根据PCI总线的实时测频卡WDM驱动程序设计策略

根据PCI总线的实时测频卡WDM驱动程序设计策略

PCI总线是一种与CPU无关的32／64位地址数据复用总线，工作频率为33 MHz／66 MHz，它支持突发传输，具有即插即用、电源管理等功能。PCI总线以其优良性能和可适应性成为现代微机的主流总线。在开发PCI设备的过程中，需要为PCI设备写驱动程序。Windows驱动程序模型(WDM)是Microsoft公司力推的全新驱动程序模式，它支持PhP、电源管理和WMI等技术。在Windows操作平台上，WDM已成为主流的驱动模型。这里主要介绍根据工程背景开发的基于PCI总线的实时测频卡的WDM驱动程序设计。

1实时测频卡硬件系统结构

实时测频卡的主要功能是实时测定信号频率，实时识别信号调制方式。系统的电路框图如图1所示。外部待测信号通过SMA接口进入实时测频卡的ADC。ADC输出的数字信号在FPGA中缓存后进入DSP。在DSP内对信号进行粗估，然后通过EMIF接口把转化为频率和相位控制字的粗估结果发给DDC。DDC做出调整后，通过FPGA把移频和降采样后的信号输入给DSP。 DSP依据粗估结果和DDC的数据进行实时测频。测频完毕后，通过PCI总线向PC机发出中断信号。PC机响应中断，读取DSP内指定位置内存处的测频数据。为简化PCI接口电路设计，选用带有PCI接口电路的DSP芯片TMS320C6416。



2 TMS320C6416的PCI接口介绍

实时测频卡通过TMS320C6416的PCI接口和主机进行通信。该接口符合PCI 2.2规范，能提供33 MHz总线时钟，32 b数据宽度，可达到峰值132 MB／s的数据带宽。PCI接口包括配置寄存器、I／O寄存器和存储器映射寄存器。图2给出了部分PCI配置寄存器。配置寄存器的主要功能如下：

(1)设备的识别、控制和状态指示。将供应商ID域、设备ID域、版本域、配置头类型域、分类代码域这五个域用于识别设备。所有的PCI设备必须设置这些域，配置软件可利用它们来确定系统中可用的PCI总线设备。对于TMS320C6416芯片而言，供应商ID为104CH；设备ID为A106H；其他三个域随不同的应用会有所改变。命令寄存器为发出和响应PCI总线命令提供粗略的控制。状态寄存器用于记录PCI总线有关操作的状态信息。

(2)中断引脚寄存器的功能。01H～04H值对应于PCI中断请求引脚INTA#～INTD#。

(3)基地址寄存器的功能。其功能是为PCI设备指定存储空间。PCI存储空间分为独立寻址的Memory空间和I／O空间两类。Memory空间适用于设备功能寄存器较多或数据流量较大的场合，I／O空间适用于设备功能寄存器较少或数据流量较小的场合。PCI接口拥有3个基地址寄存器BAR用于保存指向PCI存储空间的指针。图2为部分PCI配置寄存器。



①Base 0基地址寄存器(BAR0)。确定一个4 MB可预取的PC机内存地址空间。将DSP存储空间中不同的4 MB空间都映射到PC机内存相同的4 MB空间中。由DSP页寄存器(DSPP)设置该区域在。DSP存储空间中的映射位置；用BAR0访问DSP内部的RAM和外挂的通过EMIFA和EMIFB访问的存储器空间。访问时每次最多只能读取DSP存储空间的4 MB内容，并且需要定义DSPP寄存器，以指定访问空间的起始地址。访问支持数据突发传输模式。这种映射方式只适用于DSP处于从模式。

②Base 1基地址寄存器(BAR1)：确定一个8 MB不可预取的访问区间。对DSP芯片而言，其访问地址固定在0180000H～0200000H的范围内。用BARl来访问DSP内部所有的操作命令控制寄存器。

③Base 2基地址寄存器(BAR2)：定义一个16 B的PC机I／O空间，用于访问PCI的I／O寄存器。BAR2加偏移00H，访问主机状态寄存器HSR；BAR2加偏移04H，访问主机对DSP控制寄存器HDCR；BAR2加偏移08H，访问DSP页寄存器DSPP。

3 WDM概述

WDM(Windows Driver Model)是一种遵循即插即用协议的内核模式驱动程序，它是微软的全新驱动程序模式，旨在通过提供一种灵活的方式来简化驱动程序的开发，在实现对新硬件支持的基础上，减少并降低必须开发的驱动程序数量和复杂性。在WDM中，采用图3所示的分层驱动程序体系结构。



在WDM模型中，每个硬件设备至少有两个驱动程序：总线驱动程序和功能驱动程序。总线驱动程序由操作系统实现，它在最底层直接与设备打交道，负责管理硬件与计算机的连接；负责发现总线上所有的设备，并检测设备何时添加到总线上或何时从总线上删除。设备功能驱动程序在上层通过与低层驱动程序打交道，进行硬件操作，以实现PCI设备的功能。中间还可以有类过滤驱动程序或设备过滤驱动程序用于修改和监视IRP(I／O请求包)，实现数据的过滤或转换。一般在特殊的情况下才需要编写。在实际开发中，只需要开发一个设备功能驱动程序即可。

WDM还引入了功能设备对象(Functional DeviceObject，FDO)与物理设备对象(Physical Device Object，PDO)来描述硬件。一个PDO对应一个真实的硬件，一个硬件只允许有一个PDO，却可以有多个FDO。在驱动程序中直接操作的不是硬件而是相应的PDO与FDO。当应用程序与WDM驱动程序进行通信时，系统为每一个用户请求打包，形成一个I／O请求包(IRP)结构，将其发送到驱动程序，并通过识别IRP中的PDO来区别是发送给哪一个设备。IRP从驱动程序堆栈栈顶进入，每层驱动再把I／O请求划分成更简单的请求，以传给更下层的驱动执行，最底层的驱动程序在收到IRP后，通过硬件抽象层HAL与硬件发生作用，从而完成I／O请求工作。内核通常通过发送IRP来运行驱动程序中的代码。

4测频卡WDM驱动程序实现

在微软公司DDK工具的支持下，Compuware Nu-Mega公司提供Driver Studio工具包中的DriverWorks将WDM驱动程序编写所需的对内核及对硬件的访问封装成类库，加上驱动程序代码生成向导DriverlWizard，极大地简化了驱动程序的开发难度。本文选择DriverWorks作为WDM驱动程序的开发工具。

测频卡驱动程序的主要功能是为用户读取所测信号的频率参数，包括载频、调制方式、码元速率等。同时用户还能通过驱动程序发送命令对测频卡的工作方式进行控制。由此可知，驱动程序要重点处理好硬件访问和中断处理工作。

4.1I／O访问

类KIoRange封装了对I／O端口的操作。本卡中PCI配置寄存器中的Base 2基地址寄存器定义了I／O空间。在OnstartDevice例程中取得I／O资源，并初始化，其函数实现如下：



完成初始化后，可以用成员函数inb，inw，ind从I／O端口读一个(多个)字节、字、双字的数据；outb，outw，outd向I／O端口写一个(多个)字节、字、双字的数据。

4.2内存访问

在Windows系统中，内存分为分页内存和非分页内存。在WDM驱动程序中，对于硬件的内存映射一般需要用非分页内存。因为在一些较高级别的例程中，使用分页内存会造成系统产生缺页中断，从而引起死锁。使用非分页内存无需太多的转换，非常安全，效率也高。类KMemoryRange封装了对PCI设备映射内存的操作。类KMemoryRange成员函数的读／写操作同类KIoRange。由PCI配置寄存器中的Base 0和Base 1基地址寄存器分别定义了两个内存空间。在OnstartDevice例程中取得内存资源并初始化，其函数实现如下：

Status=m_MemoryRange0．Initialize(pResListTranslated，pResListRaw，PciConfig．BaseAddresslndexToOrdinal(0))；
Status=m_MemoryRangel．Initialize(pResListTranslated，pResListRaw，PeiConfig．BaseAddresslndexToOrdinal(1))；

4.3中断处理

中断处理一般需要声明两种类实例：Klnterrupt和KDeferredCall。Kinterrupt类用于实现硬件中断处理；KDeferredCall类用于实现延时过程调用。首先创建一个Klnterrupt类实例m_Irq，将此实例作为设备类的成员变量，然后创建一个KDeferredCall类实例m_DpcFor_Irq。m_Irq对应的中断服务例程和m_DpcFor_Irq对应的延时过程调用例程也需要在实例中声明。这两个实例m_Irq和m_DpcFor_Irq都是在OnstartDevice例程中初始化的，代码如下：

status=m_Irq．InifializeAndConnect(pResListTranslated，LinkTo(Isr_Irq)，This)；
m_DpcFor_Irq．Setup(LinkTo(DpeFor_Irq)，this)；

中断服务例程的处理时间应尽量短，对于一些耗时，但不需要立即处理的任务，中断服务程序会调用一个低于中断服务程序DIRQL级别的延迟过程调用程序DPC，在DISPATCH_LEVEL上完成处理，这个级别上的限制较少，函数调用也相对比较方便。在中断服务例程中，首先判断中断是否是自己设备产生的，若不是，返回FALSE；若是，进行必要的处理，请求一个DPC(延时过程调用)，然后返回TRUE。关键代码如下：



在延时过程调用例程DpcFor_Irq中，读取所测信号的频率参数：



5驱动程序与应用程序之间的通信

虽然驱动程序是为设备的硬件层编程服务的，但同样需要提供和应用程序进行通信的能力，从而最终达到应用程序控制设备的目的。应用程序与驱动程序之间的通信通过调用Win32 API来实现，应用程序用Creatfile函数通过已经定义的设备接口来获取驱动程序文件句柄，然后将文件句柄作为其他Win32 API函数的一个参数，对驱动程序的进行数据操作。调用DeviceloControl进行数据量较小的，如控制指令传输或端口、寄存器访问；调用ReadFile，WriteFile等函数进行数据量较大的传输，如内存读／写等。驱动程序与应用程序的通信有DeviceControl异步完成、共享Win32事件通知两种方式。Win32事件通知是由应用程序创建了一个事件后，设置事件的状态为Unsignal，然后直接将该事件句柄传递给驱动程序，等待驱动程序发送事件通知。驱动程序通过类Kevent获取这个事件的一个对象指针后，在IRQL≤DISPATCH_LEVEL级别的例程中设置事件信号状态为Signal来通知应用程序进行后续处理。

6结语

基于上述的硬件结构和驱动程序设计方法，成功开发了一款实时测频卡，在实际中得到了很好的应用，板卡工作正常，达到了预期效果。实践证明，DriverWorks是一款功能强大，使用方便的驱动程序开发工具，利用它可以方便快捷地构造PCI设备的驱动程序框架，大大加快了开发周期，提高了开发效率。