PCI傳輸卡的WDM驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
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PCI總線規(guī)范是為提高微機(jī)總線的數(shù)據(jù)傳輸速度而制定的一種局部總線標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)自行開(kāi)發(fā)的基于PCI總線的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備時(shí),需要開(kāi)發(fā)相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。通常開(kāi)發(fā)PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序有多種模式,在Windows2000環(huán)境下,主要采用WDM模式。
本文針對(duì)自行開(kāi)發(fā)的基于PCI總線的CCD視頻信號(hào)傳輸控制卡,編寫(xiě)了符合WDM模式的驅(qū)動(dòng)程序。 1 WDM模式驅(qū)動(dòng)程序 1.1 WDM模式(Windows Driver Model) Windows2000對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)不再基于以往的Win3.x和Win9x下的VxD(虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序)結(jié)構(gòu),而是基于一種新的驅(qū)動(dòng)模型——WDM(Windows Driver Model)。
WDM為Windows98/2000/XP操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)提供了統(tǒng)一的框架。WDM來(lái)源于Windows NT的分層32位設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)的一個(gè)組成部分,它由I/O管理器(I/O Manager)管理和調(diào)動(dòng)。Windows2000操作系統(tǒng)下的I/O管理器功能描述如圖1所示。
I/O管理器每收到一個(gè)來(lái)自用戶(hù)應(yīng)用程序的請(qǐng)求就創(chuàng)建一個(gè)I/O請(qǐng)求包(IRP)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),并將其作為參數(shù)傳遞給驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)識(shí)別IRP中的物理設(shè)備對(duì)象(PDO)來(lái)區(qū)別是發(fā)送給哪一個(gè)設(shè)備。IRP結(jié)構(gòu)中存放請(qǐng)求的類(lèi)型、用戶(hù)緩沖區(qū)的首地址、用戶(hù)請(qǐng)求數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度等信息。驅(qū)動(dòng)程序處理完這個(gè)請(qǐng)求后,在該結(jié)構(gòu)中填入處理結(jié)果的有關(guān)信息,調(diào)用IoCompleteRequest將其返回給 I/O管理器,用戶(hù)應(yīng)用程序的請(qǐng)求隨即返回。訪問(wèn)硬件時(shí),驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)調(diào)用硬件抽象層的函數(shù)實(shí)現(xiàn)。
1.3 DriverStudio工具簡(jiǎn)介 NuMega Lab公司開(kāi)發(fā)的DriverStudio是一整套開(kāi)發(fā)、調(diào)試和檢測(cè)Windows平臺(tái)下設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的工具軟件包。它把DDK(Device Development Kit)封裝成完整的C++函數(shù)庫(kù),根據(jù)具體硬件通過(guò)向?qū)煽蚣艽a,并且提供了一套完整的調(diào)試和性能測(cè)試工具SoftICE、DriverMonitor等。
2 應(yīng)用實(shí)例 本文利用PCI專(zhuān)用接口芯片PCI9052設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸控制卡??ㄉ现饕男酒校校茫桑梗埃担?、FIFO(CY7C4221)、CPLD(MAX7064S)和A/D轉(zhuǎn)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(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路,生成的視頻調(diào)理信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字化處理,送入FIFO中。在CPLD的控制下,數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)PCI9052送入PCI總線,再傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中,并顯示在監(jiān)視器上。
驅(qū)動(dòng)程序必須實(shí)現(xiàn)如下幾個(gè)基本功能:
?。ǎ保┯布袛啵?/p>
?。ǎ玻┠苤С謶?yīng)用程序獲取數(shù)據(jù);
(3)能根據(jù)外部FIFO(CY7C4221)的狀態(tài)啟動(dòng)或停止突發(fā)傳輸。 在數(shù)據(jù)輸入過(guò)程中,最重要的是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,因此需要硬件中斷。在中斷程序中,根據(jù)外部FIFO狀態(tài)完成數(shù)據(jù)的讀入。
?。玻?用DriverWizard生成驅(qū)動(dòng)程序框架 DriverStudio中的DriverWorks軟件為開(kāi)發(fā)WDM程序提供了一個(gè)完整的框架。它包含一個(gè)可快速生成WDM驅(qū)動(dòng)程序框架的代碼生成向?qū)Чぞ撸模颍椋觯澹颍祝椋幔颍?,而且還帶有許多類(lèi)庫(kù)。
在用DriverWizard生成的程序框架中寫(xiě)入相對(duì)于設(shè)備的特定代碼,編譯后即可得到所需的驅(qū)動(dòng)程序。 在利用DriverWorks V2.7的向?qū)В模颍椋觯澹?Wizard完成驅(qū)動(dòng)程序的框架時(shí)共有11個(gè)步驟,其中關(guān)鍵步驟有:
?。ǎ保┰诘谒牟街羞x中PCI,并在VendorID和DeviceID中分別輸入廠商號(hào)和設(shè)備號(hào),還需填入PCI Subsystem ID和PCI Revision ID。這四項(xiàng)可以用網(wǎng)上的免費(fèi)軟件PCITree或PCIView瀏覽PCI設(shè)備,用這兩個(gè)軟件也可以得到BAR0~BAR5的資源分配情況和中斷號(hào)。
(2)第七步IRP隊(duì)列排隊(duì)方法,它決定了驅(qū)動(dòng)程序檢查設(shè)備的方式。本設(shè)計(jì)選SystemManaged,則所有的IRP排隊(duì)都由系統(tǒng)(即I/O管理器)完成。
?。ǎ常┑诰挪绞亲铌P(guān)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(hào)。0~5和BAR0~BAR5一一對(duì)應(yīng)。在設(shè)置中斷對(duì)話框中,在name欄寫(xiě)入中斷服務(wù)程序的名稱(chēng),選中創(chuàng)建中斷服務(wù)程序ISR?穴Create ISR?雪,不選創(chuàng)建延遲程序調(diào)用DPC(Create DPC),選中Make ISR/DPC class functions,使ISR/DPC成為設(shè)備類(lèi)的成員函數(shù)。
其次選中Buffer以選取讀寫(xiě)方式,用于描述與I/O操作相關(guān)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。本設(shè)計(jì)需要快速傳送大量數(shù)據(jù),因此采用Direct I/O方式。 (4)在第十步中,需要加入與應(yīng)用程序或者其他驅(qū)動(dòng)程序通信的I/O控制代碼參量。 2.2 驅(qū)動(dòng)程序模塊框圖和代碼分布 PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序模塊包括配置空間的訪問(wèn)模塊、IO端口模塊、內(nèi)存讀寫(xiě)模塊和終端模塊等。
各模塊之間是對(duì)等的。驅(qū)動(dòng)程序模塊框圖如圖3所示。 驅(qū)動(dòng)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(tǒng)初始化完成后,這部分代碼從內(nèi)存中釋放,防止占用系統(tǒng)寶貴的內(nèi)存資源。#pragma code_seg()之后是驅(qū)動(dòng)程序和系統(tǒng)的許多模塊的實(shí)現(xiàn)部分。這部分在驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行后不會(huì)從內(nèi)存中釋放。[!--empirenews.page--]
2.3 驅(qū)動(dòng)程序主要模塊的實(shí)現(xiàn)
?。?)配置空間的訪問(wèn)模塊 DriverWorks的KPciConfiguration類(lèi)封裝了訪問(wèn)PCI設(shè)備配置空間的所有操作。首先初始化這個(gè)類(lèi)的實(shí)例: KpciConfiguration PciConfig()m_Lower.TopOfStack()); /?觹m_Lower是 KpnpLowerDevice類(lèi)的對(duì)象。m_LowerTopOfStack()返回當(dāng)前設(shè)備堆棧頂部的設(shè)備對(duì)象。*/ 初始化完后可以直接利用成員函數(shù) ReadHeader/ WriteHeader函數(shù)訪問(wèn)所有的配置寄存器。
為了確定映射空間的類(lèi)型和大小,先向目標(biāo)基地址寄存器寫(xiě)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(chǔ)空間;如果映射于存儲(chǔ)空間,從第四位開(kāi)始計(jì)算0的個(gè)數(shù)可以確定內(nèi)存空間的大?。蝗绻牵桑戏绞?,從第二位開(kāi)始計(jì)算0的個(gè)數(shù)可確定I/O空間的大小,最大為256字節(jié)。如果設(shè)備的存儲(chǔ)空間超過(guò)256字節(jié),要實(shí)現(xiàn)設(shè)備的整個(gè)存儲(chǔ)部分的訪問(wèn),就必須采用內(nèi)存映射。
?。ǎ玻桑喜僮髂K Driverworks的KIoRange類(lèi)封裝了I/O端口訪問(wèn)的操作。部分代碼如下: {…… KIORange DevIoPort () ;//創(chuàng)建實(shí)例 NTSTATUS status= DevIoPort ().Initialize ( pResListTranslated,pResListRaW,PciConfig.BaseAddressIndexToOrdinal(0)); /* 第一個(gè)參數(shù)為轉(zhuǎn)換后的資源列表指針;第二個(gè)參數(shù)為原始資源列表指針;第三個(gè)參數(shù)中的0為 I/O口對(duì)應(yīng)的基地址,用來(lái)轉(zhuǎn)換成特定端口資源的序數(shù)*/ If(NT _SUCCESS(status)) {…… DevIoPort.
?。椋睿?0,LineBuf1,10); /*成功初始化后可分別用KIoRange類(lèi)的成員函數(shù)inb(/outb)從端口中讀/寫(xiě)字節(jié) */ } else{Invalidate();return status; /*未能初始化成功,錯(cuò)誤信息在status中*/ { ……}
(3)內(nèi)存讀寫(xiě)模塊 DriverWorks的 KMemoryRange類(lèi)封裝了端口訪問(wèn)的操作。 status=m_MemoryRange().Initialize(pResListTranslated,pResListRaw, PciConfig.BaseAddressIndexToOrdinal(0)); 此函數(shù)的參數(shù)、意義及具體用法與I/O端口的操作基本相同。 內(nèi)存對(duì)象也用來(lái)發(fā)送控制字,以控制CPLD的開(kāi)始和停止等。實(shí)際上控制字是通過(guò)PCI9052發(fā)送的。該控制字地址已被映射成PCI的內(nèi)存空間。所以定義一個(gè)指向內(nèi)存空間的內(nèi)存對(duì)象,通過(guò)該對(duì)象即可發(fā)送控制字。
?。ǎ矗┲袛嗄K 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(yīng)是否產(chǎn)生,如果有,則進(jìn)行突發(fā)傳輸,讀入FIFO中的數(shù)據(jù)。 BOOLEAN TranCard::Isr_MyIrq(void) { if (// 中斷未產(chǎn)生) {…… return FALSE;} else {/* 如果產(chǎn)生硬件中斷,設(shè)置命令寄存器,進(jìn)行突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸 */ return TRUE;} } 為了將硬件中斷與編寫(xiě)的中斷服務(wù)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;) ……}
?。玻?驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)用
編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序本身不是最終目的,最終目的是調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序管理資源,并為用戶(hù)應(yīng)用程序使用。驅(qū)動(dòng)程序加載以后,它的許多進(jìn)程處于Idle狀態(tài),實(shí)際上需要用戶(hù)應(yīng)用程序去調(diào)用激活。應(yīng)用程序利用Win32 API直接調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序,實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序的信息交互。 首先用CreateFile()打開(kāi)設(shè)備,獲得一個(gè)指向設(shè)備對(duì)象的句柄。
使用CreateFile函數(shù)時(shí)應(yīng)注意:由于驅(qū)動(dòng)程序是*.sys,所以第一個(gè)參數(shù)應(yīng)該是這個(gè)設(shè)備對(duì)象的標(biāo)志連接(symbolic link)。該標(biāo)志連接名有一個(gè)設(shè)置數(shù)據(jù)文件搜索路徑的數(shù)字號(hào),而這個(gè)數(shù)字號(hào)通常是零。如果這個(gè)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(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送。最后用CloseHandle( )關(guān)閉設(shè)備句柄。 下面是應(yīng)用DeviceIoControl()程序片段。 {…… m_b=DeviceIoControl(hDevice,TRANCARD_IOCTL_ RECEIVE(buffer, sizeof,buffer, NULL,0,&buffersize,NULL); ……}
2.5 驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)試 采用SoftICE、DriverMonitor作為調(diào)試工具,基本調(diào)試過(guò)程如下:
?。ǎ保┦褂茫螅恚猓铮?loader加載驅(qū)動(dòng)程序,然后使用SoftICE跟蹤調(diào)試,確認(rèn)驅(qū)動(dòng)程序正常加載;
?。ǎ玻?duì)核心的中斷響應(yīng)程序代碼,用SoftICE中的Genint命令產(chǎn)生虛擬中斷,單步跟蹤中斷;
(3)硬件發(fā)送大量的數(shù)據(jù),通過(guò)查看內(nèi)存的數(shù)據(jù),確認(rèn)數(shù)據(jù)傳輸是否正確。 在驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)試過(guò)程中,經(jīng)常出現(xiàn)系統(tǒng)“死機(jī)”、“藍(lán)屏”等現(xiàn)象,這些情況可能因內(nèi)存訪問(wèn)分頁(yè)錯(cuò)誤、設(shè)備資源和系統(tǒng)資源沖突、I/O使用錯(cuò)誤、程序中“指針”使用錯(cuò)誤等因素造成。 上述方案均調(diào)試通過(guò)。使用WDM模式開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序,程序結(jié)構(gòu)清晰,開(kāi)發(fā)周期較短,效率高。在PCI從模式條件下,大數(shù)據(jù)量連續(xù)傳輸速度可達(dá)28Mbps以上。