PCI設(shè)備Windows通用驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)和使用PCI設(shè)備時(shí)，經(jīng)常要在PC機(jī)的軟件中訪問(wèn)和控制硬件設(shè)備，但Windows操作系統(tǒng)(包括Windows 95/98、Windows NT、Windows 2000)為了保證系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可移植性，對(duì)應(yīng)用程序訪問(wèn)硬件資源加以限制，這就要求設(shè)計(jì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序以實(shí)現(xiàn)PC機(jī)的軟件對(duì)PCI設(shè)備的訪問(wèn)。
　　Windows下的驅(qū)動(dòng)程序不僅僅包括物理設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，也包括為文件系統(tǒng)等非物理設(shè)備編寫的虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，下面只討論硬件物理設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。本文將以“通用高速PCI總線目標(biāo)模塊”[1]的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)為例，探討PCI設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)方案。我們開發(fā)了一套通用的PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，它可以完成一般PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)所需的功能，可以作為其它PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)的框架。
1 驅(qū)動(dòng)程序的模式和開發(fā)工具的選擇
　　設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是指管理某個(gè)外圍設(shè)備的一段代碼。驅(qū)動(dòng)程序不會(huì)獨(dú)立地存在，而是操作系統(tǒng)的一部分。通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，多個(gè)進(jìn)程可以同時(shí)使用這些資源，從而可以實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程并行運(yùn)行。在下文中，將調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的PC機(jī)程序稱為用戶程序。
　　Windows 95和Windows NT采用的驅(qū)動(dòng)程序體系不同，所以大多數(shù)情況下驅(qū)動(dòng)程序也不能通用。如果設(shè)備需要在Windows 9x/NT下使用，一般至少要設(shè)計(jì)Windows 9x和Windows NT兩個(gè)驅(qū)動(dòng)程序版本。Windows 98 可以兼容Windows 95的驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)它又推出一個(gè)新的Win32 Drivers Mode(WDM)驅(qū)動(dòng)類型。Windows 98中有些設(shè)備(如USB設(shè)備)的驅(qū)動(dòng)程序必須為WDM模式。這個(gè)新的類型實(shí)際是在Windows NT的驅(qū)動(dòng)模型的基礎(chǔ)上增加了即插即用等內(nèi)容。WDM驅(qū)動(dòng)也可以用在Windows 2000(先前叫Windows NT 5.0)中。從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度看。今后開發(fā)人員只要開發(fā)WDM驅(qū)動(dòng)就可以了，但從目前的市場(chǎng)情況來(lái)看，Windows 95是無(wú)法放棄的，所以WDM在近一兩年還無(wú)法替代其它類型的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。
　　Intel 80386以上的微處理器有4個(gè)優(yōu)先級(jí)別：0級(jí)、1級(jí)、2級(jí)和3級(jí)，一般操作系統(tǒng)運(yùn)行于優(yōu)先級(jí)0級(jí)上，而用戶程序運(yùn)行在3級(jí)上，在對(duì)硬件操作上有一些限制(具體的限制在不同的操作系統(tǒng)中是不同的)。Windows 95支持的驅(qū)動(dòng)類型很多，但針對(duì)一般硬件設(shè)備而言，主要是VxD和打印機(jī)驅(qū)動(dòng)兩類。VxD指的是Virtual Device Drivers。VxD運(yùn)行在Intel系統(tǒng)的0級(jí)上，可以執(zhí)行特權(quán)級(jí)指令，對(duì)任何I/O設(shè)備有全部訪問(wèn)權(quán)，所以大多數(shù)硬件驅(qū)動(dòng)程序都是VxD。VxD驅(qū)動(dòng)通常以.vxd為擴(kuò)展名，放在WindowsSystem目錄下，可以在Windows 95啟動(dòng)時(shí)裝入，也可以在程序運(yùn)行時(shí)根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)地載入。動(dòng)態(tài)加載有助于節(jié)約系統(tǒng)內(nèi)存和資源。但打印機(jī)驅(qū)動(dòng)程序不是VxD，它運(yùn)行在3級(jí)上。同Windows 95類似，Windows NT的驅(qū)動(dòng)也有可以運(yùn)行在0級(jí)的內(nèi)核模式(Kernel Mode)和運(yùn)行在3極的用戶模式(User Mode)之分。由于Windows NT禁止用戶模式的程序訪問(wèn)I/O端口(Windows 95/98則允許用戶程序直接訪問(wèn)I/O端口)，直接控制物理設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序都是內(nèi)核模式的。而我們?cè)O(shè)計(jì)的PCI通用驅(qū)動(dòng)程序要求對(duì)各種硬件資源訪問(wèn)，所以應(yīng)該選擇工作在0級(jí)的驅(qū)動(dòng)程序模式。
　　開發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)采用的主要開發(fā)工具是微軟為設(shè)備開發(fā)者提供的軟件包Device Driver Kit(DDK)。這個(gè)軟件包包括有關(guān)設(shè)備開發(fā)的文檔、編譯需要的頭文件和庫(kù)文件、調(diào)試工具和程序范例。在DDK中還定義了一些設(shè)備驅(qū)動(dòng)可以調(diào)用的系統(tǒng)底層服務(wù)，象DMA服務(wù)、中斷服務(wù)、內(nèi)存管理服務(wù)、可安裝文件系統(tǒng)服務(wù)等等。這些都是編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)所必須的。但Windows 95的DDK由于主要使用匯編語(yǔ)言描述。開發(fā)起來(lái)比較困難。因此，我們?cè)赪indows 95操作系統(tǒng)中同時(shí)采用了Numega公司的產(chǎn)品VtoolsD。VtoolsD是基于C/C++的，支持Borland C++和Visual C++，使用和維護(hù)都較Windows 95 DDK容易。
2 PCI驅(qū)動(dòng)程序的特點(diǎn)
　　在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序之前，首先要對(duì)欲控制的硬件設(shè)備進(jìn)行細(xì)致地分析，更需要詳細(xì)了解硬件設(shè)備的特性。硬件設(shè)備的特性會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)產(chǎn)生重大的影響。需要了解的最主要的硬件特性包括：
　　(1)設(shè)備的總線結(jié)構(gòu)
　　設(shè)備采用什么總線結(jié)構(gòu)非常關(guān)鍵，因?yàn)椴煌目偩€類型(如ISA和PCI)在許多硬件工作機(jī)制上是不同的，所以驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)也不同。
　　(2)寄存器
　　要了解設(shè)置的控制寄存器、數(shù)據(jù)寄存器和狀態(tài)寄存器，以及這些寄存器工作的特性。
　　(3)設(shè)備錯(cuò)誤和狀態(tài)
　　要了解如何判斷設(shè)備的狀態(tài)和錯(cuò)誤信號(hào)，這些信號(hào)要通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序返回給用戶。
　　(4)中斷行為
　　要了解設(shè)備產(chǎn)生中斷的條件和使用中斷的數(shù)量。
　　(5)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制
　　最常見的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制是通過(guò)I/O端口(port)，也就是通過(guò)CPU的IN/OUT指令進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。PC的另一種重要的傳輸機(jī)制是DMA，但PCI規(guī)范不包括從屬DMA的說(shuō)明。
　　(6)設(shè)備內(nèi)存
　　許多設(shè)備自身帶有內(nèi)存，PCI設(shè)備大多是采用映射的方式映射到PC系統(tǒng)的物理內(nèi)存。有的設(shè)備還要通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)置設(shè)備的接口寄存器。
　　有關(guān)驅(qū)動(dòng)程序的加載和響應(yīng)用戶請(qǐng)求的內(nèi)容，在DDK文檔中有規(guī)定，所以設(shè)計(jì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要的面臨問(wèn)題是如何進(jìn)行硬件操作，這是根據(jù)設(shè)備的不同而不同的。而硬件驅(qū)動(dòng)程序的功能雖然千差萬(wàn)別，但基本功能就是完成設(shè)備的初始化、對(duì)端口的讀寫操作、中斷的設(shè)置、響應(yīng)和調(diào)用以及對(duì)內(nèi)存的直接讀寫。如前面所說(shuō)，Windows 9x和Windows NT的操作系統(tǒng)模型不同，但驅(qū)動(dòng)程序所要完成的工作卻是相同的，所以下面以Windows 9x為主進(jìn)行介紹，僅在需要的地方指出兩個(gè)操作系統(tǒng)的不同。
　　下面從這幾方面討論解決這些問(wèn)題的途徑：
　　(1)設(shè)備初始化
　　PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序要實(shí)現(xiàn)識(shí)別PCI器件、尋址PCI器件的資源和對(duì)PCI器件中斷的服務(wù)。PCI系統(tǒng)BIOS功能提供了BIOS的訪問(wèn)與控制的具體特征，所有軟件(設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、擴(kuò)展ROM碼)將通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)中斷號(hào)1AH調(diào)用BIOS功能訪問(wèn)特殊部件。PCI BIOS規(guī)范有完整的有關(guān)PCI BIOS功能的描述[3]。
　　在PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的初始化過(guò)程中，利用指定器件識(shí)別號(hào)(device_id)、廠商識(shí)別號(hào)(vendor_id)、檢索號(hào)(index)搜索PCI器件，通過(guò)調(diào)用PCI BIOS確認(rèn)其存在，并確定其物理位置：總線號(hào)、器件號(hào)和功能號(hào)，這是該器件/功能在系統(tǒng)中的唯一尋址標(biāo)志。利用總線號(hào)、器件號(hào)和功能號(hào)可以尋址該器件/功能的PCI配置空間(configuration space)。
　　接下來(lái)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)就需要從配置空間獲得硬件的參數(shù)。PCI設(shè)備的許多參數(shù)，包括所用的中斷號(hào)，端口地址的范圍(I/O)方式、存儲(chǔ)器的地址(存儲(chǔ)器映射方式)等，都可以從PCI配置空間的各基址所對(duì)應(yīng)的尋址空間中得到。讀寫配置空間可以調(diào)用BIOS中斷1AH，
　　也可以先向配置空間地址寄存器(0CF8H)寫入總線和設(shè)備號(hào)(在前面搜索PCI器件時(shí)得到的)和寄存器號(hào)，再對(duì)配置空間數(shù)據(jù)寄存器(0CFCH)進(jìn)行讀寫。對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)來(lái)說(shuō)，最重要的是獲得基址寄存器(BADR)，不能認(rèn)為PCI器件資源總是設(shè)計(jì)設(shè)備時(shí)設(shè)置的初值，系統(tǒng)可能會(huì)根據(jù)硬件情況為PCI設(shè)備分配新的資源。我們所設(shè)計(jì)的PCI設(shè)備使用的基址1－3都是按I/O空間映射的，而基址4是按內(nèi)存方式映射的。確定一個(gè)端口是按什么方式映射的，可以讀對(duì)應(yīng)端口的配置寄存器(Configuration Register)。讀出后，判斷其0位，如果0位為數(shù)值0，表示其是按內(nèi)存方式設(shè)置的，否則為I/O方式設(shè)置的。內(nèi)存方式和I/O方式的配置寄存器的含義參見文獻(xiàn)[3]。如果要獲得基址的大小，可以向基址寄存器寫入FFFFH，然后讀基址寄存器，如果是內(nèi)存方式，從第4位開始的0的數(shù)目表示基址的大小，如果是I/O方式，則從第2位開始的0的數(shù)目表示基址的大小。
　　在Windows NT下，查找PCI設(shè)備的工作是由HalGetBusData完成的，也可以使用前述的辦法讀取配置寄存器，但DDK推薦使用HaiGetBusDataOffset函數(shù)。
　　(2)端口操作
　　在PC機(jī)上，I/O端口尋址空間和內(nèi)存尋址空間是不同的，所以處理方法也不同。I/O空間是一個(gè)64K字節(jié)的尋址空間，它不象內(nèi)存有實(shí)模式和保護(hù)模式之分，在各種模式下尋址方式相同。在Windows 9x下，用戶程序可以直接使用I/O指令，而不一定非通過(guò)專門的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)完成，所以如果軟件對(duì)硬件的操作完全是通過(guò)I/O端口操作來(lái)完成的，甚至可以不用專門設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序，直接由應(yīng)用程序來(lái)完成對(duì)硬件的控制。由于PCI總線是32位的總線標(biāo)準(zhǔn)，在進(jìn)行I/O操作時(shí)通常要進(jìn)行雙字(DWORD)操作，而且以前大多數(shù)C/C++編譯軟件都沒有提供雙字的函數(shù)，所以需要構(gòu)造雙字操作讀寫函數(shù)inpd/outpd。
　　在Windows NT下，系統(tǒng)不允許處于優(yōu)先級(jí)3級(jí)的用戶程序和用戶模式驅(qū)動(dòng)程序直接使用I/O指令，如果使用了I/O指令將會(huì)導(dǎo)致特權(quán)指令意外(privileged instruction exception)。所以任何對(duì)I/O的操作都需要借助內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)來(lái)完成。具體的做法有兩種：一是在驅(qū)動(dòng)程序中使用IoReportResourceUsage報(bào)告資源占用，然后使用READ_PORT_XXX、WRITE_PORT_XXX函數(shù)讀寫，最后使用IoReportResourceUsage取消資源占用；另一種是驅(qū)動(dòng)程序修改NT的I/OPermissions Map (IOPM)，以使系統(tǒng)允許用戶程序?qū)χ付ǖ腎/O端口進(jìn)行操作，這時(shí)用戶程序采用通常的I/O指令進(jìn)行操作。后者的優(yōu)點(diǎn)是速度快、用戶程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但犧牲了移植性，程序不能移植到非Intel的系統(tǒng)中，而且如果多個(gè)程序同時(shí)讀寫同一端口容易導(dǎo)致沖突。
　　(3)內(nèi)存的讀寫
　　Windows工作在32位保護(hù)模式下，保護(hù)模式與實(shí)模式的根本區(qū)別在于CPU尋址方式上的不同，這也是Windows驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)中需要著重解決的問(wèn)題。Windows采用了分段、分頁(yè)機(jī)制(圖1)，這樣使應(yīng)用程序產(chǎn)生一種錯(cuò)覺，好象程序中可以使用非常大的物理存儲(chǔ)空間。這樣做最大的好處就是一個(gè)程序可以很容易地在物理內(nèi)存容量不一樣的、配置范圍差別很大的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，編程人員使用虛擬存儲(chǔ)器可以寫出比任何實(shí)際配置的物理存儲(chǔ)器都大得多的程序。每個(gè)虛擬地址由16位的段選擇子和32位段偏移量組成。通過(guò)分段機(jī)制，系統(tǒng)由虛擬地址產(chǎn)生線性地址。再通過(guò)分頁(yè)機(jī)制，由線性地址產(chǎn)生物理地址。線性地址被分割成頁(yè)目錄(Page Directory)、頁(yè)表(Page Table)和頁(yè)偏移(Offset)三個(gè)部分。當(dāng)建立一個(gè)新的Win32進(jìn)程時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)為它分配一塊內(nèi)存，并建立它自己的頁(yè)目錄、頁(yè)表，頁(yè)目錄的地址也同時(shí)放入進(jìn)程的現(xiàn)場(chǎng)信息中。當(dāng)計(jì)算一個(gè)地址時(shí)，系統(tǒng)首先從CPU控制器CR3中讀出頁(yè)目錄所在的地址，然后根據(jù)頁(yè)目錄得到頁(yè)表所在的地址，再根據(jù)頁(yè)表得到實(shí)際代碼/數(shù)據(jù)頁(yè)的頁(yè)幀，最后再根據(jù)頁(yè)偏移訪問(wèn)特定的單元。硬件設(shè)備讀寫的是物理內(nèi)存，但應(yīng)用程序讀寫的是虛擬地址，所以存在著將物理內(nèi)存地址映射到用戶程序線性地址的問(wèn)題。

從物理地址到線性地址的轉(zhuǎn)換工作也是由驅(qū)動(dòng)程序來(lái)完成的。在Windows 95下，使用DDK的VMMCall_MapPhysToLinear進(jìn)行地址映射。驅(qū)動(dòng)程序的內(nèi)存映射部分主要是調(diào)用VxD的系統(tǒng)服務(wù)MapPhysToLinear。在VtoolsD中這個(gè)函數(shù)的定義如下：
　　PVOID MapPhysToLinear(CONST VOID * PhysAddr，DWORD nBytes，DWORD Flags)；
　　其中第一個(gè)參數(shù)PhysAddr就是要映射的內(nèi)存的物理地址的起始位置，而nBytes是內(nèi)存區(qū)域的長(zhǎng)度，F(xiàn)lags必須設(shè)置為0。這個(gè)函數(shù)返回的就是這段物理地址映射的線性內(nèi)存地址。如果指定的內(nèi)存不能存取，函數(shù)將返回FFFFFFFFH。
　　比如要映射物理內(nèi)存ED000000H開始的4096個(gè)字節(jié)，可以這樣做：
　　PCHAR *PointerToPage＝(PCHAR)MapPhysToLinear((PVOID)OxED000000，4096，0)；
　　而將PointerToPage傳遞給調(diào)用驅(qū)動(dòng)的用戶程序，在用戶程序中使用
　　DWORD *pFIFOBodyBase＝(DWORD*)PointerToPage；
　　而這個(gè)pFIFOBodyBase指針就可以象普通的指針一樣進(jìn)行讀寫操作，而通過(guò)對(duì)這個(gè)指針的操作就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物理內(nèi)存ED000000H進(jìn)行讀寫。
　　在Windows NT下，首先調(diào)用IoReportResourceUsage請(qǐng)求使用設(shè)備的內(nèi)存。然后調(diào)用HalTranslateBusAddress轉(zhuǎn)換與總線相關(guān)的內(nèi)存為系統(tǒng)的物理內(nèi)存地址。再使用MmMapIoSpace把設(shè)備的內(nèi)存映射到虛擬空間。在設(shè)備驅(qū)動(dòng)卸出時(shí)，調(diào)用MmUnmapIoSpace斷開設(shè)備的內(nèi)存和虛擬空間的連接。
　　(4)中斷的設(shè)置、響應(yīng)與調(diào)用
　　對(duì)中斷的設(shè)置、響應(yīng)與調(diào)用應(yīng)該在驅(qū)動(dòng)程序中完成。
　　對(duì)中斷的調(diào)用(象前面調(diào)用BIOS的1AH中斷讀取配置寄存空間)可以由DDK的Exec_Int完成。
　　PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)當(dāng)從PCI配置寄存器的中斷寄存器(INTLN)和中斷引腳寄存器(INTPIN)中獲得有關(guān)中斷的信息。DDK還提供了響應(yīng)中斷事件的服務(wù)。如在Windows 95中，VPICD服務(wù)用來(lái)管理所有硬件中斷事件。PC機(jī)的硬件中斷需要確定硬件中斷的IRQ，對(duì)一個(gè)特定的IRQ中斷源，VPICD或者提供缺省的中斷處理函數(shù)，或者允許其它VxD重載中斷處理函數(shù)。在VtoolsD中，要處理硬件中斷應(yīng)該從VHardwareInt繼承一個(gè)類。在這個(gè)類中，VtoolsD提供了編寫中斷響應(yīng)程序所需的功能。
　　在Windows NT中，同VPICD對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)為中斷請(qǐng)求層(IRQL)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)首先使用HalGetInterrupuVector將與總線有關(guān)的中斷向量轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)的中斷向量，然后利用IoConnectInterrupu指定中斷服務(wù)。
3 設(shè)備驅(qū)動(dòng)的調(diào)用
　　編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)并不是最終的目的，總是需要由用戶程序來(lái)調(diào)用驅(qū)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)一定的功能。一般調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)是使用CreateFile函數(shù)打開設(shè)備文件，得到一個(gè)文件句柄。具體到我們的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中，使用如下的語(yǔ)句就可以打開文件。
　　hVxD＝CreateFile(″\\.\PCIBIOS.VXD″，0，0，0，
　　CREATE_NEW，F(xiàn)ILE_FLAG_DELETE_ON_CLOSE，0)；
　　打開設(shè)備文件后，調(diào)用DeviceIoControl函數(shù)就可以同設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序交換數(shù)據(jù)了。
　　完成硬件操作之后，可以調(diào)用CloseHandle(h VxD)；關(guān)閉設(shè)備驅(qū)動(dòng)。
　　這種調(diào)用方式也是Windows NT調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)方法。對(duì)于VxD來(lái)說(shuō)還有其它的調(diào)用方式，如DPMI方式，但采用DeviceIoControl的方法可以保證程序在Windows NT和Windows 9x下的兼容性，在兩個(gè)操作系統(tǒng)下，僅有CreateFile語(yǔ)句是不同的。
4 設(shè)備驅(qū)動(dòng)的進(jìn)一步封裝
　　至此，完成了對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的初步設(shè)計(jì)。但考慮到在上面調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)時(shí)使用的DeviceIoControl函數(shù)仍是比較復(fù)雜的，程序也不太容易具有通用性。而且，在有些開發(fā)工具中，如Visual Basic，不包括直接讀寫I/O端口的語(yǔ)句，所以可以考慮根據(jù)不同軟件的需要對(duì)驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行不同的封裝。目前，我們實(shí)現(xiàn)了以DLL、ActiveX、VCL和C++類庫(kù)進(jìn)行封裝。DLL可以在大多數(shù)軟件環(huán)境中進(jìn)行調(diào)用。ActiveX可以在Visual Basic等可視編程環(huán)境中使用。VCL可以在Delphi和C++ Builder中使用。考慮到許多用戶使用Visual C++，所以也提供了C++類庫(kù)方式。