PCI傳輸卡的WDM驅動程序設計

PCI總線規范是為提高微機總線的數據傳輸速度而制定的一種局部總線標準。在設計自行開發的基于PCI總線的數據傳輸設備時，需要開發相應的設備驅動程序。通常開發PCI設備驅動程序有多種模式，在windows2000環境下，主要采用ＷＤＭ模式。

　　本文針對自行開發的基于PCI總線的ＣＣＤ視頻信號傳輸控制卡，編寫了符合ＷＤＭ模式的驅動程序。 １ ＷＤＭ模式驅動程序 １．１ ＷＤＭ模式（windows Ｄｒｉｖｅｒ Ｍｏｄｅｌ） windows2000對驅動程序的編寫不再基于以往的Ｗｉｎ３．ｘ和Ｗｉｎ９ｘ下的ＶｘＤ（虛擬設備驅動程序）結構，而是基于一種新的驅動模型——ＷＤＭ（windows Ｄｒｉｖｅｒ Ｍｏｄｅｌ）。

　　ＷＤＭ為windows９８／2000／ＸＰ操作系統的設備驅動程序的設計提供了統一的框架。ＷＤＭ來源于windows ＮＴ的分層３２位設備驅動程序模型（ｌａｙｅｒｅｄ ３２－ｂｉｔ ｄｅｖｉｃｅ ｄｒｉｖｅｒ ｍｏｄｅｌ）。它支持更多的特性，如即插即用（ＰｎＰ）、電源管理、ＷＭＩ和ＮＴ事件。 １．２ 設備驅動程序 設備驅動程序是操作系統的一個組成部分，它由Ｉ／Ｏ管理器（Ｉ／Ｏ Ｍａｎａｇｅｒ）管理和調動。windows2000操作系統下的Ｉ／Ｏ管理器功能描述如圖１所示。

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　　 Ｉ／Ｏ管理器每收到一個來自用戶應用程序的請求就創建一個Ｉ／Ｏ請求包（ＩＲＰ）的數據結構，并將其作為參數傳遞給驅動程序。驅動程序通過識別ＩＲＰ中的物理設備對象（ＰＤＯ）來區別是發送給哪一個設備。ＩＲＰ結構中存放請求的類型、用戶緩沖區的首地址、用戶請求數據的長度等信息。驅動程序處理完這個請求后，在該結構中填入處理結果的有關信息，調用ＩｏＣｏｍｐｌｅｔｅＲｅｑｕｅｓｔ將其返回給 Ｉ／Ｏ管理器，用戶應用程序的請求隨即返回。訪問硬件時，驅動程序通過調用硬件抽象層的函數實現。?

　　１．３ ＤｒｉｖｅｒＳｔｕｄｉｏ工具簡介 ＮｕＭｅｇａ Ｌａｂ公司開發的ＤｒｉｖｅｒＳｔｕｄｉｏ是一整套開發、調試和檢測windows平臺下設備驅動程序的工具軟件包。它把ＤＤＫ（Ｄｅｖｉｃｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｋｉｔ）封裝成完整的Ｃ＋＋函數庫，根據具體硬件通過向導生成框架代碼，并且提供了一套完整的調試和性能測試工具ＳｏｆｔＩＣＥ、ＤｒｉｖｅｒＭｏｎｉｔｏｒ等。

　　 ２ 應用實例 本文利用PCI專用接口芯片PCI９０５２設計了一個數據傳輸控制卡。卡上主要的芯片有PCI９０５２、ＦＩＦＯ（ＣＹ７Ｃ４２２１）、ＣＰＬＤ（ＭＡＸ７０６４Ｓ）和Ａ／Ｄ轉換器（ＭＡＸ１１９７）。傳輸卡硬件框圖如圖２所示。

　　面陣ＣＣＤ得到的視頻信號經過調理電路，生成的視頻調理信號通過Ａ／Ｄ轉換器進行數字化處理，送入ＦＩＦＯ中。在ＣＰＬＤ的控制下，數據經過PCI９０５２送入PCI總線，再傳送到計算機內存中，并顯示在監視器上。

　　驅動程序必須實現如下幾個基本功能：

　　（１）硬件中斷；

　　（２）能支持應用程序獲取數據；

　　（３）能根據外部ＦＩＦＯ（ＣＹ７Ｃ４２２１）的狀態啟動或停止突發傳輸。 在數據輸入過程中，最重要的是對數據進行實時控制，因此需要硬件中斷。在中斷程序中，根據外部ＦＩＦＯ狀態完成數據的讀入。

　　２．１ 用ＤｒｉｖｅｒＷｉｚａｒｄ生成驅動程序框架 ＤｒｉｖｅｒＳｔｕｄｉｏ中的ＤｒｉｖｅｒＷｏｒｋｓ軟件為開發ＷＤＭ程序提供了一個完整的框架。它包含一個可快速生成ＷＤＭ驅動程序框架的代碼生成向導工具ＤｒｉｖｅｒＷｉｚａｒｄ，而且還帶有許多類庫。

　　在用ＤｒｉｖｅｒＷｉｚａｒｄ生成的程序框架中寫入相對于設備的特定代碼，編譯后即可得到所需的驅動程序。 在利用ＤｒｉｖｅｒＷｏｒｋｓ Ｖ２．７的向導Ｄｒｉｖｅｒ Ｗｉｚａｒｄ完成驅動程序的框架時共有１１個步驟，其中關鍵步驟有：

　（１）在第四步中選中PCI，并在ＶｅｎｄｏｒＩＤ和ＤｅｖｉｃｅＩＤ中分別輸入廠商號和設備號，還需填入PCI Ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ ＩＤ和PCI Ｒｅｖｉｓｉｏｎ ＩＤ。這四項可以用網上的免費軟件PCIＴｒｅｅ或PCIＶｉｅｗ瀏覽PCI設備，用這兩個軟件也可以得到ＢＡＲ０～ＢＡＲ５的資源分配情況和中斷號。

　 （２）第七步ＩＲＰ隊列排隊方法，它決定了驅動程序檢查設備的方式。本設計選ＳｙｓｔｅｍＭａｎａｇｅｄ，則所有的ＩＲＰ排隊都由系統（即Ｉ／Ｏ管理器）完成。

　（３）第九步是最關鍵的一步。首先在Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ中添加資源，在ｎａｍｅ中輸入變量名，在PCI Ｂａｓｅ Ａｄｄｒｅｓｓ中輸入０～５的序列號。０～５和ＢＡＲ０～ＢＡＲ５一一對應。在設置中斷對話框中，在ｎａｍｅ欄寫入中斷服務程序的名稱，選中創建中斷服務程序ＩＳＲ?穴Ｃｒｅａｔｅ ＩＳＲ?雪，不選創建延遲程序調用ＤＰＣ（Ｃｒｅａｔｅ ＤＰＣ），選中Ｍａｋｅ ＩＳＲ／ＤＰＣ ｃｌａｓｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ，使ＩＳＲ／ＤＰＣ成為設備類的成員函數。

　　 其次選中buffer以選取讀寫方式，用于描述與Ｉ／Ｏ操作相關的數據緩沖區。本設計需要快速傳送大量數據，因此采用Ｄｉｒｅｃｔ Ｉ／Ｏ方式。 （４）在第十步中，需要加入與應用程序或者其他驅動程序通信的Ｉ／Ｏ控制代碼參量。 ２．２ 驅動程序模塊框圖和代碼分布 PCI設備驅動程序模塊包括配置空間的訪問模塊、ＩＯ端口模塊、內存讀寫模塊和終端模塊等。

　　各模塊之間是對等的。驅動程序模塊框圖如圖３所示。 驅動程序初始化模塊代碼段放在＃ｐｒａｇｍａ ｃｏｄｅ＿ｓｅｇ（″ＩＮＴ″）和＃ｐｒａｇｍａ ｃｏｄｅ＿ｓｅｇ（）之間。在系統初始化完成后，這部分代碼從內存中釋放，防止占用系統寶貴的內存資源。＃ｐｒａｇｍａ ｃｏｄｅ＿ｓｅｇ（）之后是驅動程序和系統的許多模塊的實現部分。這部分在驅動程序運行后不會從內存中釋放。

　　 ２．３ 驅動程序主要模塊的實現

　　（1）配置空間的訪問模塊 ＤｒｉｖｅｒＷｏｒｋｓ的ＫPCIＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ類封裝了訪問PCI設備配置空間的所有操作。首先初始化這個類的實例： ＫPCIＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ PCIＣｏｎｆｉｇ（）ｍ＿Ｌｏｗｅｒ．ＴｏｐＯｆＳｔａｃｋ（））； ／?觹ｍ＿Ｌｏｗｅｒ是 ＫｐｎｐＬｏｗｅｒＤｅｖｉｃｅ類的對象。ｍ＿ＬｏｗｅｒＴｏｐＯｆＳｔａｃｋ（）返回當前設備堆棧頂部的設備對象。*/ 初始化完后可以直接利用成員函數 ＲｅａｄＨｅａｄｅｒ／ ＷｒｉｔｅＨｅａｄｅｒ函數訪問所有的配置寄存器。

　　為了確定映射空間的類型和大小，先向目標基地址寄存器寫入０Ｘｆｆｆｆｆｆｆｆｈ，然后回讀該寄存器的值。如果最低位為１，表示映射于Ｉ／Ｏ空間，反之為存儲空間；如果映射于存儲空間，從第四位開始計算０的個數可以確定內存空間的大小；如果是Ｉ／Ｏ方式，從第二位開始計算０的個數可確定Ｉ／Ｏ空間的大小，最大為２５６字節。如果設備的存儲空間超過２５６字節，要實現設備的整個存儲部分的訪問，就必須采用內存映射。

　　（２）Ｉ／Ｏ操作模塊 Ｄｒｉｖｅｒｗｏｒｋｓ的ＫＩｏＲａｎｇｅ類封裝了Ｉ／Ｏ端口訪問的操作。部分代碼如下： {…… ＫＩＯＲａｎｇｅ ＤｅｖＩｏＰｏｒｔ () ；／／創建實例 ＮＴＳＴＡＴＵＳ ｓｔａｔｕｓ＝ ＤｅｖＩｏＰｏｒｔ ()．Ｉｎｉｔｉａｌｉｚｅ ( ｐＲｅｓＬｉｓｔＴｒａｎｓｌａｔｅｄ，ｐＲｅｓＬｉｓｔＲａＷ，PCIＣｏｎｆｉｇ．ＢａｓｅＡｄｄｒｅｓｓＩｎｄｅｘＴｏＯｒｄｉｎａｌ(0))； ／* 第一個參數為轉換后的資源列表指針；第二個參數為原始資源列表指針；第三個參數中的０為 Ｉ／Ｏ口對應的基地址，用來轉換成特定端口資源的序數*／ Ｉｆ(ＮＴ ＿ＳＵＣＣＥＳＳ(ｓｔａｔｕｓ)) {…… ＤｅｖＩｏＰｏｒｔ．

　　ｉｎｂ(0,ＬｉｎｅＢｕｆ１,１０); ／*成功初始化后可分別用ＫＩｏＲａｎｇｅ類的成員函數ｉｎｂ(／ｏｕｔｂ)從端口中讀／寫字節 *／ } ｅｌｓｅ｛Ｉｎｖａｌｉｄａｔｅ()；ｒｅｔｕｒｎ ｓｔａｔｕｓ； ／*未能初始化成功，錯誤信息在ｓｔａｔｕｓ中*／ { ……}

　　(３)內存讀寫模塊 ＤｒｉｖｅｒＷｏｒｋｓ的 ＫＭｅｍｏｒｙＲａｎｇｅ類封裝了端口訪問的操作。 ｓｔａｔｕｓ＝ｍ＿ＭｅｍｏｒｙＲａｎｇｅ()．Ｉｎｉｔｉａｌｉｚｅ(ｐＲｅｓＬｉｓｔＴｒａｎｓｌａｔｅｄ，ｐＲｅｓＬｉｓｔＲａｗ， PCIＣｏｎｆｉｇ．ＢａｓｅＡｄｄｒｅｓｓＩｎｄｅｘＴｏＯｒｄｉｎａｌ(０))； 此函數的參數、意義及具體用法與Ｉ／Ｏ端口的操作基本相同。 內存對象也用來發送控制字，以控制ＣＰＬＤ的開始和停止等。實際上控制字是通過PCI９０５２發送的。該控制字地址已被映射成PCI的內存空間。所以定義一個指向內存空間的內存對象，通過該對象即可發送控制字。

　　（４）中斷模塊 在中斷模塊，首先要激活PCI９０５２中斷使能位，然后判斷硬件中斷響應是否產生，如果有，則進行突發傳輸，讀入ＦＩＦＯ中的數據。 ＢＯＯＬＥＡＮ ＴｒａｎＣａｒｄ::Ｉｓｒ＿ＭｙＩｒｑ(ｖｏｉｄ) { ｉｆ (／／ 中斷未產生) {…… ｒｅｔｕｒｎ ＦＡＬＳＥ;} ｅｌｓｅ {／* 如果產生硬件中斷，設置命令寄存器，進行突發數據傳輸 *／ ｒｅｔｕｒｎ ＴＲＵＥ;} } 為了將硬件中斷與編寫的中斷服務程序連接在一起，采用ＩｎｉｔｉａｌｉｚｅＡｎｄＣｏｎｎｅｃｔ方法，部分代碼如下： ＮＴＳＴＡＴＵＳ ＴｒａｎＣａｒｄＤｅｖｉｃｅ?押?押ＯｎＳｔａｒｔＤｅｖｉｃｅ(ＫＩｒｐ Ｉ ) {…… ｓｔａｔｕｓ＝ｍ＿ＭｙＩｒｑ． ＩｎｉｔｉａｌｉｚｅＡｎｄＣｏｎｎｅｃｔ( ｐＲｅｓＬｉｓｔＴｒａｎｌａｔｅｄ, ＬｉｎｋＴｏ(Ｉｓｒ＿ＭｙＩｒｑ), Ｔｈｉｓ;) ……}

　　２．４ 驅動程序的調用?

　　編寫驅動程序本身不是最終目的，最終目的是調用驅動程序管理資源，并為用戶應用程序使用。驅動程序加載以后，它的許多進程處于Ｉｄｌｅ狀態，實際上需要用戶應用程序去調用激活。應用程序利用Ｗｉｎ３２ ＡＰＩ直接調用驅動程序，實現驅動程序和應用程序的信息交互。 首先用ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ()打開設備，獲得一個指向設備對象的句柄。

　　使用ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ函數時應注意：由于驅動程序是*．ｓｙｓ，所以第一個參數應該是這個設備對象的標志連接（ｓｙｍｂｏｌｉｃ ｌｉｎｋ）。該標志連接名有一個設置數據文件搜索路徑的數字號，而這個數字號通常是零。如果這個連接名是″ＴｒａｎＣａｒｄ″，則傳遞給ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ的宇符串就是：″＼＼＼＼．＼＼ ＴｒａｎＣａｒｄ０″。例如： ＨＡＮＤＬＥ ｈＤｅｖｉｃｅ＝ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ(″＼＼＼＼．＼＼ＴｒａｎＣａｒｄ０″)ＧＥＮＥＲＩＣ＿ＲＥＡＤ｜ＧＥＮＥＲＩＣ＿ＷＲＩＴＥ,ＦＩＬＥ＿ＳＨＡＲＥ＿ＲＥＡＤ, ＮＵＬＬ?, ＯＰＥＮ＿ＥＸＩＳＴＩＮＧ,0,ＮＵＬＬ); 然后用 ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ()進行數據的傳送。最后用ＣｌｏｓｅＨａｎｄｌｅ（ ）關閉設備句柄。 下面是應用ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ()程序片段。 {…… ｍ＿ｂ＝ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ(ｈＤｅｖｉｃｅ,ＴＲＡＮＣＡＲＤ＿ＩＯＣＴＬ＿ ＲＥＣＥＩＶＥ(buffer, ｓｉｚｅｏｆ,buffer, ＮＵＬＬ,0,＆bufferｓｉｚｅ，ＮＵＬＬ); ……}

　　２．５ 驅動程序的調試 采用ＳｏｆｔＩＣＥ、ＤｒｉｖｅｒＭｏｎｉｔｏｒ作為調試工具，基本調試過程如下：

　　（１）使用ｓｙｍｂｏｌ ｌｏａｄｅｒ加載驅動程序，然后使用ＳｏｆｔＩＣＥ跟蹤調試，確認驅動程序正常加載；

　　（２）對核心的中斷響應程序代碼，用ＳｏｆｔＩＣＥ中的Ｇｅｎｉｎｔ命令產生虛擬中斷，單步跟蹤中斷；

　　（３）硬件發送大量的數據，通過查看內存的數據，確認數據傳輸是否正確。 在驅動程序的調試過程中，經常出現系統“死機”、“藍屏”等現象，這些情況可能因內存訪問分頁錯誤、設備資源和系統資源沖突、Ｉ／Ｏ使用錯誤、程序中“指針”使用錯誤等因素造成。 上述方案均調試通過。使用ＷＤＭ模式開發驅動程序，程序結構清晰，開發周期較短，效率高。在PCI從模式條件下，大數據量連續傳輸速度可達２８Ｍｂｐｓ以上。