基于PCI總線的數(shù)字衛(wèi)星解調(diào)卡驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)

引言
      PCI總線(即外圍部件互連總線)是Intel公司提出的計(jì)算機(jī)接口總線。它的時(shí)鐘頻率為33MHz，有32位數(shù)據(jù)總線，可支持突發(fā)傳輸模式，數(shù)據(jù)傳輸峰值速率高達(dá)132 MB／s。

       此外，PCI總線還可擴(kuò)展為64位數(shù)據(jù)總線，擴(kuò)展后的數(shù)據(jù)傳輸峰值速率高達(dá)264 MB／s，并支持即插即用功能而且獨(dú)立于處理器。由于PCI總線具有諸多優(yōu)點(diǎn)，它已經(jīng)成為PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)總線。因此，PCI接口設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)就顯得尤為重要。

      數(shù)字衛(wèi)星解調(diào)卡主要用于接收衛(wèi)星發(fā)來(lái)的調(diào)制信號(hào)的數(shù)字解調(diào)。設(shè)計(jì)中的橋接芯片可采用PLX公司的PCI9054。本文主要介紹數(shù)字衛(wèi)星解調(diào)卡的WDM驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)方法。

       1 PCI9054接口芯片

       PCI9054是PLX公司推出的PCI接口芯片。它支持本地總線2.2版規(guī)范，工作頻率為0～33 MHz，可提供C、M、J三種本地工作模式，本地端到PCI總線的猝發(fā)傳輸速率高達(dá)132 MB／s。該芯片具有可編程的Serial EEPROM接口，可用于配置PCI9054的部分內(nèi)部配置寄存器。其配置正確與否直接決定著設(shè)備能否正常工作。其中的DeviceID和Vendor ID分別對(duì)應(yīng)設(shè)備號(hào)和銷(xiāo)售商號(hào)，計(jì)算機(jī)主要靠這兩個(gè)號(hào)碼識(shí)別硬件。該器件內(nèi)部有6種可編程的FIFO，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，而其兩種內(nèi)部配置寄存器PCI Configuration Register和Local Configuration Register，可在本地端支持主模式、從模式租DMA傳輸方式。PCI9054的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

 PCI9054支持兩個(gè)獨(dú)立的DMA通道，以用于完成本地端到PCI總線或者PCI總線到本地端的數(shù)據(jù)傳輸。每一個(gè)DMA通道包含一個(gè)DMA控制器和一個(gè)雙向FIFO，兩種通道都分別支持Block傳輸模式和Scatter／Gather傳輸模式。DMA通道0還支持Demand DMA數(shù)據(jù)傳輸模式。

       Block DMA要求PCI主機(jī)或Local主機(jī)能提供PCI和Local的起始地址、傳輸字節(jié)數(shù)和傳輸方向。主機(jī)首先設(shè)定DMA開(kāi)始位并啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，一旦傳輸完成，PCI9054設(shè)定將DMACSR0[4]=1或者DMACSR1 [4]=1(分別對(duì)應(yīng)通道0和通道1)來(lái)結(jié)束DMA。如果中斷Enable位DMAMODE0[10]或者DMAMODE1[10]使能，那么，在傳輸結(jié)束時(shí)，PCI9054將向主機(jī)申請(qǐng)中斷。在DMA傳輸中，PCI9054既是PCI總線的主控設(shè)備，又是Local總線的主控設(shè)備。另外，通過(guò)編程DMA傳輸模式還可以完成以下設(shè)置或功能：

       (1)將本地總線寬度設(shè)為8位、16位或32位；

       (2)設(shè)置本地總線為允許／禁止內(nèi)部等待狀態(tài)，若允許，則可等待0～15個(gè)本地等待狀態(tài)；

       (3)設(shè)置本地總線為突發(fā)傳輸4個(gè)雙字長(zhǎng)度；

       (4)使本地地址采用固定模式或線性增長(zhǎng)模式；

       (5)完成PCI內(nèi)存寫(xiě)和無(wú)效操作(commandcode=Fh)或者普通PCI內(nèi)存寫(xiě)操作(commandcode=7h)；

       (6)使用／禁用BLAST#以暫停本地傳輸；

       (7)在Scatter／Gather DMA傳輸模式中，當(dāng)DMA傳輸完成或終止計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到0時(shí)，插入PCI中斷(INTA)或者本地中斷(LINT)；

       (8)工作于DMA清除計(jì)數(shù)模式。

       2 WDM驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)工具

       PCI總線的傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具是微軟公司提供的DDK(Device Driver Kit)，包括Windows98 DDK，Windows2000 DDK和Windows XP DDK。但是，使用其開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序比較復(fù)雜且開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，它只適合發(fā)行類(lèi)產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)。

       為了簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)，縮短開(kāi)發(fā)周期，常用的方法是使用Numage公司提供的開(kāi)發(fā)工具Driver Studio，這是一個(gè)開(kāi)發(fā)工具包(包含VtoolsD，Driver Works和SoftICE等開(kāi)發(fā)工具)。其中的Driver Works是Compuware公司開(kāi)發(fā)的工具，它提供了一系列類(lèi)。這些類(lèi)包含了許多更為底層的操作并且為一般驅(qū)動(dòng)操作提供了服務(wù)函數(shù)，從而為開(kāi)發(fā)人員提供了一個(gè)訪問(wèn)系統(tǒng)核心的標(biāo)準(zhǔn)界面。由于其驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)采用面向?qū)ο蟮目蚣芙Y(jié)構(gòu)，因而開(kāi)發(fā)過(guò)程比較簡(jiǎn)單易行。

       3 DMA模式WDM驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)

       本文介紹的數(shù)字衛(wèi)星解調(diào)卡的硬件框圖如圖2所示。圖中，當(dāng)FPGA中的數(shù)據(jù)放進(jìn)FIFO后，要經(jīng)過(guò)PCI9054橋接芯片傳輸?shù)絇C機(jī)內(nèi)存中，但由于應(yīng)用程序不能直接操作硬件，所以在應(yīng)用程序和硬件之間必須安裝硬件驅(qū)動(dòng)程序來(lái)完成應(yīng)用程序?qū)τ布脑L問(wèn)?？梢?jiàn)，驅(qū)動(dòng)程序?qū)τ谡麄€(gè)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，它關(guān)系到數(shù)據(jù)能否準(zhǔn)確無(wú)誤的送到指定的目的地。

驅(qū)動(dòng)程序完成的主要功能如下：

       (1)接收應(yīng)用傳送的符號(hào)率，配置符號(hào)率；

       (2)接收應(yīng)用程序傳送的控制字，配置AD9851用作外部FIFO數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)鐘；

       (3)設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸為DMA方式，直到接收到應(yīng)用程序發(fā)來(lái)的停止數(shù)據(jù)采集命令為止。驅(qū)動(dòng)要保證數(shù)據(jù)傳輸順利進(jìn)行。

       本設(shè)計(jì)使用Driver Works來(lái)開(kāi)發(fā)WDM驅(qū)動(dòng)程序。

       3.1 基于Driver Works的WDM驅(qū)動(dòng)程序框架

       這里所要生成的是PCI設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。采用DMA方式傳輸時(shí)，生成WDM驅(qū)動(dòng)程序框架的主要步驟如下：

       (1)從VC++中啟動(dòng)Driver Works，設(shè)置驅(qū)動(dòng)程序名稱(chēng)及存放的路徑，設(shè)計(jì)時(shí)可取驅(qū)動(dòng)名稱(chēng)為BPSKDRIVER；

       (2)選擇工程類(lèi)型為WDM DRIVER；

       (3)選擇驅(qū)動(dòng)類(lèi)型為WDM Function Driver；

       (4)選擇硬件總線類(lèi)型為PCI，在這里要注意，PCI Vendor ID和PCI Device ID應(yīng)根據(jù)硬件信息填寫(xiě)；

       (5)添加存儲(chǔ)器空間和I／O空間所需的類(lèi)對(duì)象，添加DMA資源，使用設(shè)備接口打開(kāi)設(shè)備；

       (6)用控制代碼完成應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)的交互，即在應(yīng)用程序中使用Device IO Control來(lái)完成應(yīng)用程序向驅(qū)動(dòng)傳輸數(shù)據(jù)。

       3.2 DMA傳輸控制

       (1)DMA傳輸類(lèi)的概念及初始化

       按照上述步驟生成WDM驅(qū)動(dòng)的框架后，其大部分例程函數(shù)(如Driver Entry、Add Device、Device Control、On Start Device)等已經(jīng)由軟件自動(dòng)生成并能基本滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，下面重點(diǎn)介紹DMA傳輸控制函數(shù)。

       設(shè)計(jì)中，對(duì)DMA寄存器的訪問(wèn)可采用I／O方式，并可利用Driver Works提供的KIoRange類(lèi)產(chǎn)生該類(lèi)的一個(gè)實(shí)例，然后在設(shè)備啟動(dòng)例程中初始化該實(shí)例，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的兩個(gè)I／O地址空間的映射，其中一個(gè)I／O地址空間用于訪問(wèn)橋接芯片PCI9054的寄存器，另一個(gè)I／O地址空間用于訪問(wèn)本地端的設(shè)備，其初始化方法如下：

其中，pResListTranslated、pResListRaw分別是IRQ中系統(tǒng)分配的翻譯資源列表和原始資源列表。初始化完成后，就可以使用類(lèi)的成員函數(shù)in，out對(duì)端口進(jìn)行操作。例如：m_IoPortRange0.outd(0x30,0x40100)，就可向IO端口0的偏移量為0x30的地址中寫(xiě)入0x40100。

       進(jìn)行DMA傳輸需要用到三個(gè)DMA傳輸類(lèi)，分別為KdmaAdapter、KCommonDmaBuffer和KdmaTransfer。

       KdmaAdapter是DMA適配器對(duì)象，可用于表示需要進(jìn)行DMA傳輸?shù)脑O(shè)備資源。此對(duì)象對(duì)于Master設(shè)備和Slave設(shè)備都是適用的。驅(qū)動(dòng)中，此類(lèi)函數(shù)可在On Start Device中由成員函數(shù)Initialize初始化。

       KconnonDmaBuffer是DMA通用緩沖區(qū)對(duì)象。驅(qū)動(dòng)中，此類(lèi)可在On Start Device中由成員函數(shù)Initialize初始化。通用緩沖區(qū)是外部設(shè)備和驅(qū)動(dòng)程序之間的一段物理上連續(xù)的虛擬內(nèi)存，這個(gè)內(nèi)存是從系統(tǒng)中分配出來(lái)的，是非常珍貴的資源，任何時(shí)候都可以被他的設(shè)備和驅(qū)動(dòng)程序存取。通用緩沖區(qū)包括緩沖區(qū)空間大小、虛擬地址、邏輯地址等信息。由于通用緩沖區(qū)是非常珍貴的資源，所以它的大小也受到限制。為此，驅(qū)動(dòng)時(shí)應(yīng)對(duì)每個(gè)DMA請(qǐng)求進(jìn)行分段，并為每個(gè)段提供一個(gè)傳輸段描述符數(shù)組。而且，當(dāng)設(shè)備不支持分散／集中時(shí)，這個(gè)數(shù)組中的描述符只能有一個(gè)。每個(gè)描述符包含一個(gè)物理地址和相應(yīng)的字節(jié)數(shù)，其結(jié)構(gòu)如下：

其中的物理地址即邏輯地址，字節(jié)數(shù)則是相應(yīng)的邏輯地址范圍的長(zhǎng)度。

       KdmaTransfer為DMA傳輸對(duì)象，用來(lái)管理內(nèi)存和設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，但此時(shí)的DMA適配器必須可用。適配器對(duì)象可用來(lái)通知傳輸數(shù)據(jù)的類(lèi)型和使用的DMA通道等。驅(qū)動(dòng)中，此類(lèi)可在OnStart Device中由成員函數(shù)Initialize初始化。在DMA傳輸中，數(shù)據(jù)可直接傳輸?shù)较到y(tǒng)物理內(nèi)存中。管理這些內(nèi)存的方式有Common Buffer和Packet兩種。第一種方式是在物理內(nèi)存中預(yù)先開(kāi)辟一段連續(xù)的內(nèi)存空間，CPU和PCI都可以對(duì)其進(jìn)行訪問(wèn)，且在一次DMA傳輸過(guò)程中，物理地址保持不變，該方式適合傳輸大量數(shù)據(jù)和連續(xù)的DMA傳輸；而在Packet方式中，由于其內(nèi)存物理地址不確定，因此適合間斷性的DMA傳輸。

       (2)回調(diào)函數(shù)

       由于DMA傳輸采用分段傳輸，所以，每當(dāng)準(zhǔn)備傳輸一個(gè)新段時(shí)，KDmaTransfer的對(duì)象將通知驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用回調(diào)例程?；卣{(diào)函數(shù)的原型由typedef DMAREADY_CALLBACK指定，使用宏DEVMEMBER_DMAREADY可聲明回調(diào)函數(shù)基類(lèi)的成員函數(shù)。通過(guò)判斷成員函數(shù)Bytes Remaining可判斷傳輸是否完成。若返回值為0，則調(diào)用成員函數(shù)Terminate以完成相應(yīng)的IRP，否則，回調(diào)函數(shù)繼續(xù)傳輸。

       (3)中斷服務(wù)

       本驅(qū)動(dòng)需要處理兩種中斷，第一種是本地中斷，它是當(dāng)FIFO輸出半滿(mǎn)信號(hào)時(shí)由FPGA通過(guò)LINT#信號(hào)發(fā)給PCI9054的中斷信號(hào)；第二種中斷是DMA傳輸結(jié)束時(shí)由DMA中斷控制器產(chǎn)生的。這兩種中斷可以通過(guò)對(duì)DMA的中斷控制寄存器的特定位處理來(lái)區(qū)分。判斷是否是本地中斷時(shí)，可以通過(guò)判斷DMA中斷控制寄存器的第15位是否為1來(lái)確定，如果INTCSR[15]=1，則為本地中斷；判斷是否是DMA中斷則可通過(guò)判斷DMA中斷控制寄存器的第23位是否為1來(lái)確定，如果INTCSR[23]=1，則為DMA中斷。不同的中斷，其處理方式不同。

       3.3 驅(qū)動(dòng)程序的創(chuàng)建及安裝文件的修改

       為了正確的創(chuàng)建WDM驅(qū)動(dòng)程序，首先要建立WDM編程環(huán)境，并創(chuàng)建自己的庫(kù)文件。參考文件中提供了一種WDM編程環(huán)境的建立方法，但是，按照書(shū)中的方法經(jīng)常不能成功的建立編程環(huán)境，為此，筆者根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)介紹一種簡(jiǎn)單易行的方法：

       (1)首先安裝DDK；

       (2)在開(kāi)始菜單中選擇Compuware Driver Studio＼Develop下的DDK Build Setting；

       (3)在打開(kāi)的對(duì)話(huà)框中的DDK Root Directory中設(shè)置DDK的根目錄(如E：＼WINDDK＼2600)，然后點(diǎn)擊Launch Program，并打開(kāi)Compuware DriverStudio的Driver Works文件夾中Source里的VdwLibs.dsw文件。

       (4)選擇Build菜單中的Set Active Project Configuration，并在彈出的對(duì)話(huà)框中選擇合適的Project configurations。而對(duì)于現(xiàn)行的32位機(jī)，它不需要像Win32 AMD64 Free等這樣的工程；

       (5)選好一個(gè)工程后，點(diǎn)擊OK，然后點(diǎn)擊Build with BUILD.EXE即可生成所需的庫(kù)。然后再根據(jù)自己的需要重新選擇新的Project configurations，以進(jìn)行庫(kù)的創(chuàng)建。

       筆者的這種方法在于使用DDK Build Setting的Launch Program打開(kāi)VdwILibs.dsw，編譯沒(méi)有出現(xiàn)錯(cuò)誤，書(shū)中的方法則是先打開(kāi)VC++，然后打開(kāi)VdwLibs.dsw，選擇Batch Build下的Rebuild All創(chuàng)建庫(kù)，但是筆者試了幾次均不成功。

       庫(kù)文件生成之后，即可打開(kāi)創(chuàng)建好的驅(qū)動(dòng)程序，并在VC++的菜單中打開(kāi)DDK Build Setting，再在DDK Root Directory中設(shè)置DDK的路徑為實(shí)際安裝的路徑，之后點(diǎn)擊Build圖標(biāo)，就可以生成BPSKDRIVER.sys文件了。另外，驅(qū)動(dòng)的類(lèi)型可以自己設(shè)定，Windows系統(tǒng)定義了一系列的設(shè)備類(lèi)名和GUID，找到驅(qū)動(dòng)工程文件中后綴名為.inf的安裝文件，將其內(nèi)容修改成與硬件信息一致就可以了。然后將此文件拷貝到工程中的i386文件夾中。至此，一個(gè)完整的驅(qū)動(dòng)就創(chuàng)建成功了。

       4 結(jié)束語(yǔ)

       本驅(qū)動(dòng)現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)過(guò)測(cè)試，工作正常。并已經(jīng)應(yīng)用于數(shù)字衛(wèi)星解調(diào)卡中。WDM編程環(huán)境的創(chuàng)建具有筆者自己的見(jiàn)解，并且可以實(shí)現(xiàn)一次創(chuàng)建即成功，希望對(duì)同類(lèi)驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)具有借鑒作用。