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在我國的靶場(chǎng)測控領(lǐng)域，所有的數據交換都是基于簡(jiǎn)化版的HDLC規程進(jìn)行的，因此我們自行研制開(kāi)發(fā)了基于簡(jiǎn)化HDLC規程的通信卡。簡(jiǎn)化HDLC規程主要是為了提高通信的實(shí)時(shí)性，將HDLC規程中所有通信聯(lián)絡(luò )命令幀全部簡(jiǎn)化，只保留數據通信幀，從而保證一定的實(shí)時(shí)性。由于該卡具有可靠性高，使用簡(jiǎn)單方便，工作時(shí)具有智能化等特點(diǎn)，被廣泛地應用于測控系統數據傳送的各個(gè)領(lǐng)域中。同時(shí)，隨著(zhù)WindowsXP操作系統在測控系統逐漸應用，開(kāi)發(fā)通信卡WindowsXP驅動(dòng)程序勢在必行。因此，我們針對自行研制的通信卡開(kāi)發(fā)出了核心態(tài)的驅動(dòng)程序，經(jīng)過(guò)廣泛的用戶(hù)使用，普遍反映應用好。下面介紹該通信卡的設計以及驅動(dòng)程序的設計。 通信卡的硬件設計 1 通信卡的主要特點(diǎn) 通信卡的硬件設計目的是智能化通信:在卡上具有4個(gè)DMA通道及相應的數據緩沖存儲區。在數據的接收過(guò)程中，通信卡會(huì )自動(dòng)接收幀數據，判別幀長(cháng)度，在幀尾將接收到的幀數據提交系統。在發(fā)送數據過(guò)程中，系統只須把發(fā)送的數據提交給本卡，具體的發(fā)送過(guò)程由該卡自行完成，不因多路通信而使主機增加開(kāi)銷(xiāo)。該卡有內/外時(shí)鐘兩種工作方式，近距離可省去調制解調器，波特率為600b/s～64Kb/s，提供2路符合RS-232/CCITT V.24和RS-422A標準的接口信號。 2 通信卡的電路設計 圖1 通信卡框圖 通信卡組成框圖如圖1所示。其主要由DMA控制器、總線(xiàn)竟爭仲裁器、串行通信控制器、數據緩沖存儲器SRAM、存儲器I/O映像和物理地址產(chǎn)生器、總線(xiàn)接口及防護、波特率產(chǎn)生器、接口電路等單元電路組成。 DMA控制器作為通信卡的主設備，控制卡上的數據接收和發(fā)送（來(lái)自通信控制器和CPU），并負責仲裁優(yōu)先權。由于在進(jìn)行數據通信時(shí)，允許主機CPU訪(fǎng)問(wèn)本卡SRAM，且主機對其中某一路發(fā)控制命令時(shí)，不影響其余三路通信，這樣將會(huì )使主機CPU與本卡DMA竟爭本卡總線(xiàn)控制權。而總線(xiàn)上沒(méi)有給出主機CPU指令排隊狀態(tài)序列，故不能直接設計多主竟爭，因而在本卡總線(xiàn)上用門(mén)陣列設計了一個(gè)狀態(tài)機，不斷地監視總線(xiàn)爭用情況，完成本卡總線(xiàn)竟爭、仲裁功能。完成HDLC規程的串行通信的器件是INTEL8274多規程串行控制器，它能完成2個(gè)獨立的串行接收/發(fā)送全雙工通信。為了使4個(gè)信道在一幀數據的發(fā)送或接收過(guò)程中，主機不干預，故將發(fā)送的一幀數據在發(fā)送開(kāi)始前由CPU用批命令放入卡上的SRAM中；同樣，在接收過(guò)程中，卡上DMA將接收到的數據放入SRAM中，等一幀接收完成后，再用批命令取出，放入系統存儲器中�？ㄉ蟂RAM不占用主機內存地址，采用I/0映像，該適配器插入主機之后，主機通過(guò)系統I/O地址對其訪(fǎng)問(wèn)，這由地址產(chǎn)生器完成�？偩�(xiàn)接口包括數據收發(fā)器，數據開(kāi)關(guān)電路，讀、寫(xiě)及中斷等控制電路，地址譯碼等。波特率產(chǎn)生器提供了一個(gè)可編程的時(shí)鐘信號發(fā)生器，用戶(hù)可自行設置通信速率，供工作于內時(shí)鐘方式時(shí)使用。接口電路提供符合RS-232/CCITT V.24和RS-422A標準的接口信號。 3通信流程設計 如果要發(fā)送一幀數據，CPU用批命令將數據放到本卡SRAM中，然后設置相應的發(fā)送DMA通道。DMA通道是非自動(dòng)重裝方式，啟動(dòng)8274控制器發(fā)送，然后CPU就不需要管理，由卡上硬件自動(dòng)發(fā)送。 如果需要接收數據，啟動(dòng)接收通道。接收通路自動(dòng)搜索輸入信號，搜索到數據幀時(shí)，由卡上DMA控制器來(lái)管理，將接收的數據放入本卡SRAM中，并向CPU請求中斷，讀出數據。 4 總線(xiàn)竟爭設計 由于同時(shí)可進(jìn)行四路通信，且CPU可隨時(shí)對某一路發(fā)控制命令或訪(fǎng)問(wèn)卡上SRAM存儲器，就將出現CPU與本卡主設備DMA爭用本卡總線(xiàn)的狀況。由于ISA總線(xiàn)沒(méi)能給出CPU指令排隊狀態(tài)序列，這給總線(xiàn)仲裁帶來(lái)了困難，而本卡的總線(xiàn)竟爭、仲裁是由可編程邏輯器件設計的狀態(tài)機來(lái)完成的。狀態(tài)機使用一個(gè)4MHz信號作為時(shí)鐘，共設3種狀態(tài)： ① CPU控制狀態(tài)。 ② DMA控制狀態(tài)。 ③ 空閑狀態(tài)， CPU及DMA均未能得到控制權。 當狀態(tài)機檢測到無(wú)CPU及DMA申請總線(xiàn)使用權時(shí)，就進(jìn)入空閑狀態(tài)，而一旦CPU或DMA請求總線(xiàn)，狀態(tài)機立即將總線(xiàn)使用權交給CPU或DMA。如果正在CPU控制狀態(tài)期間，DMA申請總線(xiàn)使用權，狀態(tài)機仍然判定CPU控制總線(xiàn)，讓DMA處于等待，直到檢測CPU指令完成，狀態(tài)機才轉為DMA控制狀態(tài)。如果在DMA控制狀態(tài)時(shí)，CPU申請總線(xiàn)使用權，狀態(tài)機仍然判定DMA控制總線(xiàn)，讓CPU處于等待，直至DMA字節傳送完，狀態(tài)機轉為CPU控制狀態(tài)。CPU及DMA對總線(xiàn)的使用權是單個(gè)指令或字節傳送，不設置總線(xiàn)封鎖，因而CPU、DMA可頻繁交換使用權，不會(huì )出現等待時(shí)間過(guò)長(cháng)的現象。 通信卡的驅動(dòng)程序設計 1 設備驅動(dòng)程序的I/O模型 通信卡的驅動(dòng)程序是利用WindowsXP的DDK軟件開(kāi)發(fā)的標準的核心態(tài)設備驅動(dòng)程序。它使用統一的“文件”形式，用戶(hù)可以通過(guò)代表通信卡設備的文件名，在WIN32子系統中用文件操作函數來(lái)訪(fǎng)問(wèn)。該設備驅動(dòng)和程序可以根據用戶(hù)的需要，設置為自動(dòng)加載，或手動(dòng)加載，也可以動(dòng)態(tài)的加載該驅動(dòng)程序。通信卡的驅動(dòng)程序設計成為支持同步I/O模型，也可以為異步I/O模型。 2 發(fā)送數據I/O例程設計 在用戶(hù)態(tài)提交發(fā)送任務(wù)到核心態(tài)，由I/O管理程序負責調用驅動(dòng)程序，驅動(dòng)程序發(fā)送IRP交給硬件，假若當前發(fā)送器不忙，則具體的發(fā)送操作全部由發(fā)送器自行完成，而驅動(dòng)程序則返回已經(jīng)一個(gè)本幀可以發(fā)送的標志。具體的發(fā)送完成結果則可以在發(fā)送任務(wù)完成后查詢(xún)得到�？墒�，如果程序向當前設備發(fā)送器提交發(fā)送任務(wù)時(shí)，該發(fā)送器正在處理上一幀，那么則有兩種方法處理。 ① 立即方式：立即返回一個(gè)錯誤，當前設備忙，不能發(fā)送。 ②阻塞方式：I/O管理器程序會(huì )調度相應的異步處理例程，將當前的發(fā)送任務(wù)放進(jìn)任務(wù)隊列中，返回一個(gè)標志：I/O掛起，當前設備忙，發(fā)送任務(wù)提交任務(wù)隊列。驅動(dòng)程序會(huì )在發(fā)送器空閑時(shí)，提交任務(wù)隊列中的發(fā)送任務(wù)給發(fā)送器。完成發(fā)送任務(wù)后，將相關(guān)文件句柄設為有信號狀態(tài)，通知本次發(fā)送任務(wù)完成。 3接收數據I/O例程 接收數據例程采用客戶(hù)/服務(wù)器的模式設計。由于用戶(hù)的接收請求和硬件的接收并不是同步的，所以在設計中，為避免丟失數據，考慮創(chuàng )造一個(gè)專(zhuān)門(mén)的接收線(xiàn)程。這樣，同步用戶(hù)請求、接收線(xiàn)程、硬件層之間的通信就必須仔細地設計。圖2示意了用戶(hù)態(tài)接收請求、接收線(xiàn)程以及硬件層之間的通信同步。 圖2 用戶(hù)態(tài)接收請求、接收線(xiàn)程與硬件層之間的通信同步 ① 硬件層與接收線(xiàn)程之間通信 硬件層與接收線(xiàn)程之間通信的同步是通過(guò)同步事件對象來(lái)實(shí)現的。同步事件對象通常處于無(wú)信號狀態(tài)，只有當成功地接收到一幀時(shí)，才將該事件置為有信號狀態(tài)。接收線(xiàn)長(cháng)久等待同步事件對象，在沒(méi)有收到數據時(shí)，因同步事件對象處于無(wú)信號狀態(tài)而阻塞。當硬件檢測到數據時(shí)，實(shí)時(shí)中斷服務(wù)程序負責將同步事件對象置為有信號狀態(tài)，接收線(xiàn)程就會(huì )釋放阻塞。將通信卡SRAM上的接收數據讀進(jìn)接收線(xiàn)程緩沖區隊列，然后將同步事件對象置為無(wú)信號狀態(tài)，接收線(xiàn)程再次阻塞，等待接收下一幀數據。 ② 用戶(hù)層和接收線(xiàn)程之間的通信 當用戶(hù)提交接收任務(wù)時(shí)，由驅動(dòng)程序的調度程序讀取接收線(xiàn)程的緩沖區隊列，并將標志置為“空”，同時(shí)將緩沖隊列事件置為無(wú)信號狀態(tài)，并返回，如果緩沖區是空，則 ● 立即方式：立即返回無(wú)數據。 ● 阻塞方式：阻塞直到有數據隊列進(jìn)入。接收隊列的每個(gè)緩沖區都對應一個(gè)通知事件，如果接收線(xiàn)程將SRAM中的數據讀進(jìn)隊列，就將相應的通知事件置為有信號狀態(tài)，用戶(hù)請求就等待該通知事件，只要有數據在隊列中，就讀取返回，否則被阻塞。 4 硬中斷服務(wù)程序設計 通信卡在全雙工的通信中具有實(shí)時(shí)性，而且在較高的波特率，硬中斷非常多。為了防止高優(yōu)先級中斷過(guò)多地搶占CPU時(shí)間，設計中采用了實(shí)時(shí)中斷服務(wù)程序和延遲過(guò)程調用的方法。 在WindowsXP系統中，每個(gè)內核函數和過(guò)程都運行于特定的優(yōu)先級。較高優(yōu)先級的函數或事件可以搶占較低優(yōu)先級，反之則不然。實(shí)時(shí)中斷服務(wù)程序ISR運行于DIRQL級，具有較高的優(yōu)先級，它只能被更高級的硬中斷所搶占，不會(huì )對同級或較低優(yōu)先級的硬中斷的響應。所以，在實(shí)時(shí)中斷服務(wù)程序中，只做盡量少的必須工作，即讀出中斷向量，而將大量的數據傳送及處理等工作交給延遲過(guò)程DPC去完成。因為DPC過(guò)程運行于DISPATCH_LEVEL級，是相對較低的優(yōu)先級，它可以被任何級的硬中斷所搶占。這樣，既保證了硬中斷的及時(shí)響應，又提高了程序的性能。 5 驅動(dòng)程序入口例程 WindowsXP為每個(gè)核心態(tài)的驅動(dòng)程序提供了一個(gè)默認的標準入口點(diǎn)DriverEntry()。設計中，考慮到該例程運行于PASSIVE_LEVE級，系統只運行該例程一次就拋棄了，所以在驅動(dòng)程序中用到的重要數據、對象等都不能保存在DriverEntry（）例程中，必須在初始化過(guò)程中分配一塊NoPaged內存來(lái)保存。通信卡的驅動(dòng)程序的DriverEntry（）例程主要完成如下功能。 讀取Registry的硬件配置信息；聲明I/O地址、中斷等資源；創(chuàng )建代表通信卡的設備名MPSC，該名字對WIN32子系統是可見(jiàn)的；設置調度例程入口點(diǎn)；分配一塊NoPaged的內存，存儲重要信息；連接硬中斷，設置中斷服務(wù)程序；初始化線(xiàn)程、事件、信號燈、DPC等內核對象；返回狀態(tài)STATUS_SUCCESS。 如果在以上過(guò)程中遇到錯誤，則需要做以下工作：斷開(kāi)硬中斷；釋放硬件資源；將相關(guān)的錯誤信息打包，并記錄；返回錯誤信息。 6 設計驅動(dòng)程序中需要注意的問(wèn)題 于通信卡在應用中具有一定的實(shí)時(shí)性，為了克服中斷的不確定性，提高系統的性能，開(kāi)發(fā)了WindowsXP系統所有驅動(dòng)程序中最難的異步驅動(dòng)程序。在系統的內核開(kāi)發(fā)，異步模型I/O操作中，內核對象的同步十分復雜，細微的差錯都會(huì )導致系統徹底崩潰。在設計驅動(dòng)程序中需要注意以下問(wèn)題。 ● 在程序中用到的內核對象：事件、信號燈、線(xiàn)程以及轉鎖等，都必須將其存儲在Nopaged內存中，否則，會(huì )造成系統崩潰。 ● 在DPC例程中，如果要訪(fǎng)問(wèn)中斷服務(wù)程序ISR程序中用到端口地址，一定要將訪(fǎng)問(wèn)語(yǔ)句放在系統提供的同步例程中，這是因為當DPC例程訪(fǎng)問(wèn)該端口時(shí)，有可能被優(yōu)先級高的ISR例程所搶占，而造成數據錯誤。 ● 驅動(dòng)程序一定不要訪(fǎng)問(wèn)WIN32子系統的運行庫函數。 |
