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PCI传输卡的WDM驱动程序设计

　　摘要：介绍了在Windows2000操作系统下，使用DriverStudio软件编写符合WDM模式的PCI数据传输卡驱动程序，并详细分析了一个应用实例。
关键词：PCI总线 设备驱动程序 WDM模式 DriverStudio
ＰＣＩ总线规范是为提高微机总线的数据传输速度而制定的一种局部总线标准。在设计自行开发的基于ＰＣＩ总线的数据传输设备时，需要开发相应的设备驱动程序。通常开发ＰＣＩ设备驱动程序有多种模式，在Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００环境下，主要采用ＷＤＭ模式。本文针对自行开发的基于ＰＣＩ总线的ＣＣＤ视频信号传输控制卡，编写了符合ＷＤＭ模式的驱动程序
１ ＷＤＭ模式驱动程序
１．１ ＷＤＭ模式
Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００对驱动程序的编写不再基于以往的Ｗｉｎ３．ｘ和Ｗｉｎ９ｘ下的ＶｘＤ结构，而是基于一种新的驱动模型——ＷＤＭ。
ＷＤＭ为Ｗｉｎｄｏｗｓ９８／２０００／ＸＰ操作系统的设备驱动程序的设计提供了统一的框架。ＷＤＭ来源于Ｗｉｎｄｏｗｓ ＮＴ的分层３２位设备驱动程序模型。它支持更多的特性，如即插即用、电源管理、ＷＭＩ和ＮＴ事件。
１．２ 设备驱动程序
设备驱动程序是操作系统的一个组成部分，它由Ｉ／Ｏ管理器管理和调动。Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００操作系统下的Ｉ／Ｏ管理器功能描述如图１所示。
Ｉ／Ｏ管理器每收到一个来自用户应用程序的请求就创建一个Ｉ／Ｏ请求包的数据结构，并将其作为参数传递给驱动程序。驱动程序通过识别ＩＲＰ中的物理设备对象来区别是发送给哪一个设备。ＩＲＰ结构中存放请求的类型、用户缓冲区的首地址、用户请求数据的长度等信息。驱动程序处理完这个请求后，在该结构中填入处理结果的有关信息，调用ＩｏＣｏｍｐｌｅｔｅＲｅｑｕｅｓｔ将其返回给 Ｉ／Ｏ管理器，用户应用程序的请求随即返回。访问硬件时，驱动程序通过调用硬件抽象层的函数实现。

１．３ ＤｒｉｖｅｒＳｔｕｄｉｏ工具简介
ＮｕＭｅｇａ Ｌａｂ公司开发的ＤｒｉｖｅｒＳｔｕｄｉｏ是一整套开发、调试和检测Ｗｉｎｄｏｗｓ平台下设备驱动程序的工具软件包。它把ＤＤＫ封装成完整的Ｃ＋＋函数库，根据具体硬件通过向导生成框架代码，并且提供了一套完整的调试和性能测试工具ＳｏｆｔＩＣＥ、ＤｒｉｖｅｒＭｏｎｉｔｏｒ等。
２ 应用实例
本文利用ＰＣＩ专用接口芯片ＰＣＩ９０５２设计了一个数据传输控制卡。卡上主要的芯片有ＰＣＩ９０５２、ＦＩＦＯ、ＣＰＬＤ和Ａ／Ｄ转换器。传输卡硬件框图如图２所示。面阵ＣＣＤ得到的视频信号经过调理电路，生成的视频调理信号通过Ａ／Ｄ转换器进行数字化处理，送入ＦＩＦＯ中。在ＣＰＬＤ的控制下，数据经过ＰＣＩ９０５２送入ＰＣＩ总线，再传送到计算机内存中，并显示在监视器上。驱动程序必须实现如下几个基本功能：硬件中断；能支持应用程序获取数据；能根据外部ＦＩＦＯ的状态启动或停止突发传输。
在数据输入过程中，最重要的是对数据进行实时控制，因此需要硬件中断。在中断程序中，根据外部ＦＩＦＯ状态完成数据的读入。
２．１ 用ＤｒｉｖｅｒＷｉｚａｒｄ生成驱动程序框架
ＤｒｉｖｅｒＳｔｕｄｉｏ中的ＤｒｉｖｅｒＷｏｒｋｓ软件为开发ＷＤＭ程序提供了一个完整的框架。它包含一个可快速生成ＷＤＭ驱动程序框架的代码生成向导工具ＤｒｉｖｅｒＷｉｚａｒｄ，而且还带有许多类库。在用ＤｒｉｖｅｒＷｉｚａｒｄ生成的程序框架中写入相对于设备的特定代码，编译后即可得到所需的驱动程序。
在利用ＤｒｉｖｅｒＷｏｒｋｓ Ｖ２．７的向导Ｄｒｉｖｅｒ Ｗｉｚａｒｄ完成驱动程序的框架时共有１１个步骤，其中关键步骤有
在第四步中选中ＰＣＩ，并在ＶｅｎｄｏｒＩＤ和ＤｅｖｉｃｅＩＤ中分别输入厂商号和设备号，还需填入ＰＣＩ Ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ ＩＤ和ＰＣＩ Ｒｅｖｉｓｉｏｎ ＩＤ。这四项可以用网上的免费软件ＰＣＩＴｒｅｅ或ＰＣＩＶｉｅｗ浏览ＰＣＩ设备，用这两个软件也可以得到ＢＡＲ０～ＢＡＲ５的资源分配情况和中断号。

第七步ＩＲＰ队列排队方法，它决定了驱动程序检查设备的方式。本设计选ＳｙｓｔｅｍＭａｎａｇｅｄ，则所有的ＩＲＰ排队都由系统完成。
第九步是最关键的一步。首先在Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ中添加资源，在ｎａｍｅ中输入变量名，在ＰＣＩ Ｂａｓｅ Ａｄｄｒｅｓｓ中输入０～５的序列号。０～５和ＢＡＲ０～ＢＡＲ５一一对应。在设置中断对话框中，在ｎａｍｅ栏写入中断服务程序的名称，选中创建中断服务程序ＩＳＲ?穴Ｃｒｅａｔｅ ＩＳＲ?雪，不选创建延迟程序调用ＤＰＣ，选中Ｍａｋｅ ＩＳＲ／ＤＰＣ ｃｌａｓｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ，使ＩＳＲ／ＤＰＣ成为设备类的成员函数。
其次选中Ｂｕｆｆｅｒ以选取读写方式，用于描述与Ｉ／Ｏ操作相关的数据缓冲区。本设计需要快速传送大量数据，因此采用Ｄｉｒｅｃｔ Ｉ／Ｏ方式。
在第十步中，需要加入与应用程序或者其他驱动程序通信的Ｉ／Ｏ控制代码参量。
２．２ 驱动程序模块框图和代码分布
ＰＣＩ设备驱动程序模块包括配置空间的访问模块、ＩＯ端口模块内存读写模块和终端模块等。各模块之间是对等的。驱动程序模块框图如图３所示。
驱动程序初始化模块代码段放在＃ｐｒａｇｍａ ｃｏｄｅ＿ｓｅｇ和＃ｐｒａｇｍ
　　ａ ｃｏｄｅ＿ｓｅｇ之间。在系统初始化完成后，这部分代码从内存中释放，防止占用系统宝贵的内存资源。＃ｐｒａｇｍａ ｃｏｄｅ＿ｓｅｇ之后是驱动程序和系统的许多模块的实现部分。这部分在驱动程序运行后不会从内存中释放。
２．３ 驱动程序主要模块的实现
配置空间的访问模块
ＤｒｉｖｅｒＷｏｒｋｓ的ＫＰｃｉＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ类封装了访问ＰＣＩ设备配置空间的所有操作。首先初始化这个类的实例
ＫｐｃｉＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ＰｃｉＣｏｎｆｉｇｍ＿Ｌｏｗｅｒ．ＴｏｐＯｆＳｔａｃｋ）；
／?觹ｍ＿Ｌｏｗｅｒ是 ＫｐｎｐＬｏｗｅｒＤｅｖｉｃｅ类的对象。ｍ＿ＬｏｗｅｒＴｏｐＯｆＳｔａｃｋ返回当前设备堆栈顶部的设备对象。*/
初始化完后可以直接利用成员函数 ＲｅａｄＨｅａｄｅｒ／ ＷｒｉｔｅＨｅａｄｅｒ函数访问所有的配置寄存器。
为了确定映射空间的类型和大小，先向目标基地址寄存器写入０Ｘｆｆｆｆｆｆｆｆｈ，然后回读该寄存器的值。如果最低位为１，表示映射于Ｉ／Ｏ空间，反之为存储空间；如果映射于存储空间，从第四位开始计算０的个数可以确定内存空间的大小；如果是Ｉ／Ｏ方式，从第二位开始计算０的个数可确定Ｉ／Ｏ空间的大小，最大为２５６字节。如果设备的存储空间超过２５６字节，要实现设备的整个存储部分的访问，就必须采用内存映射。
Ｉ／Ｏ操作模块
Ｄｒｉｖｅｒｗｏｒｋｓ的ＫＩｏＲａｎｇｅ类封装了Ｉ／Ｏ端口访问的操作。部分代码
{……
ＫＩＯＲａｎｇｅ ＤｅｖＩｏＰｏｒｔ () ；／／创建实例
ＮＴＳＴＡＴＵＳ ｓｔａｔｕｓ＝ ＤｅｖＩｏＰｏｒｔ ()．Ｉｎｉｔｉａｌｉｚｅ ( ｐＲｅｓＬｉｓｔＴｒａｎｓｌａｔｅｄ，ｐＲｅｓＬｉｓｔＲａＷ，ＰｃｉＣｏｎｆｉｇ．ＢａｓｅＡｄｄｒｅｓｓＩｎｄｅｘＴｏＯｒｄｉｎａｌ(0))；
／* 第一个参数为转换后的资源列表指针；第二个参数为原始资源列表指针；第三个参数中的０为 Ｉ／Ｏ口对应的基地址，用来转换成特定端口资源的序数?*／
Ｉｆ(ＮＴ ＿ＳＵＣＣＥＳＳ(ｓｔａｔｕｓ))
{……
ＤｅｖＩｏＰｏｒｔ．ｉｎｂ(0,ＬｉｎｅＢｕｆ１,１０);
／*成功初始化后可分别用ＫＩｏＲａｎｇｅ类的成员函数ｉｎｂ(／ｏｕｔｂ)从端口中读／写字节 *／
}
ｅｌｓｅ｛Ｉｎｖａｌｉｄａｔｅ()；ｒｅｔｕｒｎ ｓｔａｔｕｓ；
／*未能初始化成功，错误信息在ｓｔａｔｕｓ中*／
{
……}
(３)内存读写模块
ＤｒｉｖｅｒＷｏｒｋｓ的 ＫＭｅｍｏｒｙＲａｎｇｅ类封装了端口访问的操作。
ｓｔａｔｕｓ＝ｍ＿ＭｅｍｏｒｙＲａｎｇｅ()．Ｉｎｉｔｉａｌｉｚｅ(ｐＲｅｓＬｉｓｔＴｒａｎｓｌａｔｅｄ，ｐＲｅｓＬｉｓｔＲａｗ， ＰｃｉＣｏｎｆｉｇ．ＢａｓｅＡｄｄｒｅｓｓＩｎｄｅｘＴｏＯｒｄｉｎａｌ(０))；
此函数的参数、意义及具体用法与Ｉ／Ｏ端口的操作基本相同。
内存对象也用来发送控制字，以控制ＣＰＬＤ的开始和停止等。实际上控制字是通过ＰＣＩ９０５２发送的。该控制字地址已被映射成ＰＣＩ的内存空间。所以定义一个指向内存空间的内存对象，通过该对象即可发送控制字。
中断模块
在中断模块，首先要激活ＰＣＩ９０５２中断使能位，然后判断硬件中断响应是否产生，如果有，则进行突发传输，读入ＦＩＦＯ中的数据。
ＢＯＯＬＥＡＮ ＴｒａｎＣａｒｄ::Ｉｓｒ＿ＭｙＩｒｑ(ｖｏｉｄ)
{ ｉｆ (／／ 中断未产生)
{……
ｒｅｔｕｒｎ ＦＡＬＳＥ;}
ｅｌｓｅ
{／* 如果产生硬件中断，设置命令寄存器，进行突发数据传输 *／
ｒｅｔｕｒｎ ＴＲＵＥ;}
}
为了将硬件中断与编写的中断服务程序连接在一起，采用ＩｎｉｔｉａｌｉｚｅＡｎｄＣｏｎｎｅｃｔ方法，部分代码
ＮＴＳＴＡＴＵＳ ＴｒａｎＣａｒｄＤｅｖｉｃｅ?押?押ＯｎＳｔａｒｔＤｅｖｉｃｅ(ＫＩｒｐ Ｉ )
{……
ｓｔａｔｕｓ＝ｍ＿ＭｙＩｒｑ． ＩｎｉｔｉａｌｉｚｅＡｎｄＣｏｎｎｅｃｔ(
ｐＲｅｓＬｉｓｔＴｒａｎｌａｔｅｄ,
ＬｉｎｋＴｏ(Ｉｓｒ＿ＭｙＩｒｑ),
Ｔｈｉｓ;)
……}

２．４ 驱动程序的调用
编写驱动程序本身不是最终目的，最终目的是调用驱动程序管理资源，并为用户应用程序使用。驱动程序加载以后，它的许多进程处于Ｉｄｌｅ状态，实际上需要用户应用程序去调用激活。应用程序利用Ｗｉｎ３２ ＡＰＩ直接调用驱动程序，实现驱动程序和应用程序的信息交互。
首先用ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ()打开设备，获得一个指向设备对象的句柄。使用ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ函数时应注意：由于驱动程序是*．ｓｙｓ，所以第一个参数应该是这个设备对象的标志连接。该标志连接名有一个设置数据文件搜索路径的数字号，而这个数字号通常是零。如果这个连接名是″ＴｒａｎＣａｒｄ″，则传递给ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ的宇符串就是：″＼＼＼＼．＼＼ ＴｒａｎＣａｒｄ０″。例如
ＨＡＮＤＬＥ ｈＤｅｖｉｃｅ＝ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ(″＼＼＼＼．＼＼ＴｒａｎＣａｒｄ０″)ＧＥＮＥＲＩＣ＿ＲＥＡＤ｜ＧＥＮＥＲＩＣ＿ＷＲＩＴＥ,ＦＩＬＥ＿ＳＨＡＲＥ＿ＲＥＡＤ, ＮＵＬＬ?, ＯＰＥＮ＿ＥＸＩＳＴＩＮＧ,0,ＮＵＬＬ);
然后用 ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ()进行数据的传送。最后用ＣｌｏｓｅＨａｎｄｌｅ关闭设备句柄。
下面是应用ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ()程序片段。
{……
ｍ＿ｂ＝ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ(ｈＤｅｖｉｃｅ,Ｔ
　　ＲＡＮＣＡＲＤ＿ＩＯＣＴＬ＿
ＲＥＣＥＩＶＥ(ｂｕｆｆｅｒ, ｓｉｚｅｏｆ,ｂｕｆｆｅｒ, ＮＵＬＬ,0,＆ｂｕｆｆｅｒｓｉｚｅ，ＮＵＬＬ);
……}
２．５ 驱动程序的调试
采用ＳｏｆｔＩＣＥ、ＤｒｉｖｅｒＭｏｎｉｔｏｒ作为调试工具，基本调试过程使用ｓｙｍｂｏｌ ｌｏａｄｅｒ加载驱动程序，然后使用ＳｏｆｔＩＣＥ跟踪调试，确认驱动程序正常加载；对核心的中断响应程序代码，用ＳｏｆｔＩＣＥ中的Ｇｅｎｉｎｔ命令产生虚拟中断，单步跟踪中断；硬件发送大量的数据，通过查看内存的数据，确认数据传输是否正确。
在驱动程序的调试过程中，经常出现系统“死机”、“蓝屏”等现象，这些情况可能因内存访问分页错误、设备资源和系统资源冲突、Ｉ／Ｏ使用错误、程序中“指针”使用错误等因素造成。
上述方案均调试通过。使用ＷＤＭ模式开发驱动程序，程序结构清晰，开发周期较短，效率高。在ＰＣＩ从模式条件下，大数据量连续传输速度可达２８Ｍｂｐｓ以上。