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PCI傳輸卡的WDM驅動程序設計
摘要：介紹了在Windows2000操作系統(tǒng)下，使用DriverStudio軟件編寫符合WDM模式的PCI數(shù)據傳輸卡驅動程序，并詳細分析了一個應用實例。關鍵詞：PCI總線設備驅動程序WDM模式DriverStudio
ＰＣＩ總線規(guī)范是為提高微機總線的數(shù)據傳輸速度而制定的一種局部總線標準。在設計自行開發(fā)的基于ＰＣＩ總線的數(shù)據傳輸設備時，需要開發(fā)相應的設備驅動程序。通常開發(fā)ＰＣＩ設備驅動程序有多種模式，在Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００環(huán)境下，主要采用ＷＤＭ模式。本文針對自行開發(fā)的基于ＰＣＩ總線的ＣＣＤ視頻信號傳輸控制卡，編寫了符合ＷＤＭ模式的驅動程序。
１ＷＤＭ模式驅動程序
１．１ＷＤＭ模式（ＷｉｎｄｏｗｓＤｒｉｖｅｒＭｏｄｅｌ）
Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００對驅動程序的編寫不再基于以往的Ｗｉｎ３．ｘ和Ｗｉｎ９ｘ下的ＶｘＤ（虛擬設備驅動程序）結構，而是基于一種新的驅動模型——ＷＤＭ（ＷｉｎｄｏｗｓＤｒｉｖｅｒＭｏｄｅｌ）。
ＷＤＭ為Ｗｉｎｄｏｗｓ９８／２０００／ＸＰ操作系統(tǒng)的設備驅動程序的設計提供了統(tǒng)一的框架。ＷＤＭ來源于ＷｉｎｄｏｗｓＮＴ的分層３２位設備驅動程序模型（ｌａｙｅｒｅｄ３２－ｂｉｔｄｅｖｉｃｅｄｒｉｖｅｒｍｏｄｅｌ）。它支持更多的特性，如即插即用（ＰｎＰ）、電源管理、ＷＭＩ和ＮＴ事件。
１．２設備驅動程序
設備驅動程序是操作系統(tǒng)的一個組成部分，它由Ｉ／Ｏ管理器（Ｉ／ＯＭａｎａｇｅｒ）管理和調動。Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００操作系統(tǒng)下的Ｉ／Ｏ管理器功能描述如圖１所示。
Ｉ／Ｏ管理器每收到一個來自用戶應用程序的請求就創(chuàng)建一個Ｉ／Ｏ請求包（ＩＲＰ）的數(shù)據結構，并將其作為參數(shù)傳遞給驅動程序。驅動程序通過識別ＩＲＰ中的物理設備對象（ＰＤＯ）來區(qū)別是發(fā)送給哪一個設備。ＩＲＰ結構中存放請求的類型、用戶緩沖區(qū)的首地址、用戶請求數(shù)據的長度等信息。驅動程序處理完這個請求后，在該結構中填入處理結果的有關信息，調用ＩｏＣｏｍｐｌｅｔｅＲｅｑｕｅｓｔ將其返回給Ｉ／Ｏ管理器，用戶應用程序的請求隨即返回。訪問硬件時，驅動程序通過調用硬件抽象層的函數(shù)實現(xiàn)。
１．３ＤｒｉｖｅｒＳｔｕｄｉｏ工具簡介
ＮｕＭｅｇａＬａｂ公司開發(fā)的ＤｒｉｖｅｒＳｔｕｄｉｏ是一整套開發(fā)、調試和檢測Ｗｉｎｄｏｗｓ平臺下設備驅動程序的工具軟件包。它把ＤＤＫ（ＤｅｖｉｃｅＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＫｉｔ）封裝成完整的Ｃ＋＋函數(shù)庫，根據具體硬件通過向導生成框架代碼，并且提供了一套完整的調試和性能測試工具ＳｏｆｔＩＣＥ、ＤｒｉｖｅｒＭｏｎｉｔｏｒ等。
２應用實例
本文利用ＰＣＩ專用接口芯片ＰＣＩ９０５２設計了一個數(shù)據傳輸控制卡。卡上主要的芯片有ＰＣＩ９０５２、ＦＩＦＯ（ＣＹ７Ｃ４２２１）、ＣＰＬＤ（ＭＡＸ７０６４Ｓ）和Ａ／Ｄ轉換器（ＭＡＸ１１９７）。傳輸卡硬件框圖如圖２所示。面陣ＣＣＤ得到的視頻信號經過調理電路，生成的視頻調理信號通過Ａ／Ｄ轉換器進行數(shù)字化處理，送入ＦＩＦＯ中。在ＣＰＬＤ的控制下，數(shù)據經過ＰＣＩ９０５２送入ＰＣＩ總線，再傳送到計算機內存中，并顯示在監(jiān)視器上。驅動程序必須實現(xiàn)如下幾個基本功能：（１）硬件中斷；（２）能支持應用程序獲取數(shù)據；（３）能根據外部ＦＩＦＯ（ＣＹ７Ｃ４２２１）的狀態(tài)啟動或停止突發(fā)傳輸。
在數(shù)據輸入過程中，最重要的是對數(shù)據進行實時控制，因此需要硬件中斷。在中斷程序中，根據外部ＦＩＦＯ狀態(tài)完成數(shù)據的讀入。
２．１用ＤｒｉｖｅｒＷｉｚａｒｄ生成驅動程序框架
ＤｒｉｖｅｒＳｔｕｄｉｏ中的ＤｒｉｖｅｒＷｏｒｋｓ軟件為開發(fā)ＷＤＭ程序提供了一個完整的框架。它包含一個可快速生成ＷＤＭ驅動程序框架的代碼生成向導工具ＤｒｉｖｅｒＷｉｚａｒｄ，而且還帶有許多類庫。在用ＤｒｉｖｅｒＷｉｚａｒｄ生成的程序框架中寫入相對于設備的特定代碼，編譯后即可得到所需的驅動程序。
在利用ＤｒｉｖｅｒＷｏｒｋｓＶ２．７的向導ＤｒｉｖｅｒＷｉｚａｒｄ完成驅動程序的框架時共有１１個步驟，其中關鍵步驟有：
（１）在第四步中選中ＰＣＩ，并在ＶｅｎｄｏｒＩＤ和ＤｅｖｉｃｅＩＤ中分別輸入廠商號和設備號，還需填入ＰＣＩＳｕｂｓｙｓｔｅｍＩＤ和ＰＣＩＲｅｖｉｓｉｏｎＩＤ。這四項可以用網上的免費軟件ＰＣＩＴｒｅｅ或ＰＣＩＶｉｅｗ瀏覽ＰＣＩ設備，用這兩個軟件也可以得到ＢＡＲ０～ＢＡＲ５的資源分配情況和中斷號。
>（２）第七步ＩＲＰ隊列排隊方法，它決定了驅動程序檢查設備的方式。本設計選ＳｙｓｔｅｍＭａｎａｇｅｄ，則所有的ＩＲＰ排隊都由系統(tǒng)（即Ｉ／Ｏ管理器）完成。
（３）第九步是最關鍵的一步。首先在Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ中添加資源，在ｎａｍｅ中輸入變量名，在ＰＣＩＢａｓｅＡｄｄｒｅｓｓ中輸入０～５的序列號。０～５和ＢＡＲ０～ＢＡＲ５一一對應。在設置中斷對話框中，在ｎａｍｅ欄寫入中斷服務程序的名稱，選中創(chuàng)建中斷服務程序ＩＳＲ?穴ＣｒｅａｔｅＩＳＲ?雪，不選創(chuàng)建延遲程序調用ＤＰＣ（ＣｒｅａｔｅＤＰＣ），選中ＭａｋｅＩＳＲ／ＤＰＣｃｌａｓｓｆｕｎｃｔｉｏｎｓ，使ＩＳＲ／ＤＰＣ成為設備類的成員函數(shù)。
其次選中Ｂｕｆｆｅｒ以選取讀寫方式，用于描述與Ｉ／Ｏ操作相關的數(shù)據緩沖區(qū)。本設計需要快速傳送大量數(shù)據，因此采用ＤｉｒｅｃｔＩ／Ｏ方式。
（４）在第十步中，需要加入與應用程序或者其他驅動程序通信的Ｉ／Ｏ控制代碼參量。
２．２驅動程序模塊框圖和代碼分布
ＰＣＩ設備驅動程序模塊包括配置空間的訪問模塊、ＩＯ端口模塊、內存讀寫模塊和終端模塊等。各模塊之間是對等的。驅動程序模塊框圖如圖３所示。
驅動程序初始化模塊代碼段放在＃ｐｒａｇｍａｃｏｄｅ＿ｓｅｇ（″ＩＮＴ″）和＃ｐｒａｇｍａｃｏｄｅ＿ｓｅｇ（）之間。在系統(tǒng)初始化完成后，這部分代碼從內存中釋放，防止占用系統(tǒng)寶貴的內存資源。＃ｐｒａｇｍａｃｏｄｅ＿ｓｅｇ（）之后是驅動程序和系統(tǒng)的許多模塊的實現(xiàn)部分。這部分在驅動程序運行后不會從內存中釋放。
２．３驅動程序主要模塊的實現(xiàn)
（1）配置空間的訪問模塊
ＤｒｉｖｅｒＷｏｒｋｓ的ＫＰｃｉＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ類封裝了訪問ＰＣＩ設備配置空間的所有操作。首先初始化這個類的實例：
ＫｐｃｉＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎＰｃｉＣｏｎｆｉｇ（）ｍ＿Ｌｏｗｅｒ．ＴｏｐＯｆＳｔａｃｋ（））；
／?觹ｍ＿Ｌｏｗｅｒ是ＫｐｎｐＬｏｗｅｒＤｅｖｉｃｅ類的對象。ｍ＿ＬｏｗｅｒＴｏｐＯｆＳｔａｃｋ（）返回當前設備堆棧頂部的設備對象。*/
初始化完后可以直接利用成員函數(shù)ＲｅａｄＨｅａｄｅｒ／ＷｒｉｔｅＨｅａｄｅｒ函數(shù)訪問所有的配置寄存器。
為了確定映射空間的類型和大小，先向目標基地址寄存器寫入０Ｘｆｆｆｆｆｆｆｆｈ，然后回讀該寄存器的值。如果最低位為１，表示映射于Ｉ／Ｏ空間，反之為存儲空間；如果映射于存儲空間，從第四位開始計算０的個數(shù)可以確定內存空間的大小；如果是Ｉ／Ｏ方式，從第二位開始計算０的個數(shù)可確定Ｉ／Ｏ空間的大小，最大為２５６字節(jié)。如果設備的存儲空間超過２５６字節(jié)，要實現(xiàn)設備的整個存儲部分的訪問，就必須采用內存映射。
（２）Ｉ／Ｏ操作模塊
Ｄｒｉｖｅｒｗｏｒｋｓ的ＫＩｏＲａｎｇｅ類封裝了Ｉ／Ｏ端口訪問的操作。部分代碼如下：
{……
ＫＩＯＲａｎｇｅＤｅｖＩｏＰｏｒｔ()；／／創(chuàng)建實例
ＮＴＳＴＡＴＵＳｓｔａｔｕｓ＝ＤｅｖＩｏＰｏｒｔ()．Ｉｎｉｔｉａｌｉｚｅ(ｐＲｅｓＬｉｓｔＴｒａｎｓｌａｔｅｄ，ｐＲｅｓＬｉｓｔＲａＷ，ＰｃｉＣｏｎｆｉｇ．ＢａｓｅＡｄｄｒｅｓｓＩｎｄｅｘＴｏＯｒｄｉｎａｌ(0))；
／*第一個參數(shù)為轉換后的資源列表指針；第二個參數(shù)為原始資源列表指針；第三個參數(shù)中的０為Ｉ／Ｏ口對應的基地址，用來轉換成特定端口資源的序數(shù)?*／
Ｉｆ(ＮＴ＿ＳＵＣＣＥＳＳ(ｓｔａｔｕｓ))
{……
ＤｅｖＩｏＰｏｒｔ．ｉｎｂ(0,ＬｉｎｅＢｕｆ１,１０);
／*成功初始化后可分別用ＫＩｏＲａｎｇｅ類的成員函數(shù)ｉｎｂ(／ｏｕｔｂ)從端口中讀／寫字節(jié)*／
}
ｅｌｓｅ｛Ｉｎｖａｌｉｄａｔｅ()；ｒｅｔｕｒｎｓｔａｔｕｓ；
／*未能初始化成功，錯誤信息在ｓｔａｔｕｓ中*／
{
……}
(３)內存讀寫模塊
ＤｒｉｖｅｒＷｏｒｋｓ的ＫＭｅｍｏｒｙＲａｎｇｅ類封裝了端口訪問的操作。
ｓｔａｔｕｓ＝ｍ＿ＭｅｍｏｒｙＲａｎｇｅ()．Ｉｎｉｔｉａｌｉｚｅ(ｐＲｅｓＬｉｓｔＴｒａｎｓｌａｔｅｄ，ｐＲｅｓＬｉｓｔＲａｗ，ＰｃｉＣｏｎｆｉｇ．ＢａｓｅＡｄｄｒｅｓｓＩｎｄｅｘＴｏＯｒｄｉｎａｌ(０))；
此函數(shù)的參數(shù)、意義及具體用法與Ｉ／Ｏ端口的操作基本相同。
內存對象也用來發(fā)送控制字，以控制ＣＰＬＤ的開始和停止等
。實際上控制字是通過ＰＣＩ９０５２發(fā)送的。該控制字地址已被映射成ＰＣＩ的內存空間。所以定義一個指向內存空間的內存對象，通過該對象即可發(fā)送控制字。
（４）中斷模塊
在中斷模塊，首先要激活ＰＣＩ９０５２中斷使能位，然后判斷硬件中斷響應是否產生，如果有，則進行突發(fā)傳輸，讀入ＦＩＦＯ中的數(shù)據。
ＢＯＯＬＥＡＮＴｒａｎＣａｒｄ::Ｉｓｒ＿ＭｙＩｒｑ(ｖｏｉｄ)
{ｉｆ(／／中斷未產生)
{……
ｒｅｔｕｒｎＦＡＬＳＥ;}
ｅｌｓｅ
{／*如果產生硬件中斷，設置命令寄存器，進行突發(fā)數(shù)據傳輸*／
ｒｅｔｕｒｎＴＲＵＥ;}
}
為了將硬件中斷與編寫的中斷服務程序連接在一起，采用ＩｎｉｔｉａｌｉｚｅＡｎｄＣｏｎｎｅｃｔ方法，部分代碼如下：
ＮＴＳＴＡＴＵＳＴｒａｎＣａｒｄＤｅｖｉｃｅ?押?押ＯｎＳｔａｒｔＤｅｖｉｃｅ(ＫＩｒｐＩ)
{……
ｓｔａｔｕｓ＝ｍ＿ＭｙＩｒｑ．ＩｎｉｔｉａｌｉｚｅＡｎｄＣｏｎｎｅｃｔ(
ｐＲｅｓＬｉｓｔＴｒａｎｌａｔｅｄ,
ＬｉｎｋＴｏ(Ｉｓｒ＿ＭｙＩｒｑ),
Ｔｈｉｓ;)
……}
２．４驅動程序的調用
編寫驅動程序本身不是最終目的，最終目的是調用驅動程序管理資源，并為用戶應用程序使用。驅動程序加載以后，它的許多進程處于Ｉｄｌｅ狀態(tài)，實際上需要用戶應用程序去調用激活。應用程序利用Ｗｉｎ３２ＡＰＩ直接調用驅動程序，實現(xiàn)驅動程序和應用程序的信息交互。
首先用ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ()打開設備，獲得一個指向設備對象的句柄。使用ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ函數(shù)時應注意：由于驅動程序是*．ｓｙｓ，所以第一個參數(shù)應該是這個設備對象的標志連接（ｓｙｍｂｏｌｉｃｌｉｎｋ）。該標志連接名有一個設置數(shù)據文件搜索路徑的數(shù)字號，而這個數(shù)字號通常是零。如果這個連接名是″ＴｒａｎＣａｒｄ″，則傳遞給ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ的宇符串就是：″＼＼＼＼．＼＼ＴｒａｎＣａｒｄ０″。例如：
ＨＡＮＤＬＥｈＤｅｖｉｃｅ＝ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ(″＼＼＼＼．＼＼ＴｒａｎＣａｒｄ０″)ＧＥＮＥＲＩＣ＿ＲＥＡＤ｜ＧＥＮＥＲＩＣ＿ＷＲＩＴＥ,ＦＩＬＥ＿ＳＨＡＲＥ＿ＲＥＡＤ,ＮＵＬＬ?,ＯＰＥＮ＿ＥＸＩＳＴＩＮＧ,0,ＮＵＬＬ);
然后用ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ()進行數(shù)據的傳送。最后用ＣｌｏｓｅＨａｎｄｌｅ（）關閉設備句柄。
下面是應用ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ()程序片段。
{……
ｍ＿ｂ＝ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ(ｈＤｅｖｉｃｅ,ＴＲＡＮＣＡＲＤ＿ＩＯＣＴＬ＿
ＲＥＣＥＩＶＥ(ｂｕｆｆｅｒ,ｓｉｚｅｏｆ,ｂｕｆｆｅｒ,ＮＵＬＬ,0,＆ｂｕｆｆｅｒｓｉｚｅ，ＮＵＬＬ);
……}
２．５驅動程序的調試
采用ＳｏｆｔＩＣＥ、ＤｒｉｖｅｒＭｏｎｉｔｏｒ作為調試工具，基本調試過程如下：（１）使用ｓｙｍｂｏｌｌｏａｄｅｒ加載驅動程序，然后使用ＳｏｆｔＩＣＥ跟蹤調試，確認驅動程序正常加載；（２）對核心的中斷響應程序代碼，用ＳｏｆｔＩＣＥ中的Ｇｅｎｉｎｔ命令產生虛擬中斷，單步跟蹤中斷；（３）硬件發(fā)送大量的數(shù)據，通過查看內存的數(shù)據，確認數(shù)據傳輸是否正確。
在驅動程序的調試過程中，經常出現(xiàn)系統(tǒng)“死機”、“藍屏”等現(xiàn)象，這些情況可能因內存訪問分頁錯誤、設備資源和系統(tǒng)資源沖突、Ｉ／Ｏ使用錯誤、程序中“指針”使用錯誤等因素造成。
上述方案均調試通過。使用ＷＤＭ模式開發(fā)驅動程序，程序結構清晰，開發(fā)周期較短，效率高。在ＰＣＩ從模式條件下，大數(shù)據量連續(xù)傳輸速度可達２８Ｍｂｐｓ以上。
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