PCI图像采集卡的Windows驱动程序开发

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Ｂｕ ｄ ｉｅ ｓ ｖ ｒ ｒ
图Ｉ Ｍ驱动分层和 ＩＩ ＷＤ Ｒ〕 处理流程
ＷＤ Ｍ驱动程序模型是典型的分层结构， 如图 １ 所示。这与 Ｗｉ ｏ ｓ ｎ ｗ 系统有一致性。对硬件的 ｄ 访问均是通过统一的 Ｉ Ｏ请求包（ Ｐ来实现的。 Ｉ ） Ｒ
一般都会实现一些自 定义的Ｉ ｓ Ｒ 的。 Ｐ 设备中断响应例程处理实时异步事件， 对访间
硬件的性能有较大的影响。ＷＤ 驱动程序通过 Ｍ
源的分配与释放等， 处理系统发向驱动的 ＩＰ Ｒ
ＭＴ Ｐ Ｐ ＿Ｎ Ｉ Ｏ请求包。对于 Ｐ Ｉ Ｃ 设备来说， Ｐ Ｐ 对 Ｎ ＩＰ 的处理工作是和 Ｐ Ｉ Ｒｓ Ｃ 总线驱动程序 （Ｃ． ＰＩ
９ Ｘ 列，Ｍ Ｃ ９Ｘ系 ＣＰＥＳ ０ 系 Ａ Ｃ 的５ Ｘ Ｘ 列，ＹＲ 的 Ｓ
Ｃ ７０４９ Ｙ ｃ９４ 等等。Ｐ Ｔ Ｃ 接口芯片一般实现：Ｃ 配 ＰＩ
第 ３ 卷（０５第 ６ ３ ２０ ） 期
计算机与数字工程
中断对象， 以及初始化 Ｄ Ａ对象。设备的端 Ｍ 口 寄存器被系统映射到 Ｉ Ｏ空间或者内存空间 中， 驱动代码通过访问 这些空间中的地址， 就 访问到实际硬件了。除 了上述的 】Ｐ处理， Ｒ 驱
第 ３ 卷（０５第 ６ ３ ２０） 期
计算机与数字工龚艳军 朱德森 肖 力
（ 华中科技大学控制科学与工程系 武汉 ４０７） ３０４
摘 要
结合自 行开发的Ｐ Ｉ Ｃ 总线的图像采集卡， 讨论了一般Ｐ Ｉ Ｃ 设备驱动程序编写时所面临的主要问题及解决方案， 特别分 析了图像采集卡对驱动程序的额外要求同时提出了解决方案， 并简略的 说明了驱动程序的安装与调用问题。 关键词：Ｃ 图像采集卡 ＷＤ 设备驱动程序 共享内存 Ｄ Ａ ＰＩ Ｍ Ｍ 中图分类号：Ｐ １ Ｔ３
ＩＰ Ｒ 是包含了Ｉ Ｏ请求信息的数据结构。驱动程序
的 工作都是围绕 ＩＰ的处理与完成来进行 的。 Ｒ ＷＤ 的分层结构适应即插即用的要求， Ｍ 我们称之 为即插即用设备栈， 每一层代表一个驱动程序， 整
（） 要了解设备产生中断的条件和使用 ３中断 中断的数量， 中断提供通信的实时性的可能。 （） ４数据传输机制 最常见的数据传输机制是 通过 Ｉ ／ Ｏ端口（ｏ ）也就是通过 Ｃ Ｕ的 Ｉ／ ｐｒ ， ｔ Ｐ Ｎ Ｏ Ｔ指令进行数据读写。还有一种用于少量数据 Ｕ 传输机制的叫ＭａＢｘ信箱） ｉｏ（ ｌ 机制。 另一种重要的
Ａ ｓ ａｔ ｓ ｏ ｈ ｍ ｇ ｂａ ｆ ｂｓ ｅ ｐｄ ｕ ｅ ｅ ｗ ｉｕ ｔ ｅ ｉｕ ｎ 乡 ｅ ｅ ｌｉ ｓ ａ ｄ ｔ ｉａｅ ｒ ｏ Ｐ Ｉ ｄｖｌ ｅ ｂ ｏ ｓｖ ， ｄ ｃ ｓ ｋｙ ｅ ａｄ ｖ ｔ ｒｏ ｔｎ ｏ ｂｔ ｃ： ｎ ｒ Ｂｅ ｅ ｏ ｄ Ｃ ｕ ｅ ｏ ｙ ｌｓ ｅ ｓ ｈ ｒ ｓ ｅ ｓ ｓ ｓ ｈ ｓｕｏ ｆ ｅ ｔ ｄｖｏｍ ｎ ｏ ｇｎｒ Ｐ Ｉ ｉ ｄｉｒ ｔ ｎ ｅａｙ ｃ ｓ ｕ ｔ ｉａｅ ｔ ｉ ｂａ ｓ ｃｌ ｅｓ ｈ ｅｅｐ ｅｔ ｆ ｅ ｌ ｄｖｅ ｅ ｈ ｅ ｃｌ ｄ ｕ ａｏｔ ｍ ｇ ｃ ｕｎ ｏ ｄ’ ｓｅａｒ ｕ ｔｏ ｅ ｌ ｓ ｅ ａ Ｃ ｅｃ ｒ ｓ， ｅ ｓ ｉｌ ｉ ｓ ｂ ｈ ｖ ｐ ｓ ｅ ａ ｒｇ ｒ ｐ ｐｉ ｅ ｓ ｆ ｑ ｄｉ ｒａｄ ｅ ｒ ｏ ｔｎ， ｔｅ ｂｉ ｙ ｍｎｔ ｉ ｔｌｅｔ ｃ ｌｇ ｔｅ ｅ． ｒ ｅ ｎ ｇ ｔｅ ｌ ｉ ｓ ａｄ ｎ ｅ ｉ ｉ ｅ ａｍ ｎ ａｄ ｉ ｆ ｈ ｄｉ ｒ ｖ ｓ ｉ ｈ ｅ ｕｏ ｖ ｓ ｎ ｈ ｒｆ ｌ ａ ｎ ｌ ｌ ｌ ｕ ｓ ｎ ａｎ ｏ ｌ ｒ ｒ ｖ Ｋ ｙ ｏｄ： ， ｇ ｃｐ ｒ ｇ ｄ ＷＤ ｄｖ ｅ ｅ， ｒ ｍ ｍ ｒ， ｅ ｗ ｒｓＰ Ｉ ｉａｅ ｔ ｉ ｃ ， Ｍ， ｉ ｄｉ ｒ ｓａ ｄ ｏ Ｄ Ｃ ｍ ａ ｕｎ ａ ｒ ｅｃ ｒ ｖ ｈ ｅ ｅ ｙ ＭＡ
查询 Ｃ Ｒｓ ｒＴｐＩｅｕｔ ｍ ｅ ｕ ｅｙｅ ｔｒ 类型的描述符， ｏｃ ｎ ｒｐ 就
可以获得相关中断信息并保存到设备扩展中去。 Ｄ Ｋ还提供了响应中断事件的服务例程， Ｒ的 Ｄ Ｉ Ｓ 例程。驱动初始化的时候， 把中断处理挂接到 Ｉ Ｓ Ｒ 上， 在驱动卸载时释放。由于中断处理时间宝贵， 所以一般的 Ｉ Ｓ Ｒ只做些中断处理初始化的工作， 进一步的处理将调用一个 Ｄ Ｃ过程， Ｐ 来实现 Ｉ Ｓ Ｒ 没有完成的工作。Ｄ Ａ传输对高效数据传输十分 Ｍ 有用。一般的Ｐ Ｉ Ｃ 设备有自主的 Ｄ ＭＡ控制器， 而 不用系统提供的 Ｄ ＭＡ通道。驱动程序根据实际 需要， 在某些 ＩＰ的处理例程中使用 Ｄ Ｒ ＭＡ传输。 另外， 对硬件和内存的访问要考虑到同步问 题， 保证驱动不同的代码不同时访问同一临界资 源， 系统提供了很多机制解决这些问题， 如串行化
３２ Ｉ ． Ｐ 设备驱动程序的组成 Ｃ ＷＤ Ｍ驱动程序有着非常规范的编写模式， ＰＩ Ｃ 设备驱动属于功能驱动程序， 处于即插即用设 备栈的顶层。 系统和应用层对设备的访间都是通 过发送 Ｉ Ｏ请求包（ Ｐ到驱动程序来完成的， Ｉ ） Ｒ 因 此， 驱动程序主要是由一组处理各种各样的 ＩＰ Ｒ 的例程构成的。图２ 展示了 Ｐ Ｉ Ｃ 驱动程序的基本
传输机制是Ｄ Ａ用于大批量数据的 Ｍ ， 传输， Ｃ 但Ｐ Ｉ
规范没有 Ｄ ， ＭＡ 它由碎发机制来完成类似的功能。 （） ５设备内存 许多设备自 身带有内存，Ｃ ＰＩ 设备大多是采用映射的方式映射到 Ｐ Ｃ系统的内
存空间中去。
个设备栈一起才能实现对 ＩＰ的正确响应。（ Ｒ 参
看上图的 ＩＰ Ｒ 处理流程） 由此可见， Ｍ模型对 ＷＤ 硬件访问的实现是多个驱动程序协作的结果。一 般的来说， 系统提供底层的总线驱动程序， 硬件驱 动程序处于驱动栈的顶层， 属于功能驱动程序。 ２２开发工具的选择 ． 开发设备驱动采用的主要开发工具是微软为 设备 开 发者提供 的软件包 Ｄｖｅ ｉｒ ｔ ｅｉ Ｄ ｖ Ｋ ｃ ｒｅ ｉ （Ｄ ） Ｄ Ｋ 。这个软件包包括有关设备开发的文档、 编译需要的头文件和库文件、 调试工具和程序范 例。不同版本的操作系统有不同的Ｄ Ｋ版本， Ｄ 应
３ Ｃ 设备驱动程序的一般性设计 ＰＩ
３１ Ｉ ． 设备硬件特点 Ｐ Ｃ 在设计驱动程序之前， 首先要对欲控制的硬件 设备的功能与工作流程进行细致地分析。Ｐ Ｉ Ｃ接 口 卡一般都是一块 Ｐ Ｉ Ｃ 接口芯片， 是主机与板上 硬件相互通信的桥， 市场上有几款， Ｐ Ｘ的 如 Ｌ
（） １驱动的人口 点和初始化模块 驱动程序的入口 点是一个名为Ｄｉｒｎ 的 ｒｅ ｔ ｖＥ ｒ ｙ 函 Ｄｉｒｎ 里面主要是注册一些驱动程序 数． ｒｅ ｔ ｖＥ ｒ ｙ 的回调例程， Ｐ的处理人口 Ｉ Ｒ 都是从这里查找相应 的处理例程的。应用程序或者系统模块通过该人
Ｃ ａｓ ｍｂ ｒＴ ３ ｌ ｎ ｓ ｕ ｅ二 Ｐ １
１ 前言
如今， 图像技术已经广泛的应用于各大领域， 如工业， 医药， 纺织， 航天等等。图像技术非常丰 富， 其中获取图像是其重要的一环。各种各样的图 像采集卡已经推出市场。同时由于 Ｐ Ｃ机有着非 常丰富的图像处理能力， 所以基于Ｐ Ｃ的Ｐ Ｉ Ｃ 图像 采集卡更是其中的主流。但是由于实际需求的不 同， 要求图 像采集卡具有不同的特点， 市场上的通 用型号不能满足需要， 所以开发自己的图像采集卡
Ｄ ｖｌ ｍ ｎ ｏ Ｗｉ ｏ ｓ ｖｒ Ｐ Ｉ ａｅ ｐｕｉ Ｃ ｒ ｅｅ ｐ ｅｔ ｎ ｗ Ｄ ｉ ｆｒ Ｉ ｇ Ｃ ｔｒ ｇ ｄ ｏ ｆ ｄ ｒｅ ｏ Ｃ ｍ ａ ｎ ａ
Ｇ ｎ Ｙ ｕ Ｚ ｕ ｅ Ｘａ Ｌ ｏｇ ｎ Ｄｓ ｉ ｉ 咧 ｈ ｅ ｎ ｏ （ ｅｔ ｏ Ｃｎ ｏＳｉ ｃ ＆ Ｅ ｇ ｅｉ ， Ｔ Ｗｕａ ４０７） Ｄ ｐ． ｏｔ ｌ ｎｅ ｎｉ ｅｎ Ｈ Ｓ ， ｈｎ ３０４ ｆ ｒ ｃ ｅ ｎ ｒｇ Ｕ
和相应的软件是有现实意义的。
应用软件对 Ｐ Ｉ Ｃ 设备的访间。
本文将以Ｐ Ｉ Ｃ 总线采集卡为例， Ｐ Ｉ 探讨 Ｃ 设
备的驱动程序的一般设计思路， 同时针对图像采集 的特点对驱动程序提出更多的要求。
２ Ｄ Ｖ Ｍ驱动程序开发基础 Ｗ
２１ Ｍ驱动模型简介 ． ＷＤ 设备驱动程序是指管理某个外围设备的一段 代码。驱动程序不会独立地存在， 而是操作系统的 一部分， 与系统内核同处于内核空间。内核空间的 代码要求很严格， 出错将导致系统的崩溃。Ｗｉ ｎ － ｄｗ 针对驱动开发不断的推出了新的方案 ，Ｘ ｏｓ ＶＤ 驱动程序， Ｔ式驱动程序， Ｎ 到如今极力推荐的 ＷＤ Ｍ驱动程序模型。这使得驱动程序的编写越 来越简单化 ＷＤ Ｍ驱动程序模型， 是微软针对如今硬件的 特点、 推出的全新的驱动程序的开发模式， 增加了 系统对硬件的支持， 简化了 用户驱动程序的开发规 模和难度， 特别适合即插即用设备（ Ｐ Ｉ 驱 如 Ｃ） 的
Ｕ ｐｒ ｅｄｉｅ ｐｅ ｆ ｒ ｒ Ｉ ｒ ｔ ｖ
置空间寄存器组， 局部总线控制力 态乃 信寄存器 伏 直 组， 中断控制状态寄存器组和 Ｄ ＭＡ状态控制寄存 器组。驱动程序最关心的 是硬件的可访问的资源。
一般硬件卡的资源包括：
ｆ ｎｔ ｄ ｖｒ ｃ ｉ ｎ ｉ ｅ ｕ ｏ ｒ
Ｌｏ ｒ ｌ ｒ ｉ ｅ ｗｅ ｆｌ ｄ ｖ ｒ ｉｅ ｒ
（）Ｃ 设备的配置空间寄存器组 每个 Ｐ Ｉ １Ｐ Ｉ Ｃ 设备都要实现这个寄存器组， 它是系统自动上电检 测和Ｐ Ｐ Ｎ 技术实现的基础。 （） 要了解设置的控制寄存器、 ２寄存器 数据 寄存器和状态寄存器， 以及这些寄存器工作的特
性。
． ． ．叫 ． ． ． ． ． ．月 月． ．勺月 ． ． 叫 ，．． ．． ． ． ． ．．， ．一
动也可根据实际需要定 义自己的 Ｄ ＶＣ ＥＩ Ｉ Ｅ＿ Ｏ
＿ Ｏ ＴＯ Ｉ ｓ Ｃ Ｎ Ｒ Ｌ ， Ｒ 来实 Ｐ
图２ Ｍ设备驱动程序基本构成 ＷＤ
现对硬件更具体的访
问， 实际设备驱动程序
系统相关的模块， Ｐ Ｐ 有 Ｎ 处理模块， 电源管理 模块， 和ＷＭＩ 模块。这些模块一般的由操作系统 调用， 来实现对设备的管理。一般的用户程序不会 用到这些例程的。Ｐ Ｐ Ｎ 模块管理设备的状态和资
口 点转而调用到驱动中其他的例程的。Ａ ｄ ｅｉ ｄＤｖ ｅ ｃ 函数用于产生一个新的该驱动程序的设备对象， 对
新的设备进行初始化， 同时寄存一个或多个设备接 口， 便应用程序能知道设备的存在， 以 最后它把新
设备对象放到设备驱动即插即用设备栈上去。在 该例程中还可添加一些 自定义的全局的初始化的 工作， 如分配一段内存共享区等等。 （） ２系统相关的模块
Ｗｉ ｏｓ ｎ ｗ 是现今最为流行的操作系统， ｄ 在其平 台上有很丰富的图像处理分析软件， 其本身对图像
的支持能力也非常强， 所以大部分图像处理系统都 是基于Ｗｉ ｏ ｓ ｎ ｗ 平台的。在设计和使用 Ｐ Ｉ ｄ Ｃ 采集 卡时， 经常要在Ｐ 机的软件中访问和控制硬件设 Ｃ 备， ｎｏ ｓ 但Ｗｉ ｗ 操作系统为了保证系统的安全性 ｄ 稳定性和可移植性， 对应用程序访问硬件资源加以 限制， 这就要求设计设备驱动程序以实现 Ｐ Ｃ机的
构成。
用对应的版本才能正确编译驱动程序。如 Ｗｉ ８ ｎ ９
由图２ 可看出， 驱动程序主要由三大模块组 成： 初始化和入口 点模块， 系统相关的模块和硬件
相关的模块。
Ｄ Ｋ ００ Ｋ等等。另外， Ｄ ， ｎ ０Ｄ Ｗｉ ２ Ｄ 还有一些其他
的Ｗｉ ｏ ｓ ｎ ｗ 驱动开发２具， Ｄｉｒｔ ｉ Ｗｉ ｄ 如 ｒｅ ｕ ｏ ｎ ｖ Ｓ ｄ ， － Ｄｉｒ ｒｅ等等， ｖ 他们都是基于Ｄ Ｋ的， Ｄ 帮助人们快速 开发驱动程序， 工具的选择由个人想法决定， 可直 接选择 Ｄ Ｋ， Ｖ ６０ Ｄ 在 Ｃ 下开发。 ．
收到本文时间： ０ 年 １ 月 ２ ２ ４ ０ ５日 ０
ＰＩ Ｃ 图像采集卡的 Ｗｉ ｏ ｓ ｎ ｗ 驱动程序开发 ｄ
第３卷 ３
动程序开发。同时 ＷＤ 驱动程序可在 Ｗｉ ８ Ｍ ｎ／ ９
Ｍ ， ００Ｘ 等多个流行的 ｅ ｎ ０／Ｐ Ｗｉ ２ 平台 上运行， 兼容
性好。因此如今驱动开发者们均选择 ＷＤ 开发 Ｍ 模式来开发 Ｐ Ｉ Ｃ 设备驱动程序。