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。

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流类驱动通过传送SRB_READ_DATA或者SRB_WR ITE_DATA命令给指定的函数从视频流发送或者接受数据。

四、结束语
本文在分析现有视频采集卡与视频驱动程序，以及阅读相关驱动程序开发资料的基础上，设计和开发了基于PCI总线的视频内核流驱动程序。

这种设计的主要优点在于它能满足庞大的视频数据传输需求，并且使得上层应用程序的开发更加方便。

该驱动程序已经成功应用于多路视频采集，取得了较好的效果，并具有比较强的可移植性。

由于视频采集驱动是属于内核流驱动程序，所以它的调试工作是一个比较复杂烦琐的过程，本文采用了SoftIce和DriverMoniter调试工具。

参考文献
[1] Microsoft Corp.Windows 2000 DDK Documentation.
[M].Microsoft Corporation Press.2000.
[2] 周敬利.基于Windows内核流的视频采集卡驱动程序的设
计与实现.计算机工程与科学.2005.（27）.
[3] Microsoft 2000DDK.Microsoft Press.http://www.microsoft.
com.1997.
[4] Microsoft XPDDK.Microsoft Press.http://www.microsoft.
com.2000.
Design and Implementation of the Video-Capture Card Driver
Based on PCI Bus
Zhou Minjun Yang Chengzhong Jiang Jiajia
Abstract：This paper describes the design and implementation of video-capture card based on PCI bus. The design of video-capture card based on PCI bus satisfies the requirement of high-speed and abundant data transmission; The design of kernel streaming driver for video device makes the development of internet application more convenient. The video-capture driver has been applied to the system of video surveillance successfully and improved the degree of the system of video surveillance effectively.
Key words：PCI bus video-capture card kernel streaming driver。