《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于PCI總線的實(shí)時(shí)測(cè)頻卡WDM驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
摘要: 在Windows操作平臺(tái)上,,WDM已成為主流的驅(qū)動(dòng)模型。這里主要介紹根據(jù)工程背景開發(fā)的基于PCI總線的實(shí)時(shí)測(cè)頻卡的WDM驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì),。
Abstract:
Key words :

  PCI總線" title="PCI總線">PCI總線是一種與CPU無關(guān)的32/64位地址數(shù)據(jù)復(fù)用總線,,工作頻率為33 MHz/66 MHz,它支持突發(fā)傳輸,,具有即插即用,、電源管理等功能。PCI總線以其優(yōu)良性能和可適應(yīng)性成為現(xiàn)代微機(jī)的主流總線,。在開發(fā)PCI設(shè)備的過程中,,需要為PCI設(shè)備寫驅(qū)動(dòng)程序。Windows驅(qū)動(dòng)程序模型(WDM)是Microsoft公司力推的全新驅(qū)動(dòng)程序模式,它支持PhP,、電源管理和WMI等技術(shù),。在Windows操作平臺(tái)上,WDM已成為主流的驅(qū)動(dòng)模型,。這里主要介紹根據(jù)工程背景開發(fā)的基于PCI總線的實(shí)時(shí)測(cè)頻卡的WDM驅(qū)動(dòng)程序" title="WDM驅(qū)動(dòng)程序">WDM驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì),。

  1實(shí)時(shí)測(cè)頻卡硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

  實(shí)時(shí)測(cè)頻卡的主要功能是實(shí)時(shí)測(cè)定信號(hào)頻率,實(shí)時(shí)識(shí)別信號(hào)調(diào)制方式,。系統(tǒng)的電路框圖如圖1所示,。外部待測(cè)信號(hào)通過SMA接口進(jìn)入實(shí)時(shí)測(cè)頻卡的ADC。ADC輸出的數(shù)字信號(hào)在FPGA中緩存后進(jìn)入DSP,。在DSP內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行粗估,,然后通過EMIF接口把轉(zhuǎn)化為頻率和相位控制字的粗估結(jié)果發(fā)給DDC。DDC做出調(diào)整后,,通過FPGA把移頻和降采樣后的信號(hào)輸入給DSP,。 DSP依據(jù)粗估結(jié)果和DDC的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)頻。測(cè)頻完畢后,,通過PCI總線向PC機(jī)發(fā)出中斷信號(hào),。PC機(jī)響應(yīng)中斷,讀取DSP內(nèi)指定位置內(nèi)存處的測(cè)頻數(shù)據(jù),。為簡(jiǎn)化PCI接口電路設(shè)計(jì),,選用帶有PCI接口電路的DSP芯片TMS320C6416。



  2 TMS320C6416的PCI接口介紹

  實(shí)時(shí)測(cè)頻卡通過TMS320C6416的PCI接口和主機(jī)進(jìn)行通信,。該接口符合PCI 2.2規(guī)范,,能提供33 MHz總線時(shí)鐘,32 b數(shù)據(jù)寬度,,可達(dá)到峰值132 MB/s的數(shù)據(jù)帶寬,。PCI接口包括配置寄存器" title="配置寄存器">配置寄存器、I/O寄存器和存儲(chǔ)器映射寄存器,。圖2給出了部分PCI配置寄存器,。配置寄存器的主要功能如下:

  (1)設(shè)備的識(shí)別、控制和狀態(tài)指示,。將供應(yīng)商ID域,、設(shè)備ID域、版本域,、配置頭類型域,、分類代碼域這五個(gè)域用于識(shí)別設(shè)備。所有的PCI設(shè)備必須設(shè)置這些域,,配置軟件可利用它們來確定系統(tǒng)中可用的PCI總線設(shè)備,。對(duì)于TMS320C6416芯片而言,,供應(yīng)商ID為104CH;設(shè)備ID為A106H,;其他三個(gè)域隨不同的應(yīng)用會(huì)有所改變,。命令寄存器為發(fā)出和響應(yīng)PCI總線命令提供粗略的控制。狀態(tài)寄存器用于記錄PCI總線有關(guān)操作的狀態(tài)信息,。

 

  (2)中斷引腳寄存器的功能,。01H~04H值對(duì)應(yīng)于PCI中斷請(qǐng)求引腳INTA#~I(xiàn)NTD#。

  (3)基地址寄存器的功能,。其功能是為PCI設(shè)備指定存儲(chǔ)空間,。PCI存儲(chǔ)空間分為獨(dú)立尋址的Memory空間和I/O空間兩類。Memory空間適用于設(shè)備功能寄存器較多或數(shù)據(jù)流量較大的場(chǎng)合,,I/O空間適用于設(shè)備功能寄存器較少或數(shù)據(jù)流量較小的場(chǎng)合,。PCI接口擁有3個(gè)基地址寄存器BAR用于保存指向PCI存儲(chǔ)空間的指針。圖2為部分PCI配置寄存器,。

 ?、貰ase 0基地址寄存器(BAR0)。確定一個(gè)4 MB可預(yù)取的PC機(jī)內(nèi)存地址空間,。將DSP存儲(chǔ)空間中不同的4 MB空間都映射到PC機(jī)內(nèi)存相同的4 MB空間中,。由DSP頁寄存器(DSPP)設(shè)置該區(qū)域在。DSP存儲(chǔ)空間中的映射位置,;用BAR0訪問DSP內(nèi)部的RAM和外掛的通過EMIFA和EMIFB訪問的存儲(chǔ)器空間,。訪問時(shí)每次最多只能讀取DSP存儲(chǔ)空間的4 MB內(nèi)容,并且需要定義DSPP寄存器,,以指定訪問空間的起始地址,。訪問支持?jǐn)?shù)據(jù)突發(fā)傳輸模式。這種映射方式只適用于DSP處于從模式,。

 ?、贐ase 1基地址寄存器(BAR1):確定一個(gè)8 MB不可預(yù)取的訪問區(qū)間。對(duì)DSP芯片而言,,其訪問地址固定在0180000H~0200000H的范圍內(nèi),。用BARl來訪問DSP內(nèi)部所有的操作命令控制寄存器,。

 ?、跙ase 2基地址寄存器(BAR2):定義一個(gè)16 B的PC機(jī)I/O空間,用于訪問PCI的I/O寄存器,。BAR2加偏移00H,,訪問主機(jī)狀態(tài)寄存器HSR;BAR2加偏移04H,,訪問主機(jī)對(duì)DSP控制寄存器HDCR,;BAR2加偏移08H,,訪問DSP頁寄存器DSPP。

  3 WDM概述

  WDM(Windows Driver Model)是一種遵循即插即用協(xié)議的內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)程序,,它是微軟的全新驅(qū)動(dòng)程序模式,,旨在通過提供一種靈活的方式來簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā),在實(shí)現(xiàn)對(duì)新硬件支持的基礎(chǔ)上,,減少并降低必須開發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序數(shù)量和復(fù)雜性,。在WDM中,采用圖3所示的分層驅(qū)動(dòng)程序體系結(jié)構(gòu),。

 

  在WDM模型中,,每個(gè)硬件設(shè)備至少有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)程序:總線驅(qū)動(dòng)程序和功能驅(qū)動(dòng)程序??偩€驅(qū)動(dòng)程序由操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),,它在最底層直接與設(shè)備打交道,負(fù)責(zé)管理硬件與計(jì)算機(jī)的連接,;負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)總線上所有的設(shè)備,,并檢測(cè)設(shè)備何時(shí)添加到總線上或何時(shí)從總線上刪除。設(shè)備功能驅(qū)動(dòng)程序在上層通過與低層驅(qū)動(dòng)程序打交道,,進(jìn)行硬件操作,,以實(shí)現(xiàn)PCI設(shè)備的功能。中間還可以有類過濾驅(qū)動(dòng)程序或設(shè)備過濾驅(qū)動(dòng)程序用于修改和監(jiān)視IRP(I/O請(qǐng)求包),,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的過濾或轉(zhuǎn)換,。一般在特殊的情況下才需要編寫。在實(shí)際開發(fā)中,,只需要開發(fā)一個(gè)設(shè)備功能驅(qū)動(dòng)程序即可,。

  WDM還引入了功能設(shè)備對(duì)象(Functional DeviceObject,F(xiàn)DO)與物理設(shè)備對(duì)象(Physical Device Object,,PDO)來描述硬件,。一個(gè)PDO對(duì)應(yīng)一個(gè)真實(shí)的硬件,一個(gè)硬件只允許有一個(gè)PDO,,卻可以有多個(gè)FDO,。在驅(qū)動(dòng)程序中直接操作的不是硬件而是相應(yīng)的PDO與FDO。當(dāng)應(yīng)用程序與WDM驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行通信時(shí),,系統(tǒng)為每一個(gè)用戶請(qǐng)求打包,,形成一個(gè)I/O請(qǐng)求包(IRP)結(jié)構(gòu),將其發(fā)送到驅(qū)動(dòng)程序,,并通過識(shí)別IRP中的PDO來區(qū)別是發(fā)送給哪一個(gè)設(shè)備,。IRP從驅(qū)動(dòng)程序堆棧棧頂進(jìn)入,每層驅(qū)動(dòng)再把I/O請(qǐng)求劃分成更簡(jiǎn)單的請(qǐng)求,,以傳給更下層的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行,,最底層的驅(qū)動(dòng)程序在收到IRP后,,通過硬件抽象層HAL與硬件發(fā)生作用,從而完成I/O請(qǐng)求工作,。內(nèi)核通常通過發(fā)送IRP來運(yùn)行驅(qū)動(dòng)程序中的代碼,。

  4測(cè)頻卡WDM驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)

  在微軟公司DDK工具的支持下,Compuware Nu-Mega公司提供Driver Studio工具包中的DriverWorks將WDM驅(qū)動(dòng)程序編寫所需的對(duì)內(nèi)核及對(duì)硬件的訪問封裝成類庫(kù),,加上驅(qū)動(dòng)程序代碼生成向?qū)riverlWizard,,極大地簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)難度。本文選擇DriverWorks作為WDM驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)工具,。

  測(cè)頻卡驅(qū)動(dòng)程序的主要功能是為用戶讀取所測(cè)信號(hào)的頻率參數(shù),,包括載頻、調(diào)制方式,、碼元速率等,。同時(shí)用戶還能通過驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送命令對(duì)測(cè)頻卡的工作方式進(jìn)行控制。由此可知,,驅(qū)動(dòng)程序要重點(diǎn)處理好硬件訪問和中斷處理" title="中斷處理">中斷處理工作,。

  4.1I/O訪問

  類KIoRange封裝了對(duì)I/O端口的操作。本卡中PCI配置寄存器中的Base 2基地址寄存器定義了I/O空間,。在OnstartDevice例程中取得I/O資源,,并初始化,其函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下:



  完成初始化后,,可以用成員函數(shù)inb,,inw,ind從I/O端口讀一個(gè)(多個(gè))字節(jié),、字,、雙字的數(shù)據(jù);outb,,outw,,outd向I/O端口寫一個(gè)(多個(gè))字節(jié)、字,、雙字的數(shù)據(jù),。

  4.2內(nèi)存訪問

  在Windows系統(tǒng)中,內(nèi)存分為分頁內(nèi)存和非分頁內(nèi)存,。在WDM驅(qū)動(dòng)程序中,,對(duì)于硬件的內(nèi)存映射一般需要用非分頁內(nèi)存。因?yàn)樵谝恍┹^高級(jí)別的例程中,,使用分頁內(nèi)存會(huì)造成系統(tǒng)產(chǎn)生缺頁中斷,,從而引起死鎖,。使用非分頁內(nèi)存無需太多的轉(zhuǎn)換,,非常安全,,效率也高。類KMemoryRange封裝了對(duì)PCI設(shè)備映射內(nèi)存的操作,。類KMemoryRange成員函數(shù)的讀/寫操作同類KIoRange,。由PCI配置寄存器中的Base 0和Base 1基地址寄存器分別定義了兩個(gè)內(nèi)存空間。在OnstartDevice例程中取得內(nèi)存資源并初始化,,其函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下:

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

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

  4.3中斷處理

  中斷處理一般需要聲明兩種類實(shí)例:Klnterrupt和KDeferredCall,。Kinterrupt類用于實(shí)現(xiàn)硬件中斷處理;KDeferredCall類用于實(shí)現(xiàn)延時(shí)過程調(diào)用,。首先創(chuàng)建一個(gè)Klnterrupt類實(shí)例m_Irq,,將此實(shí)例作為設(shè)備類的成員變量,然后創(chuàng)建一個(gè)KDeferredCall類實(shí)例m_DpcFor_Irq,。m_Irq對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)例程和m_DpcFor_Irq對(duì)應(yīng)的延時(shí)過程調(diào)用例程也需要在實(shí)例中聲明,。這兩個(gè)實(shí)例m_Irq和m_DpcFor_Irq都是在OnstartDevice例程中初始化的,代碼如下:

  status=m_Irq.InifializeAndConnect(pResListTranslated,,LinkTo(Isr_Irq),,This);

  m_DpcFor_Irq.Setup(LinkTo(DpeFor_Irq),,this),;

  中斷服務(wù)例程的處理時(shí)間應(yīng)盡量短,對(duì)于一些耗時(shí),,但不需要立即處理的任務(wù),,中斷服務(wù)程序會(huì)調(diào)用一個(gè)低于中斷服務(wù)程序DIRQL級(jí)別的延遲過程調(diào)用程序DPC,在DISPATCH_LEVEL上完成處理,,這個(gè)級(jí)別上的限制較少,,函數(shù)調(diào)用也相對(duì)比較方便。在中斷服務(wù)例程中,,首先判斷中斷是否是自己設(shè)備產(chǎn)生的,,若不是,返回FALSE,;若是,,進(jìn)行必要的處理,請(qǐng)求一個(gè)DPC(延時(shí)過程調(diào)用),,然后返回TRUE,。關(guān)鍵代碼如下:

 

  在延時(shí)過程調(diào)用例程DpcFor_Irq中,,讀取所測(cè)信號(hào)的頻率參數(shù):

 

  5驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用程序之間的通信

  雖然驅(qū)動(dòng)程序是為設(shè)備的硬件層編程服務(wù)的,但同樣需要提供和應(yīng)用程序進(jìn)行通信的能力,,從而最終達(dá)到應(yīng)用程序控制設(shè)備的目的,。應(yīng)用程序與驅(qū)動(dòng)程序之間的通信通過調(diào)用Win32 API來實(shí)現(xiàn),應(yīng)用程序用Creatfile函數(shù)通過已經(jīng)定義的設(shè)備接口來獲取驅(qū)動(dòng)程序文件句柄,,然后將文件句柄作為其他Win32 API函數(shù)的一個(gè)參數(shù),,對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。調(diào)用DeviceloControl進(jìn)行數(shù)據(jù)量較小的,,如控制指令傳輸或端口,、寄存器訪問;調(diào)用ReadFile,,WriteFile等函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)量較大的傳輸,,如內(nèi)存讀/寫等。驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用程序的通信有DeviceControl異步完成,、共享Win32事件通知兩種方式,。Win32事件通知是由應(yīng)用程序創(chuàng)建了一個(gè)事件后,設(shè)置事件的狀態(tài)為Unsignal,,然后直接將該事件句柄傳遞給驅(qū)動(dòng)程序,,等待驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送事件通知。驅(qū)動(dòng)程序通過類Kevent獲取這個(gè)事件的一個(gè)對(duì)象指針后,,在IRQL≤DISPATCH_LEVEL級(jí)別的例程中設(shè)置事件信號(hào)狀態(tài)為Signal來通知應(yīng)用程序進(jìn)行后續(xù)處理,。

  6結(jié)語

  基于上述的硬件結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)方法,成功開發(fā)了一款實(shí)時(shí)測(cè)頻卡,,在實(shí)際中得到了很好的應(yīng)用,,板卡工作正常,達(dá)到了預(yù)期效果,。實(shí)踐證明,,DriverWorks是一款功能強(qiáng)大,使用方便的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)工具,,利用它可以方便快捷地構(gòu)造PCI設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序框架,,大大加快了開發(fā)周期,提高了開發(fā)效率,。

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