖區(qū)的同時，用另一塊閑置的內存緩沖區(qū)接收DMA傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)乒乓操作，提高傳輸效率[9]。
    接收到DMA傳輸開始的指令后，PCI-E接口卡會根據(jù)分配好的內存空間地址和設定好的DMA傳輸負載長度，不斷地向計算機發(fā)送帶有圖像數(shù)據(jù)的TLPs數(shù)據(jù)包[10]。每次DMA傳輸結束后，驅動程序都會根據(jù)是否希望繼續(xù)進行DMA傳輸選擇輪轉一塊新的內存地址發(fā)送給接口卡或者釋放相關資源。DMA傳輸操作流程圖如圖3所示。

2.4 驅動程序的中斷處理
    驅動程序接收到PCI-E接口卡產(chǎn)生的中斷信號，表明PCI-E接口卡已經(jīng)向計算機指定的內存空間完成了一次DMA傳輸，要通知應用層程序對內存中的數(shù)據(jù)進行訪問，完成顯示、存儲等功能。先利用函數(shù)IoConnectInterrupt將中斷例程與設備產(chǎn)生的中斷信號綁定。根據(jù)計算機中斷優(yōu)先級的規(guī)則，硬件中斷會得到操作系統(tǒng)的優(yōu)先響應[11]。
    計算機操作系統(tǒng)檢測到PCI-E接口卡的中斷信號來臨時，立即進入中斷服務例程(ISR)。由于接口卡采用的傳統(tǒng)中斷是一種電平中斷信號，還需要驅動程序在ISR中進一步完成對中斷來源的判斷和清除中斷的操作。
    采用同步事件方式實現(xiàn)中斷信號的同步處理，先在應用程序中定義一個與驅動程序共享的同步事件，并通過DeviceIoControl函數(shù)把該事件句柄傳遞給驅動程序，等待事件觸發(fā)之后再進行讀數(shù)據(jù)操作。驅動程序根據(jù)所傳遞的這個事件句柄創(chuàng)建一個相應的內核事件[12]。中斷發(fā)生時驅動程序調用KeSetEvent函數(shù)將同步事件設置為激發(fā)態(tài)，通知應用程序中斷已經(jīng)發(fā)生。盡量減少ISR程序的運行時間，將激發(fā)同步事件的動作設計發(fā)生在擁有較低中斷等級的延遲過程調用例程(DPC)中[13]。中斷處理流程如圖4所示。

2.5 驅動程序向接口卡發(fā)送指令
    指令發(fā)送可以分為兩個子過程，首先應用程序與驅動程序實現(xiàn)交互，然后驅動程序再根據(jù)交互獲得的參數(shù)，修改PCI-E接口卡端點內存中寄存器的值[14]。
　用函數(shù)IoRegisterDeviceInterface將一個名為GUID的128位二進制數(shù)字標識符與PDO綁定在一起。應用程序利用函數(shù)OpenDeviceByGuid獲取被綁定的驅動程序的設備句柄，再利用這個設備句柄和函數(shù)DeviceIoControl完成應用程序與驅動程序之間的通信與交互。DeviceIoControl函數(shù)可以將指定字節(jié)數(shù)量的數(shù)據(jù)傳入驅動程序，同時也可以接收驅動程序返回的數(shù)據(jù)。
    下面舉例給出一個發(fā)送光纖相機幀的行大小的參數(shù)指令代碼：
    #define  IOCTL_LINE    CTL_CODE (// 定義控制碼
    FILE_DEVICE_UNKNOWN,//對象類型0x828,//驅動程序定義的IOCTL碼METHOD_BUFFERED, //操作模式FILE_
ANY_ACCESS)    // 訪問權限
    hDevice = OpenDeviceByGuid(// 打開驅動
    (LPGUID) &GuidDriver);     //接口卡設備句柄
    ULONG  value=0;    //初始化輸出緩沖區(qū)
    value = (m_Line<<16)|0x03; //光纖相機幀的行大小
    DeviceIoControl          (//發(fā)送相機參數(shù)命令到驅動程序
    hDevice, //上文打開設備后返回的句柄
    IOCTL_LINE //控制代碼名稱
    &value  //輸入緩沖區(qū)地址
    sizeof(value)    //輸入緩沖區(qū)大小
    NULL,//返回緩沖區(qū)地址
    NULL 0  //返回緩沖區(qū)大小為0
    &nOutput    // 記錄返回的數(shù)據(jù)大小
    NULL)// 默認為NULL
    &hellip;
    switch (ioStack->Parameters.DeviceIoControl
    .IoControlCode)      //    驅動程序獲取IOCTL碼
    case     IOCTL_LINE:  // 驅動程序接收到命令
    address=(ULONG)deviceExtension->
    MemoryStart[FPGA]+LINE;  //設定PIO傳輸?shù)哪繕说刂?br/>     WRITE_REGISTER_ULONG((PULONG)address,
    *pBuffer);                          //寫接口卡寄存器
    應用層將相機參數(shù)和指令一同發(fā)送給了驅動程序，驅動程序利用在獲取PCI-E接口卡硬件資源時,保存接口卡物理地址和端點內存的寄存器偏移地址，完成對寄存器中數(shù)據(jù)的修改，實現(xiàn)對前端相機的控制。
    利用FPGA內的計數(shù)器不斷產(chǎn)生數(shù)據(jù)，使PCI-E接口卡不停地進行DMA傳輸。應用程序使用QueryPerformanceFrequency獲取處理器頻率，使用QueryPerformanceCounter查詢定時器計數(shù)值。經(jīng)多次反復測試，系統(tǒng)實際最大有效傳輸速度為1.5 Gb/s，高于利用DriverStudio工具開發(fā)的驅動程序實現(xiàn)的720 Mb/s有效傳輸速度[15]。
    PCI-E總線采用8b/10b編碼， 因此使用1.0標準的PCI-E總線的理論有效輸速度為2.0 Gb/s[16]，分析實際有效傳輸速度沒能達到理論值的原因是： (1)驅動程序基于Windows XP系統(tǒng)設計，該操作系統(tǒng)不支持MSI中斷方式，在響應DMA傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)中斷時會占用一定時間； (2)發(fā)起DMA傳輸前需要設置FPGA內相關寄存器，這也需要一定的時間。
    經(jīng)安裝光纖相機后測試，能夠清晰、流暢地顯示圖像大小為1 280 H&times;720 V、幀率為120 f/s、傳輸速率為842 Mb/s的圖像數(shù)據(jù)。驅動程序工作穩(wěn)定，并且可滿足多種數(shù)據(jù)類型的傳輸。
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