基于類/微型驅(qū)動模型的視頻驅(qū)動設(shè)計(jì)解決方案

通過給外部設(shè)備編寫驅(qū)動程序是一種有效的控制外設(shè)的方法。隨著DSP的應(yīng)用越來越廣泛，DSP實(shí)時(shí)系統(tǒng)的日趨復(fù)雜及新技術(shù)的出現(xiàn)，DSP處理器所連接的外部設(shè)備也是種類繁多，各不相同，而每一個(gè)外設(shè)都需要一個(gè)特定的驅(qū)動程序來支持外設(shè)的正常工作，這就要為每一個(gè)外設(shè)編寫驅(qū)動程序，這是一項(xiàng)十分繁雜的工作。如何能夠使系統(tǒng)開發(fā)人員從這些編寫繁雜的驅(qū)動程序工作中解脫出來，進(jìn)而能夠?qū)Ｐ耐度氲綉?yīng)用程序的開發(fā)中呢?TI公司提出了基于DSP／BIOS的設(shè)備驅(qū)動模型，該模型分為兩層：類驅(qū)動即與硬件不相關(guān)的層和微型驅(qū)動即與硬件相關(guān)的層。使用這種結(jié)構(gòu)，應(yīng)用程序只需調(diào)用類驅(qū)動的API函數(shù)，通過類驅(qū)動使用微型驅(qū)動，用微型驅(qū)動來控制外設(shè)。這種結(jié)構(gòu)，將驅(qū)動程序合理分層，使得驅(qū)動程序模塊化，可移植性、復(fù)用性大大增強(qiáng)，縮短了驅(qū)動程序的開發(fā)時(shí)間。

1 DSP／BIOS設(shè)備驅(qū)動模型工

1.1 類／微型驅(qū)動模型

DSP／BIOS是TI公司所設(shè)計(jì)開發(fā)的一個(gè)尺寸可裁剪的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，通過使用DSP／BIOS提供的豐富的內(nèi)核服務(wù)，開發(fā)者能快速地創(chuàng)建滿足實(shí)時(shí)性能要求的精細(xì)復(fù)雜的多任務(wù)應(yīng)用程序。為了使開發(fā)設(shè)備驅(qū)動更加簡單方便，提出了DSP／BIOS DeviceDriver Kit，定義了標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備驅(qū)動模型，一種將設(shè)備驅(qū)動分為與硬件無關(guān)和與硬件相關(guān)的雙層結(jié)構(gòu)，這樣就使開發(fā)驅(qū)動程序不像以前那樣復(fù)雜了，為開發(fā)者提供了便利。這兩層結(jié)構(gòu)稱為“類／微型驅(qū)動模型，它們每一層都有各自通用的接口，所以相似設(shè)備驅(qū)動程序的主要部分可以復(fù)用，驅(qū)動代碼的移植成為可能，使開發(fā)驅(qū)動的過程大大簡化。

與硬件無關(guān)的層稱為類驅(qū)動(Class Driver)，它處在應(yīng)用程序與微型驅(qū)動之間，提供對多線程I／O請求的串行化和同步，并且維護(hù)設(shè)備數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，向上提供API接口供應(yīng)用程序調(diào)用，向下通過適配層與微型驅(qū)動相連，實(shí)現(xiàn)API接口函數(shù)到微型驅(qū)動層的映射。

與硬件相關(guān)的層稱為微型驅(qū)動(Mini－driver)，它處在類驅(qū)動與芯片支持庫(Chip Support Library)之間，對于類驅(qū)動的接口是統(tǒng)一的，即每一個(gè)微型驅(qū)動都為類驅(qū)動和DSP／BIOS設(shè)備驅(qū)動管理提供了標(biāo)準(zhǔn)接口。微型驅(qū)動采用芯片支持庫(CSL)管理外圍設(shè)備的寄存器、內(nèi)存和中斷資源。但由于硬件是千差萬別的，所以微型驅(qū)動對底層硬件的操作是根據(jù)硬件的不同而不同的。對于完成同樣功能的不同外設(shè)，只需稍加修改微型驅(qū)動，而不需重新編寫驅(qū)動程序，就可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動程序的移植與復(fù)用，使驅(qū)動程序的開發(fā)過程大大簡化。類／微型驅(qū)動模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 類驅(qū)動

通過將應(yīng)用軟件，驅(qū)動程序分層之后，可以看到，位于頂層的應(yīng)用程序并不直接與微型驅(qū)動產(chǎn)生聯(lián)系，而是通過類驅(qū)動與微型驅(qū)動連接。每一種類驅(qū)動向上層應(yīng)用程序提供一個(gè)API接口，并且與微型驅(qū)動接口進(jìn)行通信。

DSP／BIOS定義了三種類驅(qū)動：流輸入輸出模塊(SIO)，管道管理模塊(PIP)，通用輸入輸出模塊(GIO)。其中，SIO和PIP分別需要使用適配器DIO和PIO來與微型驅(qū)動進(jìn)行通信。SIO／DIO是基于流的I／O模型，使用異步方式來操作I／O，對于數(shù)據(jù)的讀寫、處理可以同時(shí)進(jìn)行。PIP／PIO是基于管道的I／O模型，每個(gè)管道維護(hù)著一個(gè)被劃分為多個(gè)大小相同的幀的緩沖區(qū)。GIO類驅(qū)動采用基于流的同步I／O數(shù)據(jù)傳輸模式，適合大流量數(shù)據(jù)的傳輸，更適合文件系統(tǒng)。與SIO／DIO和PIP／PIO不同，GIO包含內(nèi)置的IOM(I／OManager輸入輸出管理)適配層，可以直接與微型驅(qū)動進(jìn)行通信。

GIO模塊與其他兩個(gè)模塊相比，有一個(gè)很重要的特性，就是可以擴(kuò)展API函數(shù)支持新的應(yīng)用領(lǐng)域，這樣就實(shí)現(xiàn)了對GIO類驅(qū)動的擴(kuò)展。這種可擴(kuò)展API的特性正好可以用在視頻驅(qū)動開發(fā)方面。例如這種擴(kuò)展可以滿足視頻設(shè)備存儲區(qū)的需要。另外，在提供了視頻驅(qū)動和應(yīng)用程序之間的視頻數(shù)據(jù)同步機(jī)制之后，這種擴(kuò)展也能夠允許使用一個(gè)單獨(dú)的調(diào)用來“交換”視頻緩沖區(qū)。這種交換緩沖區(qū)的機(jī)制對于實(shí)時(shí)視頻信號的采集與顯示是十分重要的。所以，在視頻驅(qū)動中，我們采用通用輸入輸出模塊GIO。應(yīng)用程序可以直接地調(diào)用GIO API函數(shù)和IOM微型驅(qū)動程序進(jìn)行交互，這些GIO API就可以看作是類驅(qū)動。GIO類驅(qū)動接口如圖2所示。

GIO_create會為一個(gè)特定的IOM通道實(shí)例創(chuàng)建一個(gè)GIO對象，這是類驅(qū)動使用微型驅(qū)動的第一步，首先創(chuàng)建對象及IOM通道，然后在此通道上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸工作。其結(jié)構(gòu)體類型為GIO_Obj：

1.3 微型驅(qū)動

微型驅(qū)動主要通過一些函數(shù)來完成對外部設(shè)備的直接控制。只要微型驅(qū)動創(chuàng)建了規(guī)定的函數(shù)，應(yīng)用程序就可以方便地通過DIO適配模塊、PIo適配模塊或(和)GIO類驅(qū)動調(diào)用。

例如：GIO_create被調(diào)用時(shí)，會運(yùn)行mdCreate-Chan來創(chuàng)建一個(gè)通道。

這些微型驅(qū)動函數(shù)包括：mdBindDev／mdUBind-Dev(綁定／刪除通道函數(shù))：在程序建立接口時(shí)調(diào)用，完成設(shè)備的初始化硬件設(shè)備／在程序結(jié)束時(shí)調(diào)用，卸載設(shè)備。mdCreateChan／mdDeleteChan(創(chuàng)建／刪除通道)：需要在應(yīng)用程序與設(shè)備實(shí)例之間創(chuàng)建一個(gè)邏輯通信通道，用于交換驅(qū)動數(shù)據(jù)。應(yīng)用程序可創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)邏輯通道，微型驅(qū)動用通道對象來代表這些通道。這兩個(gè)函數(shù)就是用來分配和釋放通道對象。mdSubmitChan(遞交I／O請求)：該函數(shù)處理傳遞給它的IOM_Pack-et結(jié)構(gòu)體中的命令代碼(cmd)，根據(jù)命令代碼，完成相應(yīng)的處理或返回錯(cuò)誤代碼。ISR(服務(wù)設(shè)備中斷并完成I／O操作)：IOM微型驅(qū)動在中斷的ISR中將以處理完的IOM_Packet請求出隊(duì)，啟動下一次傳輸或服務(wù)請求，調(diào)用類驅(qū)動的回調(diào)函數(shù)與應(yīng)用程序進(jìn)行同步，并返回出隊(duì)的IOM_Packet。mdControlChan(控制設(shè)備)：用來操作外部設(shè)備。

這些微型驅(qū)動的函數(shù)入口放在接口表(IOM_Fxns)中，供適配模塊或GIO類驅(qū)動調(diào)用。

2 TMS320DM642視頻驅(qū)動

下面以TMS320DM842芯片為例，介紹有關(guān)TMS320DM642視頻采集與顯示的驅(qū)動程序的開發(fā)。通過編寫驅(qū)動程序，完成視頻信號的實(shí)時(shí)采集與顯示功能。TMS320DM642是TI公司推出的一款專門用于視頻／圖像處理的定點(diǎn)數(shù)字信號處理器，它基于C64x內(nèi)核，帶有3個(gè)可配置的視頻端口，與視頻采集芯片直接相連，無需外加邏輯電路或FIFO緩存，只需編寫相關(guān)解編碼芯片的驅(qū)動程序，就可以完成視頻信號的采集與顯示。在這里使用的解碼、編碼芯片分別為PHILIPS SAA7115和SAA7105。

2.1 視頻類驅(qū)動

在視頻驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)中，為了最大程度地提高視頻驅(qū)動代碼的復(fù)用性和通用性，將類驅(qū)動又劃分為兩層結(jié)構(gòu)，其中上層為FVID模型，它是在DSP／BIOS GIO類驅(qū)動之上的簡單封裝，下層是GIO類驅(qū)動程序。GIO類驅(qū)動提供獨(dú)立的、一般的API函數(shù)集并且為微型驅(qū)動提供廣泛的服務(wù)，而上層的FVID模型向上層的視頻采集、顯示結(jié)構(gòu)提供定制的API函數(shù)。

在視頻驅(qū)動中，主要是通過調(diào)用FVID模塊函數(shù)來完成類驅(qū)動代碼的編寫工作。FVID主要有以下幾個(gè)API函數(shù)：FVID_create：分配并初始化通道對象；FVID_control：向微型驅(qū)動發(fā)送控制命令；FVID_al-loc：向應(yīng)用程序分配視頻端口緩沖區(qū)；FVID_ex-change：交換緩沖區(qū)；FVID_free：釋放緩沖區(qū)；FVID_delete：刪除通道對象。

在配備視頻接口的設(shè)備驅(qū)動時(shí)，至少指定它要開設(shè)3個(gè)以上的視頻緩沖區(qū)(FVID模型中，默認(rèn)分配3個(gè)緩沖區(qū))，幀緩沖區(qū)通過FVID_alloc()，F(xiàn)VID_free()，F(xiàn)VID_exchange()三個(gè)函數(shù)在應(yīng)用程序與驅(qū)動之間交換。

2.2 視頻微型驅(qū)動

視頻微型驅(qū)動也分為兩層結(jié)構(gòu)，上層為通用視頻端口層部分，下層為指定編解碼芯片微驅(qū)動層部分，它們通過外部設(shè)備控制接口(External Device Control，EDC)實(shí)現(xiàn)對外圍芯片的操作。這種微驅(qū)動結(jié)構(gòu)的好處是，當(dāng)使用不同的芯片時(shí)，只需修改指定編解碼芯片微驅(qū)動那一部分，不需將整個(gè)微驅(qū)動重新編寫，使得驅(qū)動的復(fù)用性大大增強(qiáng)。

視頻驅(qū)動程序模型如圖3所示。

2.3 TMS320DM642視頻驅(qū)動設(shè)計(jì)步驟

2.3.1 注冊微型驅(qū)動

由于應(yīng)用程序、類驅(qū)動最終都是要通過微型驅(qū)動的函數(shù)來完成對外部設(shè)備的直接控制，所以驅(qū)動程序設(shè)計(jì)的第一步就是要在DSP／BIOS Config中的Input／Output->Device Drivers->Uger-Defined Devices項(xiàng)目添加設(shè)備并注冊微驅(qū)動，進(jìn)行屬性的設(shè)置，并指明IOM_Fxns函數(shù)表地址和設(shè)備參數(shù)地址，如圖4所示。

DSP／BIOS會在內(nèi)部維護(hù)一個(gè)“設(shè)備表”，其中包含User-Defined Devices對象進(jìn)行配置的設(shè)備實(shí)例。

2.3.2 編寫類驅(qū)動代碼

FVID函數(shù)會在設(shè)備表中查找已注冊的微驅(qū)動，并調(diào)用微驅(qū)動函數(shù)完成對外部設(shè)備的操作控制。

通常，首先利用FVID_create函數(shù)完成分配并初始化通道對象，返回值為設(shè)備實(shí)例句柄，這個(gè)句柄用于后續(xù)其他FVID函數(shù)調(diào)用這個(gè)已經(jīng)創(chuàng)建的通道。然后調(diào)用FVID_control函數(shù)向微型驅(qū)動發(fā)送控制命令，如配置編解碼器，發(fā)送開始采集或顯示圖像的控制命令。然后利用FVID_alloc分配緩沖區(qū)，接著應(yīng)用程序?qū)⒕彌_區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)制的搬移工作，當(dāng)應(yīng)用程序完成對緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的采集后，調(diào)用FVID_exchange來交換緩沖區(qū)，保證視頻數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)地、源源不斷地供應(yīng)用程序使用。

過程的流程圖如圖5所示。

下面是簡單的視頻采集顯示驅(qū)動的部分實(shí)現(xiàn)代碼：

3 結(jié) 語

本文介紹了基于TI公司的類／微型驅(qū)動模型進(jìn)行視頻驅(qū)動設(shè)計(jì)的原理及主要方法，利用這兩層的驅(qū)動模型不僅簡化了驅(qū)動程序的編寫過程，縮短了開發(fā)時(shí)間，而且使代碼的復(fù)用性和可移植性大大提高，稍加改動相應(yīng)的底層接口就可以用于其他的DSP系統(tǒng)中，真正使視頻驅(qū)動的開發(fā)過程得到簡化。