PCI設備Windows通用驅(qū)動程序設計

在設計和使用PCI設備時，經(jīng)常要在PC機的軟件中訪問和控制硬件設備，但Windows操作系統(tǒng)(包括Windows 95/98、Windows NT、Windows 2000)為了保證系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可移植性，對應用程序訪問硬件資源加以限制，這就要求設計設備驅(qū)動程序以實現(xiàn)PC機的軟件對PCI設備的訪問。
　　Windows下的驅(qū)動程序不僅僅包括物理設備的驅(qū)動程序，也包括為文件系統(tǒng)等非物理設備編寫的虛擬設備驅(qū)動程序。為了簡化問題，下面只討論硬件物理設備的驅(qū)動程序。本文將以“通用高速PCI總線目標模塊”[1]的驅(qū)動設計為例，探討PCI設備的驅(qū)動程序設計方案。我們開發(fā)了一套通用的PCI設備驅(qū)動程序，它可以完成一般PCI設備驅(qū)動所需的功能，可以作為其它PCI設備驅(qū)動開發(fā)的框架。
1 驅(qū)動程序的模式和開發(fā)工具的選擇
　　設備驅(qū)動程序是指管理某個外圍設備的一段代碼。驅(qū)動程序不會獨立地存在，而是操作系統(tǒng)的一部分。通過設備驅(qū)動程序，多個進程可以同時使用這些資源，從而可以實現(xiàn)多進程并行運行。在下文中，將調(diào)用設備驅(qū)動程序的PC機程序稱為用戶程序。
　　Windows 95和Windows NT采用的驅(qū)動程序體系不同，所以大多數(shù)情況下驅(qū)動程序也不能通用。如果設備需要在Windows 9x/NT下使用，一般至少要設計Windows 9x和Windows NT兩個驅(qū)動程序版本。Windows 98 可以兼容Windows 95的驅(qū)動程序，同時它又推出一個新的Win32 Drivers Mode(WDM)驅(qū)動類型。Windows 98中有些設備(如USB設備)的驅(qū)動程序必須為WDM模式。這個新的類型實際是在Windows NT的驅(qū)動模型的基礎上增加了即插即用等內(nèi)容。WDM驅(qū)動也可以用在Windows 2000(先前叫Windows NT 5.0)中。從長遠的角度看。今后開發(fā)人員只要開發(fā)WDM驅(qū)動就可以了，但從目前的市場情況來看，Windows 95是無法放棄的，所以WDM在近一兩年還無法替代其它類型的設備驅(qū)動。
　　Intel 80386以上的微處理器有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，而用戶程序運行在3級上，在對硬件操作上有一些限制(具體的限制在不同的操作系統(tǒng)中是不同的)。Windows 95支持的驅(qū)動類型很多，但針對一般硬件設備而言，主要是VxD和打印機驅(qū)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設備有全部訪問權，所以大多數(shù)硬件驅(qū)動程序都是VxD。VxD驅(qū)動通常以.vxd為擴展名，放在WindowsSystem目錄下，可以在Windows 95啟動時裝入，也可以在程序運行時根據(jù)需要動態(tài)地載入。動態(tài)加載有助于節(jié)約系統(tǒng)內(nèi)存和資源。但打印機驅(qū)動程序不是VxD，它運行在3級上。同Windows 95類似，Windows NT的驅(qū)動也有可以運行在0級的內(nèi)核模式(Kernel Mode)和運行在3極的用戶模式(User Mode)之分。由于Windows NT禁止用戶模式的程序訪問I/O端口(Windows 95/98則允許用戶程序直接訪問I/O端口)，直接控制物理設備的驅(qū)動程序都是內(nèi)核模式的。而我們設計的PCI通用驅(qū)動程序要求對各種硬件資源訪問，所以應該選擇工作在0級的驅(qū)動程序模式。
　　開發(fā)設備驅(qū)動采用的主要開發(fā)工具是微軟為設備開發(fā)者提供的軟件包Device Driver Kit(DDK)。這個軟件包包括有關設備開發(fā)的文檔、編譯需要的頭文件和庫文件、調(diào)試工具和程序范例。在DDK中還定義了一些設備驅(qū)動可以調(diào)用的系統(tǒng)底層服務，象DMA服務、中斷服務、內(nèi)存管理服務、可安裝文件系統(tǒng)服務等等。這些都是編寫設備驅(qū)動所必須的。但Windows 95的DDK由于主要使用匯編語言描述。開發(fā)起來比較困難。因此，我們在Windows 95操作系統(tǒng)中同時采用了Numega公司的產(chǎn)品VtoolsD。VtoolsD是基于C/C++的，支持Borland C++和Visual C++，使用和維護都較Windows 95 DDK容易。
2 PCI驅(qū)動程序的特點
　　在設計驅(qū)動程序之前，首先要對欲控制的硬件設備進行細致地分析，更需要詳細了解硬件設備的特性。硬件設備的特性會對驅(qū)動程序設計產(chǎn)生重大的影響。需要了解的最主要的硬件特性包括：
　　(1)設備的總線結構
　　設備采用什么總線結構非常關鍵，因為不同的總線類型(如ISA和PCI)在許多硬件工作機制上是不同的，所以驅(qū)動程序設計也不同。
　　(2)寄存器
　　要了解設置的控制寄存器、數(shù)據(jù)寄存器和狀態(tài)寄存器，以及這些寄存器工作的特性。
　　(3)設備錯誤和狀態(tài)
　　要了解如何判斷設備的狀態(tài)和錯誤信號，這些信號要通過驅(qū)動程序返回給用戶。
　　(4)中斷行為
　　要了解設備產(chǎn)生中斷的條件和使用中斷的數(shù)量。
　　(5)數(shù)據(jù)傳輸機制
　　最常見的數(shù)據(jù)傳輸機制是通過I/O端口(port)，也就是通過CPU的IN/OUT指令進行數(shù)據(jù)讀寫。PC的另一種重要的傳輸機制是DMA，但PCI規(guī)范不包括從屬DMA的說明。
　　(6)設備內(nèi)存
　　許多設備自身帶有內(nèi)存，PCI設備大多是采用映射的方式映射到PC系統(tǒng)的物理內(nèi)存。有的設備還要通過驅(qū)動程序設置設備的接口寄存器。
　　有關驅(qū)動程序的加載和響應用戶請求的內(nèi)容，在DDK文檔中有規(guī)定，所以設計設備驅(qū)動程序主要的面臨問題是如何進行硬件操作，這是根據(jù)設備的不同而不同的。而硬件驅(qū)動程序的功能雖然千差萬別，但基本功能就是完成設備的初始化、對端口的讀寫操作、中斷的設置、響應和調(diào)用以及對內(nèi)存的直接讀寫。如前面所說，Windows 9x和Windows NT的操作系統(tǒng)模型不同，但驅(qū)動程序所要完成的工作卻是相同的，所以下面以Windows 9x為主進行介紹，僅在需要的地方指出兩個操作系統(tǒng)的不同。