基于DSP的PCI驅(qū)動程序開發(fā)

0 引 言

計算機系統(tǒng)總是通過總線(Bus)實現(xiàn)相互間信息或數(shù)據(jù)交換的。這些定向的信息流和數(shù)據(jù)流在總線中流動，就形成計算機系統(tǒng)的各種操作，它能實現(xiàn)各種不同部件和設(shè)備之間的互連。

PCI總線廣泛使用在計算機中，一方面是因為該總線的數(shù)據(jù)吞吐量大，另一方面是因為該總線與具體的處理器無關(guān)。PCI總線的設(shè)計也使各種PCI外設(shè)卡可以直接插入PCI總線插槽中，而不需要考慮各種額外的特殊邏輯，在設(shè)計和使用PCI設(shè)備時，需要訪問和控制硬件設(shè)備，如存儲器讀寫、I／O端口訪問、中斷響應(yīng)等。

與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)(Industry Standard Architecture，ISA)設(shè)備不同的是：PCI硬件設(shè)備資源的分配不是硬件設(shè)計所決定的，而是由Windows操作系統(tǒng)根據(jù)PC機中所有硬件設(shè)備對資源的占有統(tǒng)一分配的。為了保證系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可移植性，對應(yīng)用程序訪問硬件資源加以限制。這就要求設(shè)計設(shè)備驅(qū)動程序以跨越操作系統(tǒng)的邊界，對物理硬件進行操作。

1 DSP芯片中集成的PCI接口特點

1．1 PCI接口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

DM642片內(nèi)集成一個主／從模式的PCI接口，它相當(dāng)于專用的PCI接口芯片，這樣可以不必深究PCI總線規(guī)范，將工作重點放在系統(tǒng)功能的實現(xiàn)上。DSP可以通過這個接口實現(xiàn)與PCI主機的互連。

從圖1可以看出，PCI接口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括7個部分：

(1)PCI總線接口模塊(PCI Bus InteRFace Unit，PBIN)：該模塊對主／從模式下的總線交易都不會插入等待周期，可以實現(xiàn)最大的總線傳輸帶寬。

(2)E2PROM控制器模塊：控制器與外部的4線串行E2PROM相連。PCI接口復(fù)位時，控制器讀取E2PROM中的數(shù)據(jù)，配置PCI接口。DSP可以通過映射寄存器訪問E2PROM。

(3)DSP從模式寫模塊：包括一個多路復(fù)用器和一個PBIN到DSP的FIFO。它完成的功能是：外部PCI設(shè)備通過PCI接口寫數(shù)據(jù)到DSP從設(shè)備。外部主設(shè)備往DSP的Base0空間執(zhí)行寫操作時，PCI地址與DSPP寄存器中的固定偏移值結(jié)合，形成DSP目的地址，在傳輸過程中目的地址自動遞增。

(4)DSP從模式讀模塊：包括一個多路復(fù)用器和一個DSP到PBIN的FIFO。它完成的功能是：外部PCI設(shè)備通過PCI接口能夠從DSP從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)。在外部主設(shè)備從DSP的Base0空間執(zhí)行讀操作時，PCI地址與DSPP寄存器中的固定偏移值結(jié)合，形成DSP源地址，在傳輸過程中此地址自動遞增。

(5)DSP主模式模塊：包括讀／寫兩個子模塊，DSP是該模塊的主控方。DSP主模式讀這個子模塊，完成DSP主設(shè)備通過PCI接口從外部PCI從設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)。DSP主模式寫這個子模塊完成DSP主設(shè)備通過PCI接口寫數(shù)據(jù)到外部PCI從設(shè)備。

(6)PCI I／O接口模塊：它包括PCI的I／O寄存器，HSR，HDCR，DSPP。只能由PCI主機通過基址1寄存器或基址2寄存器的空間映射進行訪問。

(7)DSP寄存器接口模塊：包含DSP的映射寄存器，用于控制主模式接口，產(chǎn)生PCI中斷以及電源管理。

其他幾個模塊都與PCI總線接口模塊相連，而PCI總線接口模塊對外通過PCI總線與外部設(shè)備相連，這樣。DSP就可以通過主／從模式的讀或?qū)憗硗瓿膳c外部-設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。

1．2 PCI接口中的寄存器

PCI接口中包括3類寄存器：

(1)PCI配置寄存器：只能被外部PCI主機(Host)訪問。

這些寄存器提供了PCI接口的配置信息，只能由外部主機訪問，可以從外部E2PROM自動加載，或者直接設(shè)置為默認(rèn)值。

(2)PCI I／O寄存器：只能被外部PCI主機(Host)訪問。

PCI I／O寄存器只能由PCI主機通過基址l寄存器(Basel Address Register)或基址2寄存器(Base2Address Register)的空間映射進行訪問。

(3)映射在DSP外設(shè)空間的PCI寄存器，用于DSP控制PCI接口可以由外部PCI主機訪問，也可以由DSP訪問。

2 驅(qū)動程序設(shè)計

設(shè)備驅(qū)動程序提供連接到計算機硬件的軟件接口。它是操作系統(tǒng)的信任部分，由I／O管理器(I／O Manag-er)管理和調(diào)動。

用戶應(yīng)用程序以一種規(guī)范的方式訪問硬件，而不必考慮如何控制硬件。驅(qū)動程序總是使設(shè)備看起來像一個文件，可以打開設(shè)備的一個句柄，然后應(yīng)用程序可以在設(shè)備句柄最后關(guān)閉之前向驅(qū)動程序發(fā)出讀寫請求。

I／O管理器每收到一個來自用戶應(yīng)用程序的請求就創(chuàng)建一個I／O請求包(IRP)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并將其作為參數(shù)傳遞給驅(qū)動程序。

2．1 設(shè)備驅(qū)動程序的組成部分

可以把一個完整的驅(qū)動程序看作是一個容器，它包含許多例程。當(dāng)操作系統(tǒng)遇到一個I／O請求包(I／ORequest Packet，IRP)時，它就調(diào)用這個容器中的例程來執(zhí)行該IRP的各種操作。驅(qū)動程序包含以下幾個基本例程：

(1)DriverEntry例程：它是驅(qū)動程序的初始化入口點，必須叫作DriverEntry。它負(fù)責(zé)驅(qū)動程序的初始化，用來初始化驅(qū)動程序范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和資源。它主要有以下三個功能：設(shè)置Adddevice，Unload和其他例程的入口指針；可以從注冊表中獲取一些需要的信息以初始化驅(qū)動程序；初始化其他的在驅(qū)動程序范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和資源。所有的驅(qū)動程序都必須包含它。當(dāng)裝載驅(qū)動程序時，PnP管理器為每個驅(qū)動程序調(diào)用一次 DriverEntry例程。

(2)AddDevice例程：在驅(qū)動程序初始化以后，PnP管理器調(diào)用驅(qū)動程序的Add Device例程來初始化由該驅(qū)動程序所控制的設(shè)備。在Add Device例程中，驅(qū)動程序創(chuàng)建一個設(shè)備對象作為目標(biāo)設(shè)備，并將設(shè)備對象附著到設(shè)備堆棧中。

(3)PnP例程：PCI設(shè)備都是即插即用設(shè)備，PCI設(shè)備的驅(qū)動程序必須具備PnP例程。PnP管理器使用PnP例程來管理驅(qū)動程序啟動、停止和刪除設(shè)備。

(4)分發(fā)例程(Dispatch)：用于管理驅(qū)動程序與應(yīng)用程序之間的通信，從而實現(xiàn)應(yīng)用程序控制PCI設(shè)備的目的。

嚴(yán)格地說，驅(qū)動程序中只有“初始化”模塊Drivet-Entry例程是一定不能少的。在實際工作中，所有驅(qū)動程序都有分發(fā)例程處理用戶I／O請求。

2．2 IRP處理

I／O請求包(IRP)是驅(qū)動程序操作的中心，是一個預(yù)先定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，帶有一組對它進行操作的I／O管理器例程。一個IRP有固定的首部和可變數(shù)目的 IRP棧單元。IRP的固定部分含有IRP的固定屬性，每個棧單元含有大多數(shù)有關(guān)的IRP參數(shù)。當(dāng)IRP由多個驅(qū)動程序處理時，使用多個IRP棧單元。每個驅(qū)動程序從當(dāng)前IRP棧單元得到它的IRP參數(shù)。如果把IRP沿當(dāng)前設(shè)備的驅(qū)動程序棧向下傳遞，必須在當(dāng)前驅(qū)動程序中使用正確的參數(shù)設(shè)置下一個棧單元，然后在此驅(qū)動程序中利用函數(shù)IoCalldriver()調(diào)用更低層的驅(qū)動程序。驅(qū)動程序不必處理所有的IRP，但至少需要處理“創(chuàng)建”和“關(guān)閉”這兩個 IRP。I／O管理器接收I／O請求，然后在把它傳遞到合適的驅(qū)動程序棧中的最高驅(qū)動程序之前，分配并初始化IRP。驅(qū)動程序處理IRP的過程如圖2所示。

IRP首先到達最高層的驅(qū)動程序1，驅(qū)動程序1使用函數(shù)IoGetCurrentIrpStackLocation()獲得指向當(dāng)前棧單元的指針。

然后驅(qū)動程序1使用IoCallDriver()函數(shù)調(diào)用下一個驅(qū)動程序。I／O管理器現(xiàn)在改變“當(dāng)前IRF’棧單元”指針，所以驅(qū)動程序2看到向下的第二個IRP棧單元(驅(qū)動程序1為它設(shè)置的棧單元)。這個過程繼續(xù)，直到最底層的的驅(qū)動程序4收到這個IRP。

驅(qū)動程序4現(xiàn)在處理這個IRP。當(dāng)它完成IRP的處理時，驅(qū)動程序4調(diào)用IoCompleteRequest()函數(shù)。指示它已經(jīng)完成IRP的處理。IRP再沿設(shè)備棧向上傳遞，直到它最終彈出棧頂，回到用戶。

2．3 IRP的完成

當(dāng)一個驅(qū)動程序完成對IRP的處理時，它必須告訴I／O管理器，這稱為IRP完成。如下面代碼所示，必須設(shè)置IRP IoStatus域結(jié)構(gòu)中的幾個域。IoStatus，Status設(shè)置為一個NTSTATUS狀態(tài)碼，IoStatus．In-formation通常存儲傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)。如：

Irp一>loStatus．Status=S T ATUS_SUCCESS

Irp一>IoStatus．Information=info；

IoCompleteRequest(Irp，IO_NO_INCREMENT)；

調(diào)用IoCompleteRequest()表明低層驅(qū)動程序已經(jīng)完成了IRP的請求，并將這個IRP返回給I／O管理器。IO_No_INCREMENT是個系統(tǒng)定義的常量，指定啟動該IRP的優(yōu)先級，需要驅(qū)動程序快速處理。

3 驅(qū)動程序功能實現(xiàn)

當(dāng)把板卡第一次插到計算機的PCI插槽以后，計算機的系統(tǒng)總線會檢測到有個新設(shè)備沒有安裝驅(qū)動程序，并提示安裝驅(qū)動程序。正確地安裝驅(qū)動程序以后，用戶就可以在應(yīng)用程序中與驅(qū)動程序進行通信。

3．1 打開設(shè)備

在應(yīng)用程序中調(diào)用系統(tǒng)提供的函數(shù)CreateFile()。如果系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備名確實檢測到設(shè)備并成功打開了這個設(shè)備，則返回一個指向這個設(shè)備的有效句柄；如果調(diào)用失敗，則返回一個錯誤信息。

3．2 讀／寫設(shè)備

讀／寫設(shè)備包括讀／寫設(shè)備的配置空間、讀／寫設(shè)備的非配置空間，其中，非配置空間包括I／O空間、存儲空間。

設(shè)備被打開以后，應(yīng)用程序就調(diào)用DeviceloCon-trol()函數(shù)來達到訪問設(shè)備的目的。DeviceIoControl()函數(shù)有8個參數(shù)，其中第3個參數(shù)是應(yīng)用程序傳遞給驅(qū)動程序的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)地址，在這個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)存放的是應(yīng)用程序要讀寫的設(shè)備的空間、偏移量、長度，這些都需要在應(yīng)用程序中配置好。

這個調(diào)用由I／O系統(tǒng)服務(wù)接收。I／O管理器從這個請求構(gòu)造一個合適的I／O請求包(IRP)。在最簡單的情況下，I／O管理器只是把IRP傳遞給一個設(shè)備驅(qū)動程序，這個驅(qū)動程序調(diào)用硬件，并完成IRP的處理。I／O管理器把數(shù)據(jù)和結(jié)果返回給Win 32和用戶應(yīng)用程序?，F(xiàn)在一個分層的設(shè)備驅(qū)動程序棧是很常見的。每個驅(qū)動程序把該請求劃分為更簡單的請求。高層次的驅(qū)動程序調(diào)用低層次的驅(qū)動程序，最后，最低層的驅(qū)動程序與硬件直接打交道完成用戶的請求。I／O管理器把數(shù)據(jù)和結(jié)果返回給Win 32和用戶應(yīng)用程序。設(shè)備程序調(diào)用如圖3所示。

當(dāng)應(yīng)用程序讀／寫設(shè)備時，驅(qū)動程序工作的流程圖如圖4所示。

首先，獲取當(dāng)前IRP棧單元的指針；然后再讀取I／O控制代碼，判斷應(yīng)用程序想達到什么樣的目的：是讀／寫配置空間，還是讀／寫非配置空間，然后再調(diào)用相應(yīng)的處理程序。

4 結(jié) 語

這里采用微軟的驅(qū)動程序開發(fā)包Device Driver Kit(DDK)是因為它是其他幾種工具的基礎(chǔ)，它要求開發(fā)人員深刻了解驅(qū)動底層，雖然不易掌握，但開發(fā)出來的驅(qū)動程序通用性好，兼容性強。板卡與PC機的通信速度得到了很大的提高。

發(fā)布者：小宇