高速PCI信號采集卡設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)綜合實(shí)例之：PCI卡的驅(qū)動程序設(shè)計(jì)

13.4PCI卡的驅(qū)動程序設(shè)計(jì)

13.4.1WDM驅(qū)動程序模型

設(shè)計(jì)完成的信號采集設(shè)備在插入計(jì)算機(jī)后，在對其進(jìn)行控制之前，需要編寫基于操作系統(tǒng)平臺上的驅(qū)動程序。設(shè)備驅(qū)動程序是一個包含了許多操作系統(tǒng)可調(diào)用例程的容器，這些例程可以使硬件設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的動作，它是硬件與上層軟件之間溝通的橋梁。

在本案例中，我們針對最常使用的操作系統(tǒng)Windows98/2000/XP系統(tǒng)，使用了WDM（WindowsDriverModel）驅(qū)動程序模型進(jìn)行程序開發(fā)。

WDM模型是從WinNT3.51和WinNT4的內(nèi)核模式設(shè)備驅(qū)動程序發(fā)展而來的。WDM主要的變化是增加了對即插即用、電源管理、WindowsManagementInterface(WMI)、設(shè)備接口的支持。WDM模型的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)能夠跨平臺使用、更安全、更靈活、編制更簡單的Windows設(shè)備驅(qū)動程序。

WDM采用了“基于對象”的技術(shù)，建立了一個分層的驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)。通過WDM模型的引入，可以減輕設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)難度和周期，逐漸規(guī)范設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)，應(yīng)該說，WDM是當(dāng)前基于Windows平臺的設(shè)備驅(qū)動程序的主流。

WDM模型主要采用分層的方法，模仿面向?qū)ο蟮募夹g(shù)，先進(jìn)行邏輯上的“分層”，然后將標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)和低層細(xì)節(jié)“封裝”起來，形成“基類”，客戶程序通過“繼承”的方式來擴(kuò)展“基類”的功能，完成所需要的實(shí)現(xiàn)。

13.4.2設(shè)備和驅(qū)動程序的層次結(jié)構(gòu)

在WDM模型中，每個硬件設(shè)備至少有兩個驅(qū)動程序：一個功能驅(qū)動程序（functiondriver）和一個總線驅(qū)動程序（busdriver）。

如圖13.14所示為WDM中設(shè)備對象和驅(qū)動程序的層次結(jié)構(gòu)。

圖13.14WDM中設(shè)備對象和驅(qū)動程序的層次結(jié)構(gòu)

1．過濾驅(qū)動程序

過濾驅(qū)動程序是一個可選項(xiàng)，當(dāng)一個用戶需要改變或新添一些功能到一個設(shè)備、一類設(shè)備或一種總線時，就可以編寫一個過濾驅(qū)動程序。在設(shè)備棧里，過濾驅(qū)動程序安裝在一個或幾個設(shè)備驅(qū)動程序的上面或下面。

過濾驅(qū)動程序攔截對具體設(shè)備、類設(shè)備、總線的請求，做相應(yīng)的處理，以改變設(shè)備的行為或添加新的功能。但過濾驅(qū)動程序只處理那些它所關(guān)心的I/O請求，對于其他的請求可以交給其他的驅(qū)動程序來處理，這樣可以非常靈活地改變設(shè)備的行為。

2．功能驅(qū)動程序

功能驅(qū)動程序是物理設(shè)備的主要驅(qū)動程序，它實(shí)現(xiàn)設(shè)備的具體功能，一般由設(shè)備的生產(chǎn)商來編寫。功能驅(qū)動程序的主要功能是：提供對設(shè)備的操作接口、操作對設(shè)備的讀寫、管理設(shè)備的電源策略等。

功能驅(qū)動程序由類驅(qū)動程序和微型驅(qū)動程序組成。類驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)了某一類設(shè)備的常用操作，驅(qū)動程序的開發(fā)者可以只編寫非常小的微型驅(qū)動程序，去處理具體設(shè)備特殊的操作，而對于其他大量的常規(guī)操作，可以調(diào)用該類的類驅(qū)動程序，這也是WDM驅(qū)動程序的優(yōu)點(diǎn)之一。

微軟公司提供的類驅(qū)動程序處理常用的系統(tǒng)任務(wù)，比如，即插即用功能和電源管理。類驅(qū)動程序保證了操作系統(tǒng)在處理類似的任務(wù)時的一致性，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

設(shè)備生產(chǎn)商提供微型驅(qū)動程序，以實(shí)現(xiàn)自己設(shè)備的特殊功能，同時調(diào)用合適的類驅(qū)動程序完成其他的通用工作。將大量的標(biāo)準(zhǔn)操作的代碼通過各種類驅(qū)動程序來實(shí)現(xiàn)，并集成在操作系統(tǒng)中，這樣的方式可以有效地減少具體設(shè)備的微型驅(qū)動程序的大小，也就減小了程序出錯的可能。

如果某一類設(shè)備存在著工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，微軟公司就會提供一個該類設(shè)備的WDM類驅(qū)動程序。這個類驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)了該類設(shè)備所有必須的任務(wù)，但不實(shí)現(xiàn)任何具體設(shè)備所特有的東西。

3．總線驅(qū)動程序

總線驅(qū)動程序?yàn)閷?shí)際的I/O總線服務(wù)。在WDM的定義中，總線是用來連接其他的物理的、邏輯的、虛擬的設(shè)備。總線包括傳統(tǒng)的總線SCSI和PCI，也包括并口、串口以及i8042端口。微軟公司已經(jīng)為Windows操作系統(tǒng)提供了總線驅(qū)動程序?？偩€驅(qū)動程序已經(jīng)包含在操作系統(tǒng)里了，用戶不必安裝。

一個總線驅(qū)動程序負(fù)責(zé)以下的工作：枚舉總線上的設(shè)備，向操作系統(tǒng)報告總線上的動態(tài)事件，響應(yīng)即插即用和電源管理的I/O請求，提供總線的多路存取，管理總線上的設(shè)備等。

13.4.3PCI設(shè)備驅(qū)動程序例程

PCI設(shè)備的WDM驅(qū)動程序一般需要使用WindowsDDK（DriversDevelopKits）及C語言進(jìn)行開發(fā)。下面介紹一些PCI設(shè)備最常見的例程，這些例程將告訴我們?nèi)绾螌CI設(shè)備進(jìn)行控制。

1．DriverEntry例程

每個WDM驅(qū)動程序，不管它的用途是什么，都要對外界顯示一個名字為DriverEntry的例程。該例程初始化各種驅(qū)動程序數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并為所有其他驅(qū)動程序組件準(zhǔn)備好執(zhí)行環(huán)境。主要的工作是在傳遞的DriverObject中存儲一系列的回調(diào)例程指針。DRIVER_OBJECT結(jié)構(gòu)有操作系統(tǒng)用于存儲與驅(qū)動程序有關(guān)的任何信息。

在DriverEntry例程中通常要完成如下步驟。

·DriverEntry找到它將要控制的硬件。那個硬件是經(jīng)過分配的，即被標(biāo)志為由該驅(qū)動程序控制。

·通過聲明另一個驅(qū)動程序入口點(diǎn)，初始化驅(qū)動程序?qū)ο蟆Ｍㄟ^把函數(shù)指針直接保存到驅(qū)動程序?qū)ο笾型瓿陕暶鞴ぷ鳌?/p>

·如果成功，DriverEntry應(yīng)該把STATUS_SUCCESS返回給I/O管理程序。

DriverEntry的函數(shù)原型為：

NTSTATUSDriverEntry(

PDRIVER_OBJECTpDriverObject,

PUNICODE_STRINGpRegistryPath

)

它接收一個指向它本身的驅(qū)動程序?qū)ο蟮闹羔槪珼riverEntry例程必須對它（指針）初始化。它還接收一個UNICODE_STRING，它包含注冊表中驅(qū)動程序服務(wù)鍵的路徑。內(nèi)核模式驅(qū)動程序根據(jù)該字符串從系統(tǒng)注冊表中提取任何驅(qū)動程序?qū)Ｓ械膮?shù)。注冊表字符串采用如下形式：

HKEY_LOCAL_MACHINESystemCurrentControlSetServicesDriverName

下面是驅(qū)動程序的DriverEntry例程的部分代碼，里面定義了將要用到的回調(diào)函數(shù)。

NTSTATUSDriverEntry(

PDRIVER_OBJECTpDriverObject,

PUNICODE_STRINGpRegistryPath

)

{ …

//回調(diào)函數(shù)

pDriverObject->DriverUnload =DriverUnload;

pDriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CREATE] =Dispatch_Create;

pDriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CLOSE] =Dispatch_Close;

pDriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_READ] =Dispatch_Read;

pDriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_WRITE] =Dispatch_Write;

pDriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CLEANUP] =Dispatch_Cleanup;

pDriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_DEVICE_CONTROL]

=Dispatch_IoControl;

pDriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_PNP] =Dispatch_Pnp;

pDriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_POWER] =Dispatch_Power;

pDriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_SYSTEM_CONTROL]

=Dispatch_System Control;

pDriverObject->DriverExtension->AddDevice =AddDevice;

…

returnSTATUS_SUCCESS;

}

2．AddDevice例程

大多數(shù)的WDMPDO都是在PnP管理器調(diào)用該程序入口點(diǎn)時被創(chuàng)建的。插入新設(shè)備后，系統(tǒng)啟動時，總線枚舉器會發(fā)現(xiàn)總線上的所有設(shè)備會自動尋找并安裝設(shè)備的驅(qū)動程序，并由驅(qū)動程序中的處理PnP功能模塊自動處理AddDevice例程及其他的PnP消息。

AddDevice例程使用IoCreateDevice函數(shù)創(chuàng)建設(shè)備對象，再使用IoCreateSymbolicLink函數(shù)將設(shè)備組成為一個特定的設(shè)備接口，供Win32使用。

其函數(shù)原型為：

NTSTATUSAddDevice(PDRIVER_OBJECTpDriverObject,PDEVICE_OBJECTpdo)

必須在DriverEntry入口函數(shù)中進(jìn)行聲明，下面是該函數(shù)的部分代碼：

NTSTATUSAddDevice(

PDRIVER_OBJECTpDriverObject,

PDEVICE_OBJECTpdo

)

{…

//建立設(shè)備名稱并創(chuàng)建它

for(i=0;i20;i++)

{

//轉(zhuǎn)成String格式

Swprintf(DeviceName,L\Device\PLX_DRIVER_NAME_UNICODEL-%d,i);

//初始化DeviceName_Unicode

RtlInitUnicodeString(DeviceName_Unicode,DeviceName);

//創(chuàng)建設(shè)備

status=IoCreateDevice(

pDriverObject,

sizeof(DEVICE_EXTENSION),

DeviceName_Unicode,

FILE_DEVICE_UNKNOWN,

0,

FALSE,

fdo

);

…

//為用戶應(yīng)用程序創(chuàng)建Win32關(guān)聯(lián)名

//轉(zhuǎn)成String格式

swprintf(DeviceLinkName,L\DosDevices\PLX_DRIVER_NAME_UNICODEL-%d,i);

//初始化DeviceLinkName_Unicode

RtlInitUnicodeString(

DeviceLinkName_Unicode,

DeviceLinkName

);

//建立設(shè)備關(guān)聯(lián)符號

status=IoCreateSymbolicLink(

DeviceLinkName_Unicode,

DeviceName_Unicode

);

…

returnSTATUS_SUCCESS;

}

3．DispatchPnp例程

支持即插即用主要是指實(shí)現(xiàn)一個AddDevice例程和一個IRP_MJ_PNP處理程序。這個PnPIRP有8個主要次功能代碼，大多數(shù)的WDM驅(qū)動程序需要支持這些次功能代碼。

·IRP_MN_START_DEVICE。

·IRP_MN_QUERY_REMOVE_DEVICE。

·IRP_MN_REMOVE_DEVICE。

·IRP_MN_CANCLE_REMOVE_DEVICE。

·IRP_MN_STOP_DEVICE。

·IRP_MN_QUERY_STOP_DEVICE。

·IRP_MN_CANCLE_STOP_DEVICE。

·IRP_MN_QUERY_CAPABILITIES。

還有一些不太常用的IRP，這里就不再一一介紹，下面是這部分驅(qū)動的部分代碼。

NTSTATUSDispatch_Pnp(

PDEVICE_OBJECTfdo,

PIRPpIrp

)

{ …

//檢查次功能代碼

switch(stack->MinorFunction)

{

caseIRP_MN_START_DEVICE: //配置并初始化設(shè)備

status=HandleStartDevice(fdo,pIrp);

break;

caseIRP_MN_STOP_DEVICE: //關(guān)閉設(shè)備

status=HandleStopDevice(fdo,pIrp);

break;

caseIRP_MN_REMOVE_DEVICE: //關(guān)閉并刪除設(shè)備

Unlock=FALSE;

status=HandleRemoveDevice(fdo,pIrp);

break;

caseIRP_MN_QUERY_REMOVE_DEVICE: //查詢設(shè)備是否可被安全刪除

status=DefaultPnpHandler(fdo,pIrp);

break;

caseIRP_MN_CANCEL_REMOVE_DEVICE: //忽略以前的QUERY_REMOVE

status=DefaultPnpHandler(fdo,pIrp);

break;

caseIRP_MN_QUERY_STOP_DEVICE: //查詢設(shè)備是否可被安全關(guān)閉

status=DefaultPnpHandler(fdo,pIrp);

break;

caseIRP_MN_CANCEL_STOP_DEVICE: //忽略以前的QUERY_STOP

status=DefaultPnpHandler(fdo,pIrp);

break;

caseIRP_MN_QUERY_CAPABILITIES: //取設(shè)備能力

status=DefaultPnpHandler(fdo,pIrp);

break;

…}

returnstatus;

}

這些功能代碼函數(shù)都在DriverEntry（）入口函數(shù)中進(jìn)行了聲明。

4．DispatchPower例程

WDM設(shè)備驅(qū)動程序支持電源管理，一個設(shè)備可以改變它的電源使用來響應(yīng)系統(tǒng)電源狀態(tài)變化，且在處于空閑狀態(tài)時可以減少它自己的電源使用。一個休眠的設(shè)備可以喚醒系統(tǒng)，如當(dāng)調(diào)制解調(diào)器收到到達(dá)的呼叫時。

驅(qū)動程序的電源管理例程圍繞電源IRP_MJ_POWERIRP進(jìn)行處理，這些例程處理這個IRP，并在需要時產(chǎn)生這個IRP。這個IRP有4個電源管理次功能代碼。

·IRP_MN_WAIT_WAKE。

·IRP_MN_POWER_SEQUENCE。

·IRP_MN_SET_POWER。

·IRP_MN_QUERY_POWER。

這部分的代碼如下：

NTSTATUSDispatch_Power(

PDEVICE_OBJECTfdo,

PIRPpIrp

)

{

NTSTATUSstatus;

PIO_STACK_LOCATIONstack;

//獲取指向被調(diào)用的Irp的棧位置的指針

stack=IoGetCurrentIrpStackLocation(pIrp);

switch(stack->MinorFunction)

{

caseIRP_MN_WAIT_WAKE: //喚醒計(jì)算機(jī)，響應(yīng)一個外部事件

status=DefaultPowerHandler(fdo,pIrp);

break;

caseIRP_MN_POWER_SEQUENCE: //確定設(shè)備是否真正進(jìn)入特定的電源狀態(tài)

status=DefaultPowerHandler(fdo,pIrp);

break;

caseIRP_MN_SET_POWER: //設(shè)置系統(tǒng)或設(shè)備電源狀態(tài)

status=HandleSetPower(fdo,pIrp);

break;

caseIRP_MN_QUERY_POWER: //查詢系統(tǒng)或設(shè)備狀態(tài)變化是否可行

status=HandleQueryPower(fdo,pIrp);

break;

default: //確定設(shè)備是否真正進(jìn)入特定的電源狀態(tài)

status=DefaultPowerHandler(fdo,pIrp);

break;

}

returnstatus;

}

5．Unload例程

在默認(rèn)情況下，驅(qū)動程序裝入之后，在重新引導(dǎo)之前就一直保持在系統(tǒng)中。要使系統(tǒng)可卸載，必須有一個Unload例程。Uload例程在DriverEntry期間聲明，然后，每當(dāng)驅(qū)動程序被手動或自動卸載時，I/O管理程序就調(diào)用該例程。

該例程函數(shù)原型為：

VOIDUnload(PDRIVER_OBJECTpDriverObject)

通常一個Uload例程執(zhí)行如下工作。

·對于某些種類的硬件，設(shè)備狀態(tài)應(yīng)當(dāng)保存在注冊表中。那樣，在DriverEntry下一次執(zhí)行時，設(shè)備能夠恢復(fù)到最近已知的狀態(tài)。

·如果啟動了設(shè)備中斷，Unload例程必須僅用它們，并斷開它們與中斷對象的連接。

·必須釋放屬于驅(qū)動程式的硬件。

·必須從Win32名字空間中刪除符號鏈接名字，這可以用IoDeleteSymbolicLink完成。

·必須用IoDeleteDevice刪除設(shè)備對象自身。

·釋放驅(qū)動程序占據(jù)的任何池內(nèi)存。

驅(qū)動中的部分代碼如下：

VOIDDriverUnload(PDRIVER_OBJECTpDriverObject)

{

//釋放公共緩沖區(qū)

if(Gbl_CommonBuffer.PciMem.PhysicalAddr!=(U32)NULL)

{

//釋放內(nèi)存描述列表（MDL）

if(Gbl_CommonBuffer.pMdl!=NULL)

{

IoFreeMdl(Gbl_CommonBuffer.pMdl);

Gbl_CommonBuffer.pMdl=NULL;

}

//釋放公共緩沖區(qū)

if(Gbl_CommonBuffer.pKernelVa!=NULL)

{

MmFreeContiguousMemory(Gbl_CommonBuffer.pKernelVa);

Gbl_CommonBuffer.pKernelVa=NULL;

}

}

//釋放DMA使用的緩沖區(qū)

#ifdefined(DMA_SUPPORT)

DriverBufferTerminate();

#endif

}

6．Dispatch例程

驅(qū)動程序裝載是第一步工作，但是最終驅(qū)動程序的作業(yè)是響應(yīng)I/O請求——來自用戶模式應(yīng)用程序的請求或者來自系統(tǒng)其他地方的請求。Windows2000驅(qū)動程序通過Dispatch例程來處理這些請求。I/O管理程序調(diào)用這些例程以響應(yīng)請求。

要啟用特定的I/O函數(shù)代碼，驅(qū)動函數(shù)必須首先“聲明”響應(yīng)這樣一個請求的Dispatch例程。聲明機(jī)制是DriverEntry執(zhí)行的工作，它把Dispatch例程函數(shù)地址保存在驅(qū)動程序?qū)ο蟮腗ajorFunction表的合適位置上。

I/O函數(shù)代碼是用于表的索引。其中，每個I/O函數(shù)代碼（表索引）由一個IRP_MJ_XXX形式的惟一符號標(biāo)示，在NTDDK.h（或WDM.h）包含文件中定義。

所有驅(qū)動程序必須支持函數(shù)代碼IRP_MJ_CREATE，因?yàn)榫帉懘舜a的目的是響應(yīng)Win32CreateFile調(diào)用。如果不支持該代碼，Win32應(yīng)用程序?qū)o法獲取設(shè)備的句柄。同樣也必須支持IRP_MJ_CLOSE，以處理Win32CloserHandle調(diào)用。

驅(qū)動程序應(yīng)當(dāng)支持的其他函數(shù)代碼取決它控制的設(shè)備的本質(zhì)。表13.3將用到的I/O函數(shù)代碼與產(chǎn)生它們的Win32調(diào)用相關(guān)聯(lián)。

表13.3 Dispatch例程表