基于PCI總線的實(shí)時(shí)測(cè)頻卡WDM驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)方案

PCI總線是一種與CPU無關(guān)的32／64位地址數(shù)據(jù)復(fù)用總線，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總線以其優(yōu)良性能和可適應(yīng)性成為現(xiàn)代微機(jī)的主流總線。在開發(fā)PCI設(shè)備的過程中，需要為PCI設(shè)備寫驅(qū)動(dòng)程序。Windows驅(qū)動(dòng)程序模型(WDM)是Microsoft公司力推的全新驅(qū)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(tái)上，WDM已成為主流的驅(qū)動(dòng)模型。這里主要介紹根據(jù)工程背景開發(fā)的基于PCI總線的實(shí)時(shí)測(cè)頻卡的WDM驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。

1實(shí)時(shí)測(cè)頻卡硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

實(shí)時(shí)測(cè)頻卡的主要功能是實(shí)時(shí)測(cè)定信號(hào)頻率，實(shí)時(shí)識(shí)別信號(hào)調(diào)制方式。系統(tǒng)的電路框圖如圖1所示。外部待測(cè)信號(hào)通過SMA接口進(jìn)入實(shí)時(shí)測(cè)頻卡的ADC。ADC輸出的數(shù)字信號(hào)在FPGA中緩存后進(jìn)入DSP。在DSP內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行粗估，然后通過EMIF接口把轉(zhuǎn)化為頻率和相位控制字的粗估結(jié)果發(fā)給DDC。DDC做出調(diào)整后，通過FPGA把移頻和降采樣后的信號(hào)輸入給DSP。 DSP依據(jù)粗估結(jié)果和DDC的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)頻。測(cè)頻完畢后，通過PCI總線向PC機(jī)發(fā)出中斷信號(hào)。PC機(jī)響應(yīng)中斷，讀取DSP內(nèi)指定位置內(nèi)存處的測(cè)頻數(shù)據(jù)。為簡(jiǎn)化PCI接口電路設(shè)計(jì)，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(cè)頻卡通過TMS320C6416的PCI接口和主機(jī)進(jìn)行通信。該接口符合PCI 2.2規(guī)范，能提供33 MHz總線時(shí)鐘，32 b數(shù)據(jù)寬度，可達(dá)到峰值132 MB／s的數(shù)據(jù)帶寬。PCI接口包括配置寄存器、I／O寄存器和存儲(chǔ)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(shè)備的識(shí)別、控制和狀態(tài)指示。將供應(yīng)商ID域、設(shè)備ID域、版本域、配置頭類型域、分類代碼域這五個(gè)域用于識(shí)別設(shè)備。所有的PCI設(shè)備必須設(shè)置這些域，配置軟件可利用它們來確定系統(tǒng)中可用的PCI總線設(shè)備。對(duì)于TMS320C6416芯片而言，供應(yīng)商ID為104CH；設(shè)備ID為A106H；其他三個(gè)域隨不同的應(yīng)用會(huì)有所改變。命令寄存器為發(fā)出和響應(yīng)PCI總線命令提供粗略的控制。狀態(tài)寄存器用于記錄PCI總線有關(guān)操作的狀態(tài)信息。

(2)中斷引腳寄存器的功能。01H～04H值對(duì)應(yīng)于PCI中斷請(qǐng)求引腳INTA#～I(xiàn)NTD#。

(3)基地址寄存器的功能。其功能是為PCI設(shè)備指定存儲(chǔ)空間。PCI存儲(chǔ)空間分為獨(dú)立尋址的Memory空間和I／O空間兩類。Memory空間適用于設(shè)備功能寄存器較多或數(shù)據(jù)流量較大的場(chǎng)合，I／O空間適用于設(shè)備功能寄存器較少或數(shù)據(jù)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(chǔ)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(yù)取的PC機(jī)內(nèi)存地址空間。將DSP存儲(chǔ)空間中不同的4 MB空間都映射到PC機(jī)內(nèi)存相同的4 MB空間中。由DSP頁寄存器(DSPP)設(shè)置該區(qū)域在。DSP存儲(chǔ)空間中的映射位置；用BAR0訪問DSP內(nèi)部的RAM和外掛的通過EMIFA和EMIFB訪問的存儲(chǔ)器空間。訪問時(shí)每次最多只能讀取DSP存儲(chǔ)空間的4 MB內(nèi)容，并且需要定義DSPP寄存器，以指定訪問空間的起始地址。訪問支持?jǐn)?shù)據(jù)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(yù)取的訪問區(qū)間。對(duì)DSP芯片而言，其訪問地址固定在0180000H～0200000H的范圍內(nèi)。用BARl來訪問DSP內(nèi)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(jī)I／O空間，用于訪問PCI的I／O寄存器。BAR2加偏移00H，訪問主機(jī)狀態(tài)寄存器HSR；BAR2加偏移04H，訪問主機(jī)對(duì)DSP控制寄存器HDCR；BAR2加偏移08H，訪問DSP頁寄存器DSPP。

3 WDM概述

WDM(Windows Driver Model)是一種遵循即插即用協(xié)議的內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)程序，它是微軟的全新驅(qū)動(dòng)程序模式，旨在通過提供一種靈活的方式來簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)，在實(shí)現(xiàn)對(duì)新硬件支持的基礎(chǔ)上，減少并降低必須開發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序數(shù)量和復(fù)雜性。在WDM中，采用圖3所示的分層驅(qū)動(dòng)程序體系結(jié)構(gòu)。



在WDM模型中，每個(gè)硬件設(shè)備至少有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)程序：總線驅(qū)動(dòng)程序和功能驅(qū)動(dòng)程序?？偩€驅(qū)動(dòng)程序由操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，它在最底層直接與設(shè)備打交道，負(fù)責(zé)管理硬件與計(jì)算機(jī)的連接；負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)總線上所有的設(shè)備，并檢測(cè)設(shè)備何時(shí)添加到總線上或何時(shí)從總線上刪除。設(shè)備功能驅(qū)動(dòng)程序在上層通過與低層驅(qū)動(dòng)程序打交道，進(jìn)行硬件操作，以實(shí)現(xiàn)PCI設(shè)備的功能。中間還可以有類過濾驅(qū)動(dòng)程序或設(shè)備過濾驅(qū)動(dòng)程序用于修改和監(jiān)視IRP(I／O請(qǐng)求包)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的過濾或轉(zhuǎn)換。一般在特殊的情況下才需要編寫。在實(shí)際開發(fā)中，只需要開發(fā)一個(gè)設(shè)備功能驅(qū)動(dòng)程序即可。

WDM還引入了功能設(shè)備對(duì)象(Functional DeviceObject，F(xiàn)DO)與物理設(shè)備對(duì)象(Physical Device Object，PDO)來描述硬件。一個(gè)PDO對(duì)應(yīng)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(qū)動(dòng)程序中直接操作的不是硬件而是相應(yīng)的PDO與FDO。當(dāng)應(yīng)用程序與WDM驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行通信時(shí)，系統(tǒng)為每一個(gè)用戶請(qǐng)求打包，形成一個(gè)I／O請(qǐng)求包(IRP)結(jié)構(gòu)，將其發(fā)送到驅(qū)動(dòng)程序，并通過識(shí)別IRP中的PDO來區(qū)別是發(fā)送給哪一個(gè)設(shè)備。IRP從驅(qū)動(dòng)程序堆棧棧頂進(jìn)入，每層驅(qū)動(dòng)再把I／O請(qǐng)求劃分成更簡(jiǎn)單的請(qǐng)求，以傳給更下層的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行，最底層的驅(qū)動(dòng)程序在收到IRP后，通過硬件抽象層HAL與硬件發(fā)生作用，從而完成I／O請(qǐng)求工作。內(nèi)核通常通過發(fā)送IRP來運(yùn)行驅(qū)動(dòng)程序中的代碼。[!--empirenews.page--]
4測(cè)頻卡WDM驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)

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(qū)動(dòng)程序編寫所需的對(duì)內(nèi)核及對(duì)硬件的訪問封裝成類庫，加上驅(qū)動(dòng)程序代碼生成向?qū)riverlWizard，極大地簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)難度。本文選擇DriverWorks作為WDM驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)工具。

測(cè)頻卡驅(qū)動(dòng)程序的主要功能是為用戶讀取所測(cè)信號(hào)的頻率參數(shù)，包括載頻、調(diào)制方式、碼元速率等。同時(shí)用戶還能通過驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送命令對(duì)測(cè)頻卡的工作方式進(jìn)行控制。由此可知，驅(qū)動(dòng)程序要重點(diǎn)處理好硬件訪問和中斷處理工作。

4.1I／O訪問

類KIoRange封裝了對(duì)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(shù)實(shí)現(xiàn)如下：



完成初始化后，可以用成員函數(shù)inb，inw，ind從I／O端口讀一個(gè)(多個(gè))字節(jié)、字、雙字的數(shù)據(jù)；outb，outw，outd向I／O端口寫一個(gè)(多個(gè))字節(jié)、字、雙字的數(shù)據(jù)。

4.2內(nèi)存訪問

在Windows系統(tǒng)中，內(nèi)存分為分頁內(nèi)存和非分頁內(nèi)存。在WDM驅(qū)動(dòng)程序中，對(duì)于硬件的內(nèi)存映射一般需要用非分頁內(nèi)存。因?yàn)樵谝恍┹^高級(jí)別的例程中，使用分頁內(nèi)存會(huì)造成系統(tǒng)產(chǎn)生缺頁中斷，從而引起死鎖。使用非分頁內(nèi)存無需太多的轉(zhuǎn)換，非常安全，效率也高。類KMemoryRange封裝了對(duì)PCI設(shè)備映射內(nèi)存的操作。類KMemoryRange成員函數(shù)的讀／寫操作同類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(nèi)存空間。在OnstartDevice例程中取得內(nèi)存資源并初始化，其函數(shù)實(shí)現(xiàn)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實(shí)例：Klnterrupt和KDeferredCall。Kinterrupt類用于實(shí)現(xiàn)硬件中斷處理；KDeferredCall類用于實(shí)現(xiàn)延時(shí)過程調(diào)用。首先創(chuàng)建一個(gè)Klnterrupt類實(shí)例m_Irq，將此實(shí)例作為設(shè)備類的成員變量，然后創(chuàng)建一個(gè)KDeferredCall類實(shí)例m_DpcFor_Irq。m_Irq對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)例程和m_DpcFor_Irq對(duì)應(yīng)的延時(shí)過程調(diào)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(yīng)盡量短，對(duì)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(diào)用一個(gè)低于中斷服務(wù)程序DIRQL級(jí)別的延遲過程調(diào)用程序DPC，在DISPATCH_LEVEL上完成處理，這個(gè)級(jí)別上的限制較少，函數(shù)調(diào)用也相對(duì)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(shè)備產(chǎn)生的，若不是，返回FALSE；若是，進(jìn)行必要的處理，請(qǐng)求一個(gè)DPC(延時(shí)過程調(diào)用)，然后返回TRUE。關(guān)鍵代碼如下：



在延時(shí)過程調(diào)用例程DpcFor_Irq中，讀取所測(cè)信號(hào)的頻率參數(shù)：



5驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用程序之間的通信

雖然驅(qū)動(dòng)程序是為設(shè)備的硬件層編程服務(wù)的，但同樣需要提供和應(yīng)用程序進(jìn)行通信的能力，從而最終達(dá)到應(yīng)用程序控制設(shè)備的目的。應(yīng)用程序與驅(qū)動(dòng)程序之間的通信通過調(diào)用Win32 API來實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用程序用Creatfile函數(shù)通過已經(jīng)定義的設(shè)備接口來獲取驅(qū)動(dòng)程序文件句柄，然后將文件句柄作為其他Win32 API函數(shù)的一個(gè)參數(shù)，對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。調(diào)用DeviceloControl進(jìn)行數(shù)據(jù)量較小的，如控制指令傳輸或端口、寄存器訪問；調(diào)用ReadFile，WriteFile等函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)量較大的傳輸，如內(nèi)存讀／寫等。驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)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(yīng)用程序創(chuàng)建了一個(gè)事件后，設(shè)置事件的狀態(tài)為Unsignal，然后直接將該事件句柄傳遞給驅(qū)動(dòng)程序，等待驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送事件通知。驅(qū)動(dòng)程序通過類Kevent獲取這個(gè)事件的一個(gè)對(duì)象指針后，在IRQL≤DISPATCH_LEVEL級(jí)別的例程中設(shè)置事件信號(hào)狀態(tài)為Signal來通知應(yīng)用程序進(jìn)行后續(xù)處理。

6結(jié)語

基于上述的硬件結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)方法，成功開發(fā)了一款實(shí)時(shí)測(cè)頻卡，在實(shí)際中得到了很好的應(yīng)用，板卡工作正常，達(dá)到了預(yù)期效果。實(shí)踐證明，DriverWorks是一款功能強(qiáng)大，使用方便的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)工具，利用它可以方便快捷地構(gòu)造PCI設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序框架，大大加快了開發(fā)周期，提高了開發(fā)效率。