PCI總線電機(jī)控制卡的WDM設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計

摘要：結(jié)合基于PCI總線的精密電機(jī)運動控制卡，介紹了PCI設(shè)備的WDM設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計過程，PCI設(shè)備的獲得，I/O端口的讀寫，內(nèi)存的讀寫以及中斷的處理，和設(shè)備驅(qū)動程序的安裝。

關(guān)鍵詞：PCI總線；WDM

1引言

微型計算機(jī)界以INTEL公司為主推出了PCI總線規(guī)范。采用PCI總線設(shè)備所具有的配置空間以及PCI總線通過橋接電路與CPU相連的技術(shù)使PCI總線具有廣泛的適應(yīng)性，并且PCI總線采用寬字節(jié)和高達(dá)33Mb的時鐘頻率的猝發(fā)和主控方式傳輸能滿足高速設(shè)備的要求。

在WINDOWS操作系統(tǒng)下，開發(fā)PCI設(shè)備的驅(qū)動程序最好的方案是WDM驅(qū)動程序。在一個系統(tǒng)中開發(fā)出WDM驅(qū)動程序，稍加修改即可在其他系統(tǒng)中編譯運行。お

2WINDOWS驅(qū)動程序模型WDM

WDM(WINDOWSDriverProgramModel)是一個模塊化的、分層次類型的微型驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)，它是編寫設(shè)備驅(qū)動程序的主要模型。設(shè)備驅(qū)動程序是提供連接到計算機(jī)的硬件的軟件接口，它是操作系統(tǒng)的一部分，用戶應(yīng)用程序以一種規(guī)范的方式訪問硬件，而不必考慮必須如何控制硬件。在WINDOWS中，驅(qū)動程序總是使設(shè)備看起來像是一個文件，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。WDM是在WindowsNT驅(qū)動程序體系的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，修改或增加了即插即用、電源管理等功能，使之適應(yīng)硬件和用戶的要求。

PCI總線是一種高性能、與CPU無關(guān)的32／64位地址數(shù)據(jù)復(fù)用的總線，它支持突發(fā)傳輸、即插即用、電源管理等功能，不但能滿足現(xiàn)在的應(yīng)用需要，而且能夠適應(yīng)未來的需求。PCI總線支持硬件資源動態(tài)自動配置，以支持即插即用。在PCI設(shè)備插入PCI插槽或上電后，PCI總線配置機(jī)構(gòu)自動根據(jù)PCI設(shè)備的要求實現(xiàn)配置。PCI總線支持內(nèi)存讀寫、I／O端口讀寫、中斷機(jī)制和DMA功能。由于這些硬件特點使PCI設(shè)備的WDM驅(qū)動程序的設(shè)計變得很復(fù)雜。在開發(fā)WDM驅(qū)動程序之前，還有必須掌握PCI設(shè)備的需要分配的資源等配置信息以及PCI設(shè)備的功能和操作方法。

在WDM中，采用了分層的驅(qū)動程序體系結(jié)構(gòu)，總線驅(qū)動程序或類驅(qū)動程序在最底層直接與設(shè)備打交道，設(shè)備功能驅(qū)動程序在上層通過與低層驅(qū)動程序打交道，實現(xiàn)設(shè)備的功能，中間還可以有類過濾驅(qū)動程序或設(shè)備過濾驅(qū)動程序用于數(shù)據(jù)的過濾或轉(zhuǎn)換。在PCI總線的驅(qū)動程序?qū)又?，其層次圖如圖1所示：

在PCI設(shè)備的WDM驅(qū)動程序中，一般是編寫功能驅(qū)動程序。PCI總線驅(qū)動程序由操作系統(tǒng)實現(xiàn)，過濾驅(qū)動程序一般在特殊的情況下需要編寫。因此本文只討論PCI設(shè)備功能驅(qū)動程序的設(shè)計。在PCI設(shè)備功能驅(qū)動程序中，需要處理PCI設(shè)備的內(nèi)存、端口的讀寫、中斷處理和DMA數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)PCI設(shè)備的功能，因此，PCI設(shè)備功能驅(qū)動程序是很標(biāo)準(zhǔn)的WDM設(shè)備驅(qū)動程序。お

3PCI設(shè)備資源的獲得及內(nèi)存、I／O讀寫

PCI設(shè)備的硬件資源是由PCI配置機(jī)構(gòu)動態(tài)分配的，由PCI設(shè)備實現(xiàn)PCI配置寄存器，提出需要分配的硬件資源，由PCI配置機(jī)構(gòu)分配資源。驅(qū)動程序需要取得這些資源，才能操作硬件。因此，PCI設(shè)備的硬件資源分配與管理是驅(qū)動程序中很重要的部分。硬件資源主要包括映射內(nèi)存空間、I／O空間、中斷。當(dāng)系統(tǒng)的PNP管理器在取得設(shè)備的資源后會自動向驅(qū)動程序發(fā)出IRP_MN_START_DEVICE的IRP，在該IRP棧中包含了設(shè)備的資源信息。好的驅(qū)動程序都應(yīng)該使用這種方法，每個支持PNP功能的驅(qū)動程序，都應(yīng)實現(xiàn)IRP_MN_START_DEVICE處理。在該IRP處理中應(yīng)先交給低層驅(qū)動程序處理后，再根據(jù)IRP棧內(nèi)內(nèi)容進(jìn)行資源分配。

在PCI設(shè)備的驅(qū)動程序中，獲得的設(shè)備內(nèi)存是一段映射物理內(nèi)存，這是無法使用的，需要將其映射成系統(tǒng)可以訪問的非分頁內(nèi)存。函數(shù)MmMapIoSpace完成該功能。該函數(shù)的原型為：

參數(shù)PhysicalAddress為物理地址；NumberOfBytes為地址的數(shù)量；CacheEnable為內(nèi)存是否可以隱藏，取值可為MmNonCached，MmCached，MmWriteCombined，這里必須取為MmNonCached。

在PC上，I／O空間是一個64K字節(jié)的尋址空間。I／O端口的尋址方式與內(nèi)存是不一樣的。但是在WDM驅(qū)動程序中，對其處理與內(nèi)存是一樣的，把其看作寄存器，映射為設(shè)備內(nèi)存。其映射方法和訪問函數(shù)的用法與內(nèi)存資源一樣，只不過函數(shù)XXXREGISTERXXX改為XXXPORTXXX。お

4中斷的處理

在PCI總線中，很多設(shè)備共享一個中斷，這就需要在中斷處理函數(shù)要格外小心，處理不當(dāng)，就會導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。驅(qū)動程序首先要在IRPMNSTARTDEVICE中獲得中斷資源，然后需要連接到中斷處理函數(shù)中，使其當(dāng)有中斷請求時，進(jìn)入中斷服務(wù)例程。連接中斷的函數(shù)為IoConnectInterrupt，具體用法見上段程序中的“中斷資源”部分。十分需要注意的是在連接中斷之前，一定要確定PCI設(shè)備不會產(chǎn)生中斷請求，最好在PCI設(shè)備上電后，中斷為屏蔽狀態(tài)。在連接中斷后，調(diào)用開啟中斷請求的函數(shù)需要同步處理，以防在函數(shù)的執(zhí)行中，出現(xiàn)運行時間上的錯誤，而且在開啟中斷時，一定要在所有的硬件資源分配以后，否則如果有中斷產(chǎn)生，系統(tǒng)就會立即調(diào)用中斷處理例程，如果例程中使用了還沒有分配的資源，就會出現(xiàn)意想不到的結(jié)果。

在中斷服務(wù)例程中，相應(yīng)的處理最好簡潔快速，因為中斷例程運行的級別很高，當(dāng)有中斷請求時，不但會打斷應(yīng)用程序的執(zhí)行，而且會打斷在硬件中斷級以下的所有運行程序。在WDM中，提供了DPC(DeferredProcedureCall)例程，將在中斷例程中耗時的但不需要立即處理的任務(wù)延時處理。比如，驅(qū)動程序接受應(yīng)用程序的寫PCI設(shè)備的數(shù)據(jù)，當(dāng)寫完后，硬件產(chǎn)生中斷標(biāo)志執(zhí)行完畢，這時需要結(jié)束該IRP，就可以將結(jié)束IRP這個耗時的任務(wù)交給DPC完成。

在該實例中，由應(yīng)用程序調(diào)用函數(shù)WriteFile，將數(shù)據(jù)傳遞給驅(qū)動程序，驅(qū)動程序的DispatchWrite例程負(fù)責(zé)處理該IRP，在該例程中，由于需要中斷的配合，假定無法立即執(zhí)行完畢，必須將IRP串行化，StartIo例程如果沒有其他任務(wù)，就開始處理該IRP，處理完畢后立即返回，但不能結(jié)束IRP，當(dāng)PCI設(shè)備完成操作后，就會產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)例程中把IRP交給DPC，在DPC中處理完后結(jié)束該IRP。お