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PCI傳輸卡的WDM驅(qū)動程序設(shè)計
摘要：介紹了在Windows2000操作系統(tǒng)下，使用DriverStudio軟件編寫符合WDM模式的PCI數(shù)據(jù)傳輸卡驅(qū)動程序，并詳細分析了一個應(yīng)用實例。關(guān)鍵詞：PCI總線設(shè)備驅(qū)動程序WDM模式DriverStudio
ＰＣＩ總線規(guī)范是為提高微機總線的數(shù)據(jù)傳輸速度而制定的一種局部總線標準。在設(shè)計自行開發(fā)的基于ＰＣＩ總線的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備時，需要開發(fā)相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序。通常開發(fā)ＰＣＩ設(shè)備驅(qū)動程序有多種模式，在Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００環(huán)境下，主要采用ＷＤＭ模式。本文針對自行開發(fā)的基于ＰＣＩ總線的ＣＣＤ視頻信號傳輸控制卡，編寫了符合ＷＤＭ模式的驅(qū)動程序。
１ＷＤＭ模式驅(qū)動程序
１．１ＷＤＭ模式（ＷｉｎｄｏｗｓＤｒｉｖｅｒＭｏｄｅｌ）
Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００對驅(qū)動程序的編寫不再基于以往的Ｗｉｎ３．ｘ和Ｗｉｎ９ｘ下的ＶｘＤ（虛擬設(shè)備驅(qū)動程序）結(jié)構(gòu)，而是基于一種新的驅(qū)動模型——ＷＤＭ（ＷｉｎｄｏｗｓＤｒｉｖｅｒＭｏｄｅｌ）。
ＷＤＭ為Ｗｉｎｄｏｗｓ９８／２０００／ＸＰ操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計提供了統(tǒng)一的框架。ＷＤＭ來源于ＷｉｎｄｏｗｓＮＴ的分層３２位設(shè)備驅(qū)動程序模型（ｌａｙｅｒｅｄ３２－ｂｉｔｄｅｖｉｃｅｄｒｉｖｅｒｍｏｄｅｌ）。它支持更多的特性，如即插即用（ＰｎＰ）、電源管理、ＷＭＩ和ＮＴ事件。
１．２設(shè)備驅(qū)動程序
設(shè)備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)的一個組成部分，它由Ｉ／Ｏ管理器（Ｉ／ＯＭａｎａｇｅｒ）管理和調(diào)動。Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００操作系統(tǒng)下的Ｉ／Ｏ管理器功能描述如圖１所示。
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。驅(qū)動程序通過識別ＩＲＰ中的物理設(shè)備對象（ＰＤＯ）來區(qū)別是發(fā)送給哪一個設(shè)備。ＩＲＰ結(jié)構(gòu)中存放請求的類型、用戶緩沖區(qū)的首地址、用戶請求數(shù)據(jù)的長度等信息。驅(qū)動程序處理完這個請求后，在該結(jié)構(gòu)中填入處理結(jié)果的有關(guān)信息，調(diào)用ＩｏＣｏｍｐｌｅｔｅＲｅｑｕｅｓｔ將其返回給Ｉ／Ｏ管理器，用戶應(yīng)用程序的請求隨即返回。訪問硬件時，驅(qū)動程序通過調(diào)用硬件抽象層的函數(shù)實現(xiàn)。
１．３ＤｒｉｖｅｒＳｔｕｄｉｏ工具簡介
ＮｕＭｅｇａＬａｂ公司開發(fā)的ＤｒｉｖｅｒＳｔｕｄｉｏ是一整套開發(fā)、調(diào)試和檢測Ｗｉｎｄｏｗｓ平臺下設(shè)備驅(qū)動程序的工具軟件包。它把ＤＤＫ（ＤｅｖｉｃｅＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＫｉｔ）封裝成完整的Ｃ＋＋函數(shù)庫，根據(jù)具體硬件通過向?qū)煽蚣艽a，并且提供了一套完整的調(diào)試和性能測試工具ＳｏｆｔＩＣＥ、ＤｒｉｖｅｒＭｏｎｉｔｏｒ等。
２應(yīng)用實例
本文利用ＰＣＩ專用接口芯片ＰＣＩ９０５２設(shè)計了一個數(shù)據(jù)傳輸控制卡。卡上主要的芯片有ＰＣＩ９０５２、ＦＩＦＯ（ＣＹ７Ｃ４２２１）、ＣＰＬＤ（ＭＡＸ７０６４Ｓ）和Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器（ＭＡＸ１１９７）。傳輸卡硬件框圖如圖２所示。面陣ＣＣＤ得到的視頻信號經(jīng)過調(diào)理電路，生成的視頻調(diào)理信號通過Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器進行數(shù)字化處理，送入ＦＩＦＯ中。在ＣＰＬＤ的控制下，數(shù)據(jù)經(jīng)過ＰＣＩ９０５２送入ＰＣＩ總線，再傳送到計算機內(nèi)存中，并顯示在監(jiān)視器上。驅(qū)動程序必須實現(xiàn)如下幾個基本功能：（１）硬件中斷；（２）能支持應(yīng)用程序獲取數(shù)據(jù)；（３）能根據(jù)外部ＦＩＦＯ（ＣＹ７Ｃ４２２１）的狀態(tài)啟動或停止突發(fā)傳輸。
在數(shù)據(jù)輸入過程中，最重要的是對數(shù)據(jù)進行實時控制，因此需要硬件中斷。在中斷程序中，根據(jù)外部ＦＩＦＯ狀態(tài)完成數(shù)據(jù)的讀入。
２．１用ＤｒｉｖｅｒＷｉｚａｒｄ生成驅(qū)動程序框架
ＤｒｉｖｅｒＳｔｕｄｉｏ中的ＤｒｉｖｅｒＷｏｒｋｓ軟件為開發(fā)ＷＤＭ程序提供了一個完整的框架。它包含一個可快速生成ＷＤＭ驅(qū)動程序框架的代碼生成向?qū)Чぞ撸模颍椋觯澹颍祝椋幔颍洌疫�帶有許多類庫。在用ＤｒｉｖｅｒＷｉｚａｒｄ生成的程序框架中寫入相對于設(shè)備的特定代碼，編譯后即可得到所需的驅(qū)動程序。
在利用ＤｒｉｖｅｒＷｏｒｋｓＶ２．７的向?qū)В模颍椋觯澹颍祝椋幔颍渫瓿沈?qū)動程序的框架時共有１１個步驟，其中關(guān)鍵步驟有：
（１）在第四步中選中ＰＣＩ，并在ＶｅｎｄｏｒＩＤ和ＤｅｖｉｃｅＩＤ中分別輸入廠商號和設(shè)備號，還需填入ＰＣＩＳｕｂｓｙｓｔｅｍＩＤ和ＰＣＩＲｅｖｉｓｉｏｎＩＤ。這四項可以用網(wǎng)上的免費軟件ＰＣＩＴｒｅｅ或ＰＣＩＶｉｅｗ瀏覽ＰＣＩ設(shè)備，用這兩個軟件也可以得到ＢＡＲ０～ＢＡＲ５的資源分配情況和中斷號。
>（２）第七步ＩＲＰ隊列排隊方法，它決定了驅(qū)動程序檢查設(shè)備的方式。本設(shè)計選ＳｙｓｔｅｍＭａｎａｇｅｄ，則所有的ＩＲＰ排隊都由系統(tǒng)（即Ｉ／Ｏ管理器）完成。
（３）第九步是最關(guān)鍵的一步。首先在Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ中添加資源，在ｎａｍｅ中輸入變量名，在ＰＣＩＢａｓｅＡｄｄｒｅｓｓ中輸入０～５的序列號。０～５和ＢＡＲ０～ＢＡＲ５一一對應(yīng)。在設(shè)置中斷對話框中，在ｎａｍｅ欄寫入中斷服務(wù)程序的名稱，選中創(chuàng)建中斷服務(wù)程序ＩＳＲ?穴ＣｒｅａｔｅＩＳＲ?雪，不選創(chuàng)建延遲程序調(diào)用ＤＰＣ（ＣｒｅａｔｅＤＰＣ），選中ＭａｋｅＩＳＲ／ＤＰＣｃｌａｓｓｆｕｎｃｔｉｏｎｓ，使ＩＳＲ／ＤＰＣ成為設(shè)備類的成員函數(shù)。
其次選中Ｂｕｆｆｅｒ以選取讀寫方式，用于描述與Ｉ／Ｏ操作相關(guān)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。本設(shè)計需要快速傳送大量數(shù)據(jù)，因此采用ＤｉｒｅｃｔＩ／Ｏ方式。
（４）在第十步中，需要加入與應(yīng)用程序或者其他驅(qū)動程序通信的Ｉ／Ｏ控制代碼參量。
２．２驅(qū)動程序模塊框圖和代碼分布
ＰＣＩ設(shè)備驅(qū)動程序模塊包括配置空間的訪問模塊、ＩＯ端口模塊、內(nèi)存讀寫模塊和終端模塊等。各模塊之間是對等的。驅(qū)動程序模塊框圖如圖３所示。
驅(qū)動程序初始化模塊代碼段放在＃ｐｒａｇｍａｃｏｄｅ＿ｓｅｇ（″ＩＮＴ″）和＃ｐｒａｇｍａｃｏｄｅ＿ｓｅｇ（）之間。在系統(tǒng)初始化完成后，這部分代碼從內(nèi)存中釋放，防止占用系統(tǒng)寶貴的內(nèi)存資源。＃ｐｒａｇｍａｃｏｄｅ＿ｓｅｇ（）之后是驅(qū)動程序和系統(tǒng)的許多模塊的實現(xiàn)部分。這部分在驅(qū)動程序運行后不會從內(nèi)存中釋放。
２．３驅(qū)動程序主要模塊的實現(xiàn)
（1）配置空間的訪問模塊
ＤｒｉｖｅｒＷｏｒｋｓ的ＫＰｃｉＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ類封裝了訪問ＰＣＩ設(shè)備配置空間的所有操作。首先初始化這個類的實例：
ＫｐｃｉＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎＰｃｉＣｏｎｆｉｇ（）ｍ＿Ｌｏｗｅｒ．ＴｏｐＯｆＳｔａｃｋ（））；
／?觹ｍ＿Ｌｏｗｅｒ是ＫｐｎｐＬｏｗｅｒＤｅｖｉｃｅ類的對象。ｍ＿ＬｏｗｅｒＴｏｐＯｆＳｔａｃｋ（）返回當前設(shè)備堆棧頂部的設(shè)備對象。*/
初始化完后可以直接利用成員函數(shù)ＲｅａｄＨｅａｄｅｒ／ＷｒｉｔｅＨｅａｄｅｒ函數(shù)訪問所有的配置寄存器。
為了確定映射空間的類型和大小，先向目標基地址寄存器寫入０Ｘｆｆｆｆｆｆｆｆｈ，然后回讀該寄存器的值。如果最低位為１，表示映射于Ｉ／Ｏ空間，反之為存儲空間；如果映射于存儲空間，從第四位開始計算０的個數(shù)可以確定內(nèi)存空間的大小；如果是Ｉ／Ｏ方式，從第二位開始計算０的個數(shù)可確定Ｉ／Ｏ空間的大小，最大為２５６字節(jié)。如果設(shè)備的存儲空間超過２５６字節(jié)，要實現(xiàn)設(shè)備的整個存儲部分的訪問，就必須采用內(nèi)存映射。
（２）Ｉ／Ｏ操作模塊
Ｄｒｉｖｅｒｗｏｒｋｓ的ＫＩｏＲａｎｇｅ類封裝了Ｉ／Ｏ端口訪問的操作。部分代碼如下：
{……
ＫＩＯＲａｎｇｅＤｅｖＩｏＰｏｒｔ()；／／創(chuàng)建實例
ＮＴＳＴＡＴＵＳｓｔａｔｕｓ＝ＤｅｖＩｏＰｏｒｔ()．Ｉｎｉｔｉａｌｉｚｅ(ｐＲｅｓＬｉｓｔＴｒａｎｓｌａｔｅｄ，ｐＲｅｓＬｉｓｔＲａＷ，ＰｃｉＣｏｎｆｉｇ．ＢａｓｅＡｄｄｒｅｓｓＩｎｄｅｘＴｏＯｒｄｉｎａｌ(0))；
／*第一個參數(shù)為轉(zhuǎn)換后的資源列表指針；第二個參數(shù)為原始資源列表指針；第三個參數(shù)中的０為Ｉ／Ｏ口對應(yīng)的基地址，用來轉(zhuǎn)換成特定端口資源的序數(shù)?*／
Ｉｆ(ＮＴ＿ＳＵＣＣＥＳＳ(ｓｔａｔｕｓ))
{……
ＤｅｖＩｏＰｏｒｔ．ｉｎｂ(0,ＬｉｎｅＢｕｆ１,１０);
／*成功初始化后可分別用ＫＩｏＲａｎｇｅ類的成員函數(shù)ｉｎｂ(／ｏｕｔｂ)從端口中讀／寫字節(jié)*／
}
ｅｌｓｅ｛Ｉｎｖａｌｉｄａｔｅ()；ｒｅｔｕｒｎｓｔａｔｕｓ；
／*未能初始化成功，錯誤信息在ｓｔａｔｕｓ中*／
{
……}
(３)內(nèi)存讀寫模塊
ＤｒｉｖｅｒＷｏｒｋｓ的ＫＭｅｍｏｒｙＲａｎｇｅ類封裝了端口訪問的操作。
ｓｔａｔｕｓ＝ｍ＿ＭｅｍｏｒｙＲａｎｇｅ()．Ｉｎｉｔｉａｌｉｚｅ(ｐＲｅｓＬｉｓｔＴｒａｎｓｌａｔｅｄ，ｐＲｅｓＬｉｓｔＲａｗ，ＰｃｉＣｏｎｆｉｇ．ＢａｓｅＡｄｄｒｅｓｓＩｎｄｅｘＴｏＯｒｄｉｎａｌ(０))；
此函數(shù)的參數(shù)、意義及具體用法與Ｉ／Ｏ端口的操作基本相同。
內(nèi)存對象也用來發(fā)送控制字，以控制ＣＰＬＤ的開始和停止等
。實際上控制字是通過ＰＣＩ９０５２發(fā)送的。該控制字地址已被映射成ＰＣＩ的內(nèi)存空間。所以定義一個指向內(nèi)存空間的內(nèi)存對象，通過該對象即可發(fā)送控制字。
（４）中斷模塊
在中斷模塊，首先要激活ＰＣＩ９０５２中斷使能位，然后判斷硬件中斷響應(yīng)是否產(chǎn)生，如果有，則進行突發(fā)傳輸，讀入ＦＩＦＯ中的數(shù)據(jù)。
ＢＯＯＬＥＡＮＴｒａｎＣａｒｄ::Ｉｓｒ＿ＭｙＩｒｑ(ｖｏｉｄ)
{ｉｆ(／／中斷未產(chǎn)生)
{……
ｒｅｔｕｒｎＦＡＬＳＥ;}
ｅｌｓｅ
{／*如果產(chǎn)生硬件中斷，設(shè)置命令寄存器，進行突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸*／
ｒｅｔｕｒｎＴＲＵＥ;}
}
為了將硬件中斷與編寫的中斷服務(wù)程序連接在一起，采用ＩｎｉｔｉａｌｉｚｅＡｎｄＣｏｎｎｅｃｔ方法，部分代碼如下：
ＮＴＳＴＡＴＵＳＴｒａｎＣａｒｄＤｅｖｉｃｅ?押?押ＯｎＳｔａｒｔＤｅｖｉｃｅ(ＫＩｒｐＩ)
{……
ｓｔａｔｕｓ＝ｍ＿ＭｙＩｒｑ．ＩｎｉｔｉａｌｉｚｅＡｎｄＣｏｎｎｅｃｔ(
ｐＲｅｓＬｉｓｔＴｒａｎｌａｔｅｄ,
ＬｉｎｋＴｏ(Ｉｓｒ＿ＭｙＩｒｑ),
Ｔｈｉｓ;)
……}
２．４驅(qū)動程序的調(diào)用
編寫驅(qū)動程序本身不是最終目的，最終目的是調(diào)用驅(qū)動程序管理資源，并為用戶應(yīng)用程序使用。驅(qū)動程序加載以后，它的許多進程處于Ｉｄｌｅ狀態(tài)，實際上需要用戶應(yīng)用程序去調(diào)用激活。應(yīng)用程序利用Ｗｉｎ３２ＡＰＩ直接調(diào)用驅(qū)動程序，實現(xiàn)驅(qū)動程序和應(yīng)用程序的信息交互。
首先用ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ()打開設(shè)備，獲得一個指向設(shè)備對象的句柄。使用ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ函數(shù)時應(yīng)注意：由于驅(qū)動程序是*．ｓｙｓ，所以第一個參數(shù)應(yīng)該是這個設(shè)備對象的標志連接（ｓｙｍｂｏｌｉｃｌｉｎｋ）。該標志連接名有一個設(shè)置數(shù)據(jù)文件搜索路徑的數(shù)字號，而這個數(shù)字號通常是零。如果這個連接名是″ＴｒａｎＣａｒｄ″，則傳遞給ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ的宇符串就是：″＼＼＼＼．＼＼ＴｒａｎＣａｒｄ０″。例如：
ＨＡＮＤＬＥｈＤｅｖｉｃｅ＝ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ(″＼＼＼＼．＼＼ＴｒａｎＣａｒｄ０″)ＧＥＮＥＲＩＣ＿ＲＥＡＤ｜ＧＥＮＥＲＩＣ＿ＷＲＩＴＥ,ＦＩＬＥ＿ＳＨＡＲＥ＿ＲＥＡＤ,ＮＵＬＬ?,ＯＰＥＮ＿ＥＸＩＳＴＩＮＧ,0,ＮＵＬＬ);
然后用ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ()進行數(shù)據(jù)的傳送。最后用ＣｌｏｓｅＨａｎｄｌｅ（）關(guān)閉設(shè)備句柄。
下面是應(yīng)用ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ()程序片段。
{……
ｍ＿ｂ＝ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ(ｈＤｅｖｉｃｅ,ＴＲＡＮＣＡＲＤ＿ＩＯＣＴＬ＿
ＲＥＣＥＩＶＥ(ｂｕｆｆｅｒ,ｓｉｚｅｏｆ,ｂｕｆｆｅｒ,ＮＵＬＬ,0,＆ｂｕｆｆｅｒｓｉｚｅ，ＮＵＬＬ);
……}
２．５驅(qū)動程序的調(diào)試
采用ＳｏｆｔＩＣＥ、ＤｒｉｖｅｒＭｏｎｉｔｏｒ作為調(diào)試工具，基本調(diào)試過程如下：（１）使用ｓｙｍｂｏｌｌｏａｄｅｒ加載驅(qū)動程序，然后使用ＳｏｆｔＩＣＥ跟蹤調(diào)試，確認驅(qū)動程序正常加載；（２）對核心的中斷響應(yīng)程序代碼，用ＳｏｆｔＩＣＥ中的Ｇｅｎｉｎｔ命令產(chǎn)生虛擬中斷，單步跟蹤中斷；（３）硬件發(fā)送大量的數(shù)據(jù)，通過查看內(nèi)存的數(shù)據(jù)，確認數(shù)據(jù)傳輸是否正確。
在驅(qū)動程序的調(diào)試過程中，經(jīng)常出現(xiàn)系統(tǒng)“死機”、“藍屏”等現(xiàn)象，這些情況可能因內(nèi)存訪問分頁錯誤、設(shè)備資源和系統(tǒng)資源沖突、Ｉ／Ｏ使用錯誤、程序中“指針”使用錯誤等因素造成。
上述方案均調(diào)試通過。使用ＷＤＭ模式開發(fā)驅(qū)動程序，程序結(jié)構(gòu)清晰，開發(fā)周期較短，效率高。在ＰＣＩ從模式條件下，大數(shù)據(jù)量連續(xù)傳輸速度可達２８Ｍｂｐｓ以上。
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