基于PCI总线的视频采集卡驱动程序的设计与实现

第5卷 第10期 中 国 水 运 Vol.5 No.10 2007年 10月 China Water Transport October 2007

收稿日期：2007-8-4

作者简介：周敏均 （1983-） 杭州电子科技大学 自动化学院 研究生 （310012） 研究方向：检测技术与自动化装置

基于PCI 总线的视频采集卡驱动程序的设计与实现

周敏均 杨成忠 江加加

摘 要：本文介绍了基于PCI 总线的视频采集卡驱动程序的设计和实现。视频采集卡基于PCI 总线的设计更好地满足了高速大容量的数据传输需求；针对视频设备的内核流驱动的设计更方便了上层应用软件的开发。该视频采集卡驱动已经成功应用于视频监控系统中，有效地提高了视频监控系统的功效。 关键词：PCI 总线 视频采集卡 内核流驱动

中图分类号：TP311.131 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2007）10-0149-03

一、引言

随着计算机、网络、多媒体技术以及全球安防事业的迅猛发展，数字视频技术得到了长足地发展，视频采集卡的应用也越来越广泛。但是由于视频数据传输高速、大量的特点，传统的使用基于串口、并口或ISA 总线传输数据的方式已经不能满足其传输的需求。同时，由于其复杂性，现在各厂商都是自己提供采集卡的SDK，没有统一的界面，使得上层应用的开发和设备的使用非常不便，而基于内核流的驱动程序能够很好的解决这个问题，上层应用程序能够通过系统提供的统一接口访问底层硬件。当前，基于PCI 总线的视频采集卡以其强大而灵活的功能、高度的集成性成为主流产品。为此，本文设计了基于PCI 总线的视频采集卡，并开发了相应的基于内核流的驱动程序。

二、视频采集卡硬件系统

PCI 总线是近年来出现的一种高性能的局部总线，它理论上提供133MB/s 的传输速率，支持猝发式读写，具备完整的多总线主控能力，支持即插即用，很适合网络适配器、硬盘驱动器、全动态数字视频卡、图形卡及各类高速外设应用。PCI 总线规范十分复杂，其接口的实现比ISA、EISA 困难，目前实现PCI 接口的有效方案有使用可编程逻辑器件和使用专门芯片两种。 图1 视频监控系统总体框图

在高分辨率图像实时处理中数据量相当庞大，视频采集卡必须不间断地采集视频序列中的每帧图像，同时在采集下一帧视频数据时必须把这些数据传入PC 系统。如果不能及时地处理第一帧数据，使得处理时间超过相邻两帧之间的间

隔时间，则会出现数据丢失现象。该视频采集卡采用SAA7130HL 视频采集芯片将模

拟视频信号转化为数字图像数据，再通过PCI 总线接口芯片PCI6150将数字图像

数据读入计算机，最后通过应用程序将图像显示出来。这个设计能充分满足视频传输及处理的需求。视频监控系统总体框图如图1。

三、视频采集卡驱动程序设计

为了支持新的业务和新的PC 外部设备类型对驱动程序的开发，微软推出了用于Windows2000和Windows NT 的统一的WDM（Windows Driver Model，简称WDM）驱动程序模型。而内核流驱动是针对多媒体设备的驱动模型，它是WDM 重要组成部分。它的存在将使上层应用程序的开发更加方便，应用程序通过系统提供的统一接口即可使用设备。

1．驱动工作原理

内核流驱动是一种内核模式驱动。它的工作原理为： （1）当视频采集卡插入PCI 插槽，系统的PnP 管理器检测到和内核流驱动匹配的视频设备时，便通过I/O 管理器向流类驱动（Stream class driver）发送设备的I/O 请求，如：对设备的初始化等。

（2）同时，流小驱动（stream minidriver）向流类驱动进行注册，告知流类驱动它是合法的，接着流类驱动把接收到的I/O 请求以SRB （流请求块）的形式发送给流小驱动。

（3）流小驱动得到SRB 后，将其进行解析并把得到的信息（如对设备进行初始化）通过回调函数返送给流类驱动，流类驱动便根据流小驱动返送的信息创建相应的功能设备对象、DMA 适配器以及分配缓存等。

（4）建立video capture、preview 和VBI 输出pin 的过滤器，以及输入资源选择的crossbar。

（5）当驱动得到视频流数据后一路直接送到显卡进行显示，另一路则进行视频压缩保存起来。

2．驱动的初始化

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内核流驱动进行初始化时，操作系统首先调用DriverEntry 程序去初始化小驱动。小驱动向类驱动注册时，小驱动会调用StreamClassRegisterMinidriver 函数传递一个HW_INITIALIZATION_DATA 的结构给流类驱动。而流类驱动通过调用该结构的信息对流小驱动进行初始化，其中包含一些回调函数和DMA 配置等。HW_INITIALIZA TION_DATA 结构如下：

typedef struct HW_INITIALIZATION_DATA {

ULONG HwInitializationDataSize; PHW_INTERRUPT HwInterrupt; PHW_RECEIVE_DEVICE_SRB HwReceivePacket;

PHW_CANCEL_SRB HwCancelPacket; PHW_REQUEST_TIMEOUT_HANDLER HwRequestTimeoutHandler;

ULONG DeviceExtensionSize; ULONG PerRequestExtensionSize; ULONG PerStreamExtensionSize; ULONG FilterInstanceExtensionSize; BOOLEAN BusMasterDMA; BOOLEAN Dma24BitAddresses; ULONG BufferAlignment;

BOOLEAN TurnOffSynchronization; ULONG DmaBufferSize; ULONG Reserved[2];

} HW_INITIALIZATION_DATA, *PHW_INITIALIZATI ON_DATA;

然后，类驱动使用StrMiniReceiveDevicePacket 通知流小驱动初始化设备。它发送SRB_INITIALIZE_DEVICE 请求，同时传送包含所需硬件信息的PROT_CONFIGURAT ION_ INFORMATION 结构给流小驱动。当完成此请求后，类驱动使用StrMiniReceiveDevicePacket 发送SRB_GET_STREAM _INFO 请求去向流小驱动得到所有流信息及每个流的回调函数。一旦类驱动完成流数据的处理便使用StrMi niReceive DevicePacket 去发送SRB_INITIAL IZATION_ COMPLETE 请求。这时，流小驱动便准备开始处理每个流请求。

3．流请求块（SRB）处理

流请求块是流小驱动对命令和信息控制的最基本机制。通过它流小驱动可以对其某个特定功能进行访问。操作系统把视频采集卡的I/O 请求分发给流类驱动，流类驱动再把这些请求以流请求块的形式传递给流小驱动。当流小驱动解析出相关硬件的信息再用派遣函数返还给流类驱动，以此流类驱动完成相应的硬件操作。

总的来说，流小驱动和每个流都可能接收I/O 请求。小驱动必须提供StrMiniReceiveDevicePacket 程序去处理各种设备请求。每个流都必须有两个程序去处理I/O 请求：数据请求和控制请求。类驱动通过调用数据请求回调函数Str-

MiniReceiveStreamDataPacket 去处理所有的流读写请求。所有其他的流请求通过strMiniReceiveStream ControlPacket 去传送。假如类驱动正在处理小驱动的同步操作，它便把这些请求排队，一次次地把这些请求分发给小驱动。类驱动维持着三个分离的队列，也就是流请求块的请求类型可分为三类：

（1）设备请求 （2）流控制请求 （3）流数据请求

流小驱动针对这三类请求有相应的例程，如表1：

请求类型 例程

例程变量的消息类型 设备请求 StreamClassDeviceNotification ReadyForNextDeviceRequest 流控制请求 StreamClassStreamNotification ReadyForNextStreamControlRequest 流数据请求

StreamClassStreamNotification

ReadyForNextStreamDataRequest

表1 流请求对应例程

例如当操作系统接收到的视频采集卡I/O 请求是对设备的初始化。它便把这个请求分发给流类驱动。流类驱动再把此设备请求以SRB_INITIALIZE_DEVICE 形式传递给流小驱动。由于SRB_INITIALIZE_DEVICE 带有视频卡初始化的信息，所以当流小驱动再把解析出来的信息返还给流类驱动时，就可以通过调用函数OnCreateAdapter()来创建设备的适配器完成设备的初始化。

流请求SRB_INITIALIZE_DEVICE 的处理流程如图2

图2 SRB_INITIALIZE_DEVICE 处理流程

4．流小驱动的控制

PnP 管理器检测到流小驱动支持的硬件适配器，然后管理器核查注册表去解析符号应用，同时把请求传送给I/O 子系统。I/O 子系统装载流小驱动，调用小驱动的DriverEntry 例程。在DriverEntry 例程中，将分配和初始化HW_INITIALIZATION_DATA 结构。根据DriverEntry 程序中的信息，一个文件对象将被创建。然后，流小驱动的DriverEntry 例程调用流类驱动的StreamClassRegiste rMinidriver 函数，同时把HW_INITIALIZATION_DATA 结

构作为参数传递给此函数。HW_INITIALIZATION_DATA 结构包含处理SRBs 的流小驱动函数的地址。这样流小驱动就能对类驱动发送的SRBs 做出反应。在初始化过程中，流类驱动调用在HW_INITIALIZATION_DATA 结构中指定的接收SRB_INITIALIZE_DEVICE 的函数。随后，流小驱动初始化硬件适配器。