PCI設備Windows通用驅動軌范設計

我們開發(fā)了一套通用的PCI設備驅動軌范，它可以完成一般PCI設備驅動所需的功能，可以作為其它PCI設備驅動開發(fā)的框架。

　　1 驅動軌范的模式和開發(fā)工具的選擇

　　設備驅動軌范是指打點某個外圍設備的一段代碼。驅動軌范不會獨登時存在，而是操作系統(tǒng)的一部門。經由過程設備驅動軌范，多個歷程可以同時使用這些資本，從而可以實現多歷程并走運行。不才文中，將挪用設備驅動軌范的PC機軌范稱為用戶軌范。

　　Windows 95和Windows NT采用的驅動軌范系統(tǒng)分歧，所以年夜年夜都情形下驅動軌范也不能通用。若是設備需要在Windows 9x/NT下使用，一般至少要設計Windows 9x和Windows NT兩個驅動軌范版本。Windows 98 可以兼容Windows 95的驅動軌范，同時它又推出一個新的Win32 Drivers Mode(WDM)驅動類型。Windows 98中有些設備(如USB設備)的驅動軌范必需為WDM模式。這個新的類型現實是在Windows NT的驅動模子的基本上增添了即插即用等內容。WDM驅動也可以用在Windows 2000(先前叫Windows NT 5.0)中。從久遠的角度看。此后開發(fā)人員只要開發(fā)WDM驅動就可以了，但從今朝的市場情形來看，Windows 95是無法拋卻的，所以WDM在近一兩年還無法替代其它類型的設備驅動。

　　Intel 80386以上的微措置器有4個優(yōu)先級別：0級、1級、2級和3級，一般操作系統(tǒng)運行于優(yōu)先級0級上，而用戶軌范運行在3級上，在對硬件操作上有一些限制(具體的限制在分歧的操作系統(tǒng)中是分歧的)。Windows 95撐持的驅動類型良多，但針對一般硬件設備而言，主若是VxD和打印機驅動兩類。VxD指的是Virtual Device Drivers。VxD運行在Intel系統(tǒng)的0級上，可以執(zhí)行特權級指令，對任何I/O設備有全數訪謁權，所以年夜年夜都硬件驅動軌范都是VxD。VxD驅動凡是以.vxd為擴展名，放在WindowsSystem目錄下，可以在Windows 95啟動時裝入，也可以在軌范運行時按照需要動態(tài)地載入。動態(tài)加載有助于節(jié)約系統(tǒng)內存和資本。但打印機驅動軌范不是VxD，它運行在3級上。同Windows 95近似，Windows NT的驅動也有可以運行在0級的內核模式(Kernel Mode)和運行在3極的用戶模式(User Mode)之分。因為Windows NT禁止用戶模式的軌范訪謁I/O端口(Windows 95/98則許可用戶軌范直接訪謁I/O端口)，直接節(jié)制物理設備的驅動軌范都是內核模式的。而我們設計的PCI通用驅動軌范要求對各類硬件資本訪謁，所以應該選擇工作在0級的驅動軌范模式。

　　開發(fā)設備驅動采用的首要開發(fā)工具是微軟為設備開發(fā)者供給的軟件包Device Driver Kit(DDK)。這個軟件包搜羅有關設備開發(fā)的文檔、編譯需要的頭文件和庫文件、調試工具和軌范典型。在DDK中還界說了一些設備驅動可以挪用的系統(tǒng)底層處事，象DMA處事、間斷處事、內存打點處事、可安裝文件系統(tǒng)處事等等。這些都是編寫設備驅動所必需的。但Windows 95的DDK因為首要使用匯編說話描述。開倡議來斗勁堅苦。是以，我們在Windows 95操作系統(tǒng)中同時采用了Numega公司的產物VtoolsD。VtoolsD是基于C/C++的，撐持Borland C++和Visual C++，使用和維護都較Windows 95 DDK輕易。

　　2 PCI驅動軌范的特點

　　在設計驅動軌范之前，首先要對欲節(jié)制的硬件設備進行詳盡地剖析，更需要具體體味硬件設備的特征。硬件設備的特征會對驅動軌范設計發(fā)生重年夜的影響。需要體味的最首要的硬件特征搜羅：

　　(1)設備的總線結構

　　設備采用什么總線結構很是關頭，因為分歧的總線類型(如ISA和PCI)在良多硬件工作機制上是分歧的，所以驅動軌范設計也分歧。

　　(2)寄放器

　　要體味設置的節(jié)制寄放器、數據寄放器和狀況寄放器，以及這些寄放器工作的特征。

　　(3)設備錯誤和狀況

　　要體味若何判定設備的狀況和錯誤旌旗燈號，這些旌旗燈號要經由過程驅動軌范返回給用戶。

　　(4)間斷行為

　　要體味設備發(fā)生間斷的前提和使用間斷的數目。

　　(5)數據傳輸機制

　　最常見的數據傳輸機制是經由過程I/O端口(port)，也就是經由過程CPU的IN/OUT指令進行數據讀寫。PC的另一種主要的傳輸機制是DMA，但PCI規(guī)范不搜羅隸屬DMA的聲名。

　　(6)設備內存

　　良多設備自身帶有內存，PCI設備年夜多是采用映射的體例映射到PC系統(tǒng)的物理內存。有的設備還要經由過程驅動軌范設置設備的接口寄放器。

　　有關驅動軌范的加載和響應用戶請求的內容，在DDK文檔中有劃定，所以設計設備驅動軌范首要的面臨問題是若何進行硬件操作，這是按照設備的分歧而分歧的。而硬件驅動軌范的功能雖然千差萬別，但根基功能就是完成設備的初始化、對端口的讀寫操作、間斷的設置、響應和挪用以及對內存的直接讀寫。如前面所說，Windows 9x和Windows NT的操作系統(tǒng)模子分歧，但驅動軌范所要完成的工作卻是不異的，所以下面以Windows 9x為主進行介紹，僅在需要的處所指出兩個操作系統(tǒng)的分歧。下面從這幾方面談判解決這些問題的路子#e#下面從這幾方面談判解決這些問題的路子：

　　(1)設備初始化

　　PCI設備驅動軌范要實現識別PCI器件、尋址PCI器件的資本和對PCI器件間斷的處事。PCI系統(tǒng)BIOS功能供給了BIOS的訪謁與節(jié)制的具體特征，所有軟件(設備驅動軌范、擴展ROM碼)將經由過程尺度間斷號1AH挪用BIOS功能訪謁非凡部件。PCI BIOS規(guī)范有完整的有關PCI BIOS功能的描述[3]。

　　在PCI設備驅動軌范的初始化過程中，操作指定器件識別號(device_id)、廠商識別號(vendor_id)、檢索號(index)搜索PCI器件，經由過程挪用PCI BIOS確認其存在，并確定其物理位置：總線號、器件號和功能號，這是該器件/功能在系統(tǒng)中的獨一尋址標識表記標幟。操作總線號、器件號和功能號可以尋址該器件/功能的PCI設置裝備擺設空間(configuration space)。

　　接下來，設備驅動就需要從設置裝備擺設空間獲得硬件的參數。PCI設備的良多參數，搜羅所用的間斷號，端口地址的規(guī)模(I/O)體例、存儲器的地址(存儲器映射體例)等，都可以從PCI設置裝備擺設空間的各基址所對應的尋址空間中獲得。讀寫設置裝備擺設空間可以挪用BIOS間斷1AH，

　　也可以先向設置裝備擺設空間地址寄放器(0CF8H)寫入總線和設備號(在前面搜索PCI器件時獲得的)和寄放器號，再對設置裝備擺設空間數據寄放器(0CFCH)進行讀寫。對設備驅動來說，最主要的是獲得基址寄放器(BADR)，不能認為PCI器件資本老是設計設備時設置的初值，系統(tǒng)可能會按照硬件情形為PCI設備分配新的資本。我們所設計的PCI設備使用的基址1－3都是按I/O空間映射的，而基址4是按內存體例映射的。確定一個端口是按什么體例映射的，可以讀對應端口的設置裝備擺設寄放器(Configuration Register)。讀出后，判定其0位，若是0位為數值0，暗示其是按內存體例設置的，否則為I/O體例設置的。內存體例和I/O體例的設置裝備擺設寄放器的寄義參見文獻[3]。若是要獲得基址的巨細，可以向基址寄放器寫入FFFFH，然后讀基址寄放器，若是是內存體例，從第4位起頭的0的數目暗示基址的巨細，若是是I/O體例，則從第2位起頭的0的數目暗示基址的巨細。

　　在Windows NT下，查找PCI設備的工作是由HalGetBusData完成的，也可以使用前述的法子讀取設置裝備擺設寄放器，但DDK舉薦使用HaiGetBusDataOffset函數。

　　(2)端口操作

　　在PC機上，I/O端口尋址空間和內存尋址空間是分歧的，所以措置體例也分歧。I/O空間是一個64K字節(jié)的尋址空間，它不象內存有實模式和呵護模式之分，在各類模式下尋址體例不異。在Windows 9x下，用戶軌范可以直接使用I/O指令，而不必然非經由過程專門的驅動軌范來完成，所以若是軟件對硬件的操作美全是經由過程I/O端口操作來完成的，甚至可以不用專門設計驅動軌范，直接由應用軌范來完成對硬件的節(jié)制。因為PCI總線是32位的總線尺度，在進行I/O操作時凡是要進行雙字(DWORD)操作，而且以前年夜年夜都C/C++編譯軟件都沒有供給雙字的函數，所以需要機關雙字操作讀寫函數inpd/outpd。

　　在Windows NT下，系統(tǒng)不許可處于優(yōu)先級3級的用戶軌范和用戶模式驅動軌范直接使用I/O指令，若是使用了I/O指令將會導致特權指令意外(privileged instruction exception)。所以任何對I/O的操作都需要借助內核模式驅動來完成。具體的做法有兩種：一是在驅動軌范中使用IoReportResourceUsage陳述資本占用，然后使用READ_PORT_XXX、WRITE_PORT_XXX函數讀寫，最后使用IoReportResourceUsage打消資本占用；另一種是驅動軌范改削NT的I/OPermissions Map (IOPM)，以使系統(tǒng)許可用戶軌范對指定的I/O端口進行操作，這時用戶軌范采用凡是的I/O指令進行操作。后者的利益是速度快、用戶軌范設計簡單，但犧牲了移植性，軌范不能移植到非Intel的系統(tǒng)中，而且若是多個軌范同時讀寫統(tǒng)一端口輕易導致沖突。

　　(3)內存的讀寫

　　Windows工作在32位呵護模式下，呵護模式與實模式的根柢區(qū)別在于CPU尋址體例上的分歧，這也是Windows驅動軌范設計中需要著重解決的問題。Windows采用了分段、分頁機制(圖1)，這樣使應用軌范發(fā)生一種錯覺，好象軌范中可以使用很是年夜的物理存儲空間。這樣做最年夜的益處就是一個軌范可以很輕易地在物理內存容量紛歧樣的、設置裝備擺設規(guī)模分歧很年夜的計較機上運行，編程人員使用虛擬存儲器可以寫出比任何現實設置裝備擺設的物理存儲器都年夜得多的軌范。