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PCI總線(xiàn)是一種與CPU無(wú)關(guān)的32／64位地址數據復用總線(xiàn)，工作頻率為33 MHz／66 MHz，它支持突發(fā)傳輸，具有即插即用、電源管理等功能。PCI總線(xiàn)以其優(yōu)良性能和可適應性成為現代微機的主流總線(xiàn)。在開(kāi)發(fā)PCI設備的過(guò)程中，需要為PCI設備寫(xiě)驅動(dòng)程序。Windows驅動(dòng)程序模型(WDM)是Microsoft公司力推的全新驅動(dòng)程序模式，它支持PhP、電源管理和WMI等技術(shù)。在Windows操作平臺上，WDM已成為主流的驅動(dòng)模型。這里主要介紹根據工程背景開(kāi)發(fā)的基于PCI總線(xiàn)的實(shí)時(shí)測頻卡的WDM驅動(dòng)程序設計。 1 實(shí)時(shí)測頻卡硬件系統結構 實(shí)時(shí)測頻卡的主要功能是實(shí)時(shí)測定信號頻率，實(shí)時(shí)識別信號調制方式。系統的電路框圖如圖1所示。外部待測信號通過(guò)SMA接口進(jìn)入實(shí)時(shí)測頻卡的ADC。ADC輸出的數字信號在FPGA中緩存后進(jìn)入DSP。在DSP內對信號進(jìn)行粗估，然后通過(guò)EMIF接口把轉化為頻率和相位控制字的粗估結果發(fā)給DDC。DDC做出調整后，通過(guò)FPGA把移頻和降采樣后的信號輸入給DSP。 DSP依據粗估結果和DDC的數據進(jìn)行實(shí)時(shí)測頻。測頻完畢后，通過(guò)PCI總線(xiàn)向PC機發(fā)出中斷信號。PC機響應中斷，讀取DSP內指定位置內存處的測頻數據。為簡(jiǎn)化PCI接口電路設計，選用帶有PCI接口電路的DSP芯片TMS320C6416。 2 TMS320C6416的PCI接口介紹 實(shí)時(shí)測頻卡通過(guò)TMS320C6416的PCI接口和主機進(jìn)行通信。該接口符合PCI 2.2規范，能提供33 MHz總線(xiàn)時(shí)鐘，32 b數據寬度，可達到峰值132 MB／s的數據帶寬。PCI接口包括配置寄存器、I／O寄存器和存儲器映射寄存器。圖2給出了部分PCI配置寄存器。配置寄存器的主要功能如下： (1)設備的識別、控制和狀態(tài)指示。將供應商ID域、設備ID域、版本域、配置頭類(lèi)型域、分類(lèi)代碼域這五個(gè)域用于識別設備。所有的PCI設備必須設置這些域，配置軟件可利用它們來(lái)確定系統中可用的PCI總線(xiàn)設備。對于TMS320C6416芯片而言，供應商ID為104CH；設備ID為A106H；其他三個(gè)域隨不同的應用會(huì )有所改變。命令寄存器為發(fā)出和響應PCI總線(xiàn)命令提供粗略的控制。狀態(tài)寄存器用于記錄PCI總線(xiàn)有關(guān)操作的狀態(tài)信息。 (2)中斷引腳寄存器的功能。01H～04H值對應于PCI中斷請求引腳INTA#～INTD#。 (3)基地址寄存器的功能。其功能是為PCI設備指定存儲空間。PCI存儲空間分為獨立尋址的Memory空間和I／O空間兩類(lèi)。Memory空間適用于設備功能寄存器較多或數據流量較大的場(chǎng)合，I／O空間適用于設備功能寄存器較少或數據流量較小的場(chǎng)合。PCI接口擁有3個(gè)基地址寄存器BAR用于保存指向PCI存儲空間的指針。圖2為部分PCI配置寄存器。 ①Base 0基地址寄存器(BAR0)。確定一個(gè)4 MB可預取的PC機內存地址空間。將DSP存儲空間中不同的4 MB空間都映射到PC機內存相同的4 MB空間中。由DSP頁(yè)寄存器(DSPP)設置該區域在。DSP存儲空間中的映射位置；用BAR0訪(fǎng)問(wèn)DSP內部的RAM和外掛的通過(guò)EMIFA和EMIFB訪(fǎng)問(wèn)的存儲器空間。訪(fǎng)問(wèn)時(shí)每次最多只能讀取DSP存儲空間的4 MB內容，并且需要定義DSPP寄存器，以指定訪(fǎng)問(wèn)空間的起始地址。訪(fǎng)問(wèn)支持數據突發(fā)傳輸模式。這種映射方式只適用于DSP處于從模式。 ②Base 1基地址寄存器(BAR1)：確定一個(gè)8 MB不可預取的訪(fǎng)問(wèn)區間。對DSP芯片而言，其訪(fǎng)問(wèn)地址固定在0180000H～0200000H的范圍內。用BARl來(lái)訪(fǎng)問(wèn)DSP內部所有的操作命令控制寄存器。 ③Base 2基地址寄存器(BAR2)：定義一個(gè)16 B的PC機I／O空間，用于訪(fǎng)問(wèn)PCI的I／O寄存器。BAR2加偏移00H，訪(fǎng)問(wèn)主機狀態(tài)寄存器HSR；BAR2加偏移04H，訪(fǎng)問(wèn)主機對DSP控制寄存器HDCR；BAR2加偏移08H，訪(fǎng)問(wèn)DSP頁(yè)寄存器DSPP。 3 WDM概述 WDM(Windows Driver Model)是一種遵循即插即用協(xié)議的內核模式驅動(dòng)程序，它是微軟的全新驅動(dòng)程序模式，旨在通過(guò)提供一種靈活的方式來(lái)簡(jiǎn)化驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)，在實(shí)現對新硬件支持的基礎上，減少并降低必須開(kāi)發(fā)的驅動(dòng)程序數量和復雜性。在WDM中，采用圖3所示的分層驅動(dòng)程序體系結構。 在WDM模型中，每個(gè)硬件設備至少有兩個(gè)驅動(dòng)程序：總線(xiàn)驅動(dòng)程序和功能驅動(dòng)程序�？偩�(xiàn)驅動(dòng)程序由操作系統實(shí)現，它在最底層直接與設備打交道，負責管理硬件與計算機的連接；負責發(fā)現總線(xiàn)上所有的設備，并檢測設備何時(shí)添加到總線(xiàn)上或何時(shí)從總線(xiàn)上刪除。設備功能驅動(dòng)程序在上層通過(guò)與低層驅動(dòng)程序打交道，進(jìn)行硬件操作，以實(shí)現PCI設備的功能。中間還可以有類(lèi)過(guò)濾驅動(dòng)程序或設備過(guò)濾驅動(dòng)程序用于修改和監視IRP(I／O請求包)，實(shí)現數據的過(guò)濾或轉換。一般在特殊的情況下才需要編寫(xiě)。在實(shí)際開(kāi)發(fā)中，只需要開(kāi)發(fā)一個(gè)設備功能驅動(dòng)程序即可。 WDM還引入了功能設備對象(Functional DeviceObject，FDO)與物理設備對象(Physical Device Object，PDO)來(lái)描述硬件。一個(gè)PDO對應一個(gè)真實(shí)的硬件，一個(gè)硬件只允許有一個(gè)PDO，卻可以有多個(gè)FDO。在驅動(dòng)程序中直接操作的不是硬件而是相應的PDO與FDO。當應用程序與WDM驅動(dòng)程序進(jìn)行通信時(shí)，系統為每一個(gè)用戶(hù)請求打包，形成一個(gè)I／O請求包(IRP)結構，將其發(fā)送到驅動(dòng)程序，并通過(guò)識別IRP中的PDO來(lái)區別是發(fā)送給哪一個(gè)設備。IRP從驅動(dòng)程序堆棧棧頂進(jìn)入，每層驅動(dòng)再把I／O請求劃分成更簡(jiǎn)單的請求，以傳給更下層的驅動(dòng)執行，最底層的驅動(dòng)程序在收到IRP后，通過(guò)硬件抽象層HAL與硬件發(fā)生作用，從而完成I／O請求工作。內核通常通過(guò)發(fā)送IRP來(lái)運行驅動(dòng)程序中的代碼。 4 測頻卡WDM驅動(dòng)程序實(shí)現 在微軟公司DDK工具的支持下，Compuware Nu-Mega公司提供Driver Studio工具包中的DriverWorks將WDM驅動(dòng)程序編寫(xiě)所需的對內核及對硬件的訪(fǎng)問(wèn)封裝成類(lèi)庫，加上驅動(dòng)程序代碼生成向導DriverlWizard，極大地簡(jiǎn)化了驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)難度。本文選擇DriverWorks作為WDM驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)工具。 測頻卡驅動(dòng)程序的主要功能是為用戶(hù)讀取所測信號的頻率參數，包括載頻、調制方式、碼元速率等。同時(shí)用戶(hù)還能通過(guò)驅動(dòng)程序發(fā)送命令對測頻卡的工作方式進(jìn)行控制。由此可知，驅動(dòng)程序要重點(diǎn)處理好硬件訪(fǎng)問(wèn)和中斷處理工作。 4.1 I／O訪(fǎng)問(wèn) 類(lèi)KIoRange封裝了對I／O端口的操作。本卡中PCI配置寄存器中的Base 2基地址寄存器定義了I／O空間。在OnstartDevice例程中取得I／O資源，并初始化，其函數實(shí)現如下： 完成初始化后，可以用成員函數inb，inw，ind從I／O端口讀一個(gè)(多個(gè))字節、字、雙字的數據；outb，outw，outd向I／O端口寫(xiě)一個(gè)(多個(gè))字節、字、雙字的數據。 4.2 內存訪(fǎng)問(wèn) 在Windows系統中，內存分為分頁(yè)內存和非分頁(yè)內存。在WDM驅動(dòng)程序中，對于硬件的內存映射一般需要用非分頁(yè)內存。因為在一些較高級別的例程中，使用分頁(yè)內存會(huì )造成系統產(chǎn)生缺頁(yè)中斷，從而引起死鎖。使用非分頁(yè)內存無(wú)需太多的轉換，非常安全，效率也高。類(lèi)KMemoryRange封裝了對PCI設備映射內存的操作。類(lèi)KMemoryRange成員函數的讀／寫(xiě)操作同類(lèi)KIoRange。由PCI配置寄存器中的Base 0和Base 1基地址寄存器分別定義了兩個(gè)內存空間。在OnstartDevice例程中取得內存資源并初始化，其函數實(shí)現如下： Status=m_MemoryRange0．Initialize(pResListTranslated，pResListRaw，PciConfig．BaseAddresslndexToOrdinal(0))； Status=m_MemoryRangel．Initialize(pResListTranslated，pResListRaw，PeiConfig．BaseAddresslndexToOrdinal(1))； 4.3 中斷處理 中斷處理一般需要聲明兩種類(lèi)實(shí)例：Klnterrupt和KDeferredCall。Kinterrupt類(lèi)用于實(shí)現硬件中斷處理；KDeferredCall類(lèi)用于實(shí)現延時(shí)過(guò)程調用。首先創(chuàng )建一個(gè)Klnterrupt類(lèi)實(shí)例m_Irq，將此實(shí)例作為設備類(lèi)的成員變量，然后創(chuàng )建一個(gè)KDeferredCall類(lèi)實(shí)例m_DpcFor_Irq。m_Irq對應的中斷服務(wù)例程和m_DpcFor_Irq對應的延時(shí)過(guò)程調用例程也需要在實(shí)例中聲明。這兩個(gè)實(shí)例m_Irq和m_DpcFor_Irq都是在OnstartDevice例程中初始化的，代碼如下： status=m_Irq．InifializeAndConnect(pResListTranslated，LinkTo(Isr_Irq)，This)； m_DpcFor_Irq．Setup(LinkTo(DpeFor_Irq)，this)； 中斷服務(wù)例程的處理時(shí)間應盡量短，對于一些耗時(shí)，但不需要立即處理的任務(wù)，中斷服務(wù)程序會(huì )調用一個(gè)低于中斷服務(wù)程序DIRQL級別的延遲過(guò)程調用程序DPC，在DISPATCH_LEVEL上完成處理，這個(gè)級別上的限制較少，函數調用也相對比較方便。在中斷服務(wù)例程中，首先判斷中斷是否是自己設備產(chǎn)生的，若不是，返回FALSE；若是，進(jìn)行必要的處理，請求一個(gè)DPC(延時(shí)過(guò)程調用)，然后返回TRUE。關(guān)鍵代碼如下： 在延時(shí)過(guò)程調用例程DpcFor_Irq中，讀取所測信號的頻率參數： 5 驅動(dòng)程序與應用程序之間的通信 雖然驅動(dòng)程序是為設備的硬件層編程服務(wù)的，但同樣需要提供和應用程序進(jìn)行通信的能力，從而最終達到應用程序控制設備的目的。應用程序與驅動(dòng)程序之間的通信通過(guò)調用Win32 API來(lái)實(shí)現，應用程序用Creatfile函數通過(guò)已經(jīng)定義的設備接口來(lái)獲取驅動(dòng)程序文件句柄，然后將文件句柄作為其他Win32 API函數的一個(gè)參數，對驅動(dòng)程序的進(jìn)行數據操作。調用DeviceloControl進(jìn)行數據量較小的，如控制指令傳輸或端口、寄存器訪(fǎng)問(wèn)；調用ReadFile，WriteFile等函數進(jìn)行數據量較大的傳輸，如內存讀／寫(xiě)等。驅動(dòng)程序與應用程序的通信有DeviceControl異步完成、共享Win32事件通知兩種方式。Win32事件通知是由應用程序創(chuàng )建了一個(gè)事件后，設置事件的狀態(tài)為Unsignal，然后直接將該事件句柄傳遞給驅動(dòng)程序，等待驅動(dòng)程序發(fā)送事件通知。驅動(dòng)程序通過(guò)類(lèi)Kevent獲取這個(gè)事件的一個(gè)對象指針后，在IRQL≤DISPATCH_LEVEL級別的例程中設置事件信號狀態(tài)為Signal來(lái)通知應用程序進(jìn)行后續處理。 6 結語(yǔ) 基于上述的硬件結構和驅動(dòng)程序設計方法，成功開(kāi)發(fā)了一款實(shí)時(shí)測頻卡，在實(shí)際中得到了很好的應用，板卡工作正常，達到了預期效果。實(shí)踐證明，DriverWorks是一款功能強大，使用方便的驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)工具，利用它可以方便快捷地構造PCI設備的驅動(dòng)程序框架，大大加快了開(kāi)發(fā)周期，提高了開(kāi)發(fā)效率。 |
