PCI传输卡的WDM驱动程序设计

　　摘要：介绍了在Windows2000操作系统下，使用DriverStudio软件编写符合WDM模式的PCI数据传输卡驱动程序，并详细分析了一个应用实例。

　　关键词：PCI总线 设备驱动程序 WDM模式 DriverStudio

　　PCI总线规范是为提高微机总线的数据传输速度而制定的一种局部总线标准。在设计自行开发的基于PCI总线的数据传输设备时，需要开发相应的设备驱动程序。通常开发PCI设备驱动程序有多种模式，在Windows2000环境下，主要采用WDM模式。本文针对自行开发的基于PCI总线的CCD视频信号传输控制卡，编写了符合WDM模式的驱动程序。

　　1 WDM模式驱动程序

　　1.1 WDM模式(Windows Driver Model)

　　Windows2000对驱动程序的编写不再基于以往的Win3.x和Win9x下的VxD(虚拟设备驱动程序)结构，而是基于一种新的驱动模型——WDM(Windows Driver Model)。

　　WDM为Windows98/2000/XP操作系统的设备驱动程序的设计提供了统一的框架。WDM来源于Windows NT的分层32位设备驱动程序模型(layered 32-bit device driver model)。它支持更多的特性，如即插即用(PnP)、电源管理、WMI和NT事件。

　　1.2 设备驱动程序

　　设备驱动程序是操作系统的一个组成部分，它由I/O管理器(I/O Manager)管理和调动。Windows2000操作系统下的I/O管理器功能描述如图1所示。

　　I/O管理器每收到一个来自用户应用程序的请求就创建一个I/O请求包(IRP)的数据结构，并将其作为参数传递给驱动程序。驱动程序通过识别IRP中的物理设备对象(PDO)来区别是发送给哪一个设备。IRP结构中存放请求的类型、用户缓冲区的首地址、用户请求数据的长度等信息。驱动程序处理完这个请求后，在该结构中填入处理结果的有关信息，调用IoCompleteRequest将其返回给 I/O管理器，用户应用程序的请求随即返回。访问硬件时，驱动程序通过调用硬件抽象层的函数实现。

　　

 

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　　1.3 DriverStudio工具简介

　　NuMega Lab公司开发的DriverStudio是一整套开发、调试和检测Windows平台下设备驱动程序的工具软件包。它把DDK(Device Development Kit)封装成完整的C++函数库，根据具体硬件通过向导生成框架代码，并且提供了一套完整的调试和性能测试工具SoftICE、DriverMonitor等。

　　2 应用实例

　　本文利用PCI专用接口芯片PCI9052设计了一个数据传输控制卡。卡上主要的芯片有PCI9052、FIFO(CY7C4221)、CPLD(MAX7064S)和A/D转换器(MAX1197)。传输卡硬件框图如图2所示。面阵CCD得到的视频信号经过调理电路，生成的视频调理信号通过A/D转换器进行数字化处理，送入FIFO中。在CPLD的控制下，数据经过PCI9052送入PCI总线，再传送到计算机内存中，并显示在监视器上。驱动程序必须实现如下几个基本功能：(1)硬件中断;(2)能支持应用程序获取数据;(3)能根据外部FIFO(CY7C4221)的状态启动或停止突发传输。

　　在数据输入过程中，最重要的是对数据进行实时控制，因此需要硬件中断。在中断程序中，根据外部FIFO状态完成数据的读入。

　　2.1 用DriverWizard生成驱动程序框架

　　DriverStudio中的DriverWorks软件为开发WDM程序提供了一个完整的框架。它包含一个可快速生成WDM驱动程序框架的代码生成向导工具DriverWizard，而且还带有许多类库。在用DriverWizard生成的程序框架中写入相对于设备的特定代码，编译后即可得到所需的驱动程序。

　　在利用DriverWorks V2.7的向导Driver Wizard完成驱动程序的框架时共有11个步骤，其中关键步骤有：

　　(1)在第四步中选中PCI，并在VendorID和DeviceID中分别输入厂商号和设备号，还需填入PCI Subsystem ID和PCI Revision ID。这四项可以用网上的免费软件PCITree或PCIView浏览PCI设备，用这两个软件也可以得到BAR0～BAR5的资源分配情况和中断号。

　　

 

　　(2)第七步IRP队列排队方法，它决定了驱动程序检查设备的方式。本设计选SystemManaged，则所有的IRP排队都由系统(即I/O管理器)完成。

　　(3)第九步是最关键的一步。首先在Resources中添加资源，在name中输入变量名，在PCI Base Address中输入0～5的序列号。0～5和BAR0～BAR5一一对应。在设置中断对话框中，在name栏写入中断服务程序的名称，选中创建中断服务程序ISR?穴Create ISR?雪，不选创建延迟程序调用DPC(Create DPC)，选中Make ISR/DPC class functions，使ISR/DPC成为设备类的成员函数。

　　其次选中Buffer以选取读写方式，用于描述与I/O操作相关的数据缓冲区。本设计需要快速传送大量数据，因此采用Direct I/O方式。

　　(4)在第十步中，需要加入与应用程序或者其他驱动程序通信的I/O控制代码参量。

　　2.2 驱动程序模块框图和代码分布

　　PCI设备驱动程序模块包括配置空间的访问模块、IO端口模块、内存读写模块和终端模块等。各模块之间是对等的。驱动程序模块框图如图3所示。

　　驱动程序初始化模块代码段放在#pragma code_seg(″INT″)和#pragma code_seg()之间。在系统初始化完成后，这部分代码从内存中释放，防止占用系统宝贵的内存资源。#pragma code_seg()之后是驱动程序和系统的许多模块的实现部分。这部分在驱动程序运行后不会从内存中释放。

　　2.3 驱动程序主要模块的实现

　　(1)配置空间的访问模块

　　DriverWorks的KPciConfiguration类封装了访问PCI设备配置空间的所有操作。首先初始化这个类的实例：

　　KpciConfiguration PciConfig()m_Lower.TopOfStack());

　　/?觹m_Lower是 KpnpLowerDevice类的对象。m_LowerTopOfStack()返回当前设备堆栈顶部的设备对象。*/

　　初始化完后可以直接利用成员函数 ReadHeader/ WriteHeader函数访问所有的配置寄存器。

　　为了确定映射空间的类型和大小，先向目标基地址寄存器写入0Xffffffffh，然后回读该寄存器的值。如果最低位为1，表示映射于I/O空间，反之为存储空间;如果映射于存储空间，从第四位开始计算0的个数可以确定内存空间的大小;如果是I/O方式，从第二位开始计算0的个数可确定I/O空间的大小，最大为256字节。如果设备的存储空间超过256字节，要实现设备的整个存储部分的访问，就必须采用内存映射。

　　(2)I/O操作模块

　　Driverworks的KIoRange类封装了I/O端口访问的操作。部分代码如下：

　　{……

　　KIORange DevIoPort () ;//创建实例

　　NTSTATUS status= DevIoPort ().Initialize ( pResListTranslated，pResListRaW，PciConfig.BaseAddressIndexToOrdinal(0));

　　/* 第一个参数为转换后的资源列表指针;第二个参数为原始资源列表指针;第三个参数中的0为 I/O口对应的基地址，用来转换成特定端口资源的序数?*/

　　If(NT _SUCCESS(status))

　　{……

　　DevIoPort.inb(0,LineBuf1,10);

　　/*成功初始化后可分别用KIoRange类的成员函数inb(/outb)从端口中读/写字节 */

　　}

　　else{Invalidate();return status;

　　/*未能初始化成功，错误信息在status中*/

　　{

　　……}

　　(3)内存读写模块

　　DriverWorks的 KMemoryRange类封装了端口访问的操作。

　　status=m_MemoryRange().Initialize(pResListTranslated，pResListRaw， PciConfig.BaseAddressIndexToOrdinal(0));

　　此函数的参数、意义及具体用法与I/O端口的操作基本相同。

　　内存对象也用来发送控制字，以控制CPLD的开始和停止等。实际上控制字是通过PCI9052发送的。该控制字地址已被映射成PCI的内存空间。所以定义一个指向内存空间的内存对象，通过该对象即可发送控制字。

　　(4)中断模块

　　在中断模块，首先要激活PCI9052中断使能位，然后判断硬件中断响应是否产生，如果有，则进行突发传输，读入FIFO中的数据。

　　BOOLEAN TranCard::Isr_MyIrq(void)

　　{ if (// 中断未产生)

　　{……

　　return FALSE;}

　　else

　　{/* 如果产生硬件中断，设置命令寄存器，进行突发数据传输 */

　　return TRUE;}

　　}

　　为了将硬件中断与编写的中断服务程序连接在一起，采用InitializeAndConnect方法，部分代码如下：

　　NTSTATUS TranCardDevice?押?押OnStartDevice(KIrp I )

　　{……

　　status=m_MyIrq. InitializeAndConnect(

　　pResListTranlated,

　　LinkTo(Isr_MyIrq),

　　This;)

　　……}

　　2.4 驱动程序的调用

 

　　编写驱动程序本身不是最终目的，最终目的是调用驱动程序管理资源，并为用户应用程序使用。驱动程序加载以后，它的许多进程处于Idle状态，实际上需要用户应用程序去调用激活。应用程序利用Win32 API直接调用驱动程序，实现驱动程序和应用程序的信息交互。

　　首先用CreateFile()打开设备，获得一个指向设备对象的句柄。使用CreateFile函数时应注意：由于驱动程序是*.sys，所以第一个参数应该是这个设备对象的标志连接(symbolic link)。该标志连接名有一个设置数据文件搜索路径的数字号，而这个数字号通常是零。如果这个连接名是″TranCard″，则传递给CreateFile的宇符串就是：″\\\\.\\ TranCard0″。例如：

　　HANDLE hDevice=CreateFile(″\\\\.\\TranCard0″)GENERIC_READ|GENERIC_WRITE,FILE_SHARE_READ, NULL?, OPEN_EXISTING,0,NULL);

　　然后用 DeviceIoControl()进行数据的传送。最后用CloseHandle( )关闭设备句柄。

　　下面是应用DeviceIoControl()程序片段。

　　{……

　　m_b=DeviceIoControl(hDevice,TRANCARD_IOCTL_

　　RECEIVE(buffer, sizeof,buffer, NULL,0,&buffersize，NULL);

　　……}

　　2.5 驱动程序的调试

　　采用SoftICE、DriverMonitor作为调试工具，基本调试过程如下：(1)使用symbol loader加载驱动程序，然后使用SoftICE跟踪调试，确认驱动程序正常加载;(2)对核心的中断响应程序代码，用SoftICE中的Genint命令产生虚拟中断，单步跟踪中断;(3)硬件发送大量的数据，通过查看内存的数据，确认数据传输是否正确。

　　在驱动程序的调试过程中，经常出现系统“死机”、“蓝屏”等现象，这些情况可能因内存访问分页错误、设备资源和系统资源冲突、I/O使用错误、程序中“指针”使用错误等因素造成。

　　上述方案均调试通过。使用WDM模式开发驱动程序，程序结构清晰，开发周期较短，效率高。在PCI从模式条件下，大数据量连续传输速度可达28Mbps以上。