基于PCI總線實(shí)現(xiàn)E1數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)

引言

近年來(lái)TD-SCDMA一直是通信行業(yè)關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)，為了進(jìn)一步支持TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展，國(guó)家對(duì)當(dāng)前TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)發(fā)展的各個(gè)環(huán)節(jié)給予支持［1］。我國(guó)正大力開(kāi)發(fā)TD-SCDMA第三代移動(dòng)通信（3G）系統(tǒng)，即將大規(guī)模組建3G網(wǎng)絡(luò)，然而卻沒(méi)有所必需的實(shí)驗(yàn)研發(fā)、建網(wǎng)和運(yùn)行測(cè)試設(shè)備，在國(guó)際上傳統(tǒng)通信測(cè)試儀表廠商也只推出了基于CD-MA2000和WCDMA 2種標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試儀表。針對(duì)這樣的情況，研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TD-SCDMA移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀，完善TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)鏈，形成系列產(chǎn)品并推向市場(chǎng)，必將產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益。該測(cè)試儀主要測(cè)試的接口包括Iub，Iur，IuCS，IuPS，Nc，Nb，C/D/E/G/Gr/MSCS- SCP，Gn/Gp，Gi等［2-4］，主要實(shí)現(xiàn)協(xié)議分析（解碼）、呼叫跟蹤、業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)及分析、網(wǎng)絡(luò)異常分析、網(wǎng)絡(luò)分析和優(yōu)化、協(xié)議仿真等功能，采用工控機(jī)結(jié)構(gòu)，多鏈路、多通道的硬件由多個(gè)基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡（規(guī)程板）組成。E1數(shù)據(jù)采集卡是其中的一個(gè)PCI數(shù)據(jù)采集卡，它采集的2M信令用于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)維護(hù)和管理，是TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中非常重要的一部分。

1、E1數(shù)據(jù)采集卡的實(shí)現(xiàn)

E1數(shù)據(jù)采集卡從E1線上采集信令消息（包括七號(hào)信令等），用以監(jiān)視和仿真整個(gè)通話流程?？刂屏鞒倘鐖D1所示，PCI接口芯片（HDLC控制器）是一個(gè)多功能設(shè)備，包括一個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制器和一個(gè)PCI橋設(shè)備（EBUS）。網(wǎng)絡(luò)控制器完成時(shí)隙映射和DMA傳輸?shù)裙δ埽籔CI橋設(shè)備完成選通和配置成幀器，其中成幀器的選通用一個(gè)CPLD來(lái)完成。信令信號(hào)在成幀器成幀后，經(jīng)過(guò)HDLC控制器以DMA方式送入到PC緩沖區(qū)，用戶依據(jù)接口函數(shù)到緩沖區(qū)讀取信令數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

圖1E1數(shù)據(jù)采集卡控制流程圖

圖2E1數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)流程圖

2、E1數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

2.1開(kāi)發(fā)環(huán)境設(shè)置

在開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)前，首先要對(duì)開(kāi)發(fā)、編譯環(huán)境進(jìn)行設(shè)置。WDM驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)環(huán)境及在Windows XP/Windows2000下編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序的環(huán)境被稱為DDKFor WindowsXP/Windows2000或WindowsXP/Windows2000 DDK。DDK是一個(gè)命令行下的工作環(huán)境。在安裝DDK前需要先安裝Microsoft Visual C++和Win32 SDK（可選），安裝DDK成功后，一定要在控制面板“系統(tǒng)”屬性的“高級(jí)”標(biāo)簽環(huán)境變量編輯器中設(shè)置好這個(gè)環(huán)境變量。對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的編譯可以通過(guò)設(shè)置VC ++的項(xiàng)目設(shè)置，在VC環(huán)境中直接編譯驅(qū)動(dòng)程序，但改變?cè)O(shè)置的工作較繁瑣且易出錯(cuò)，因此“DDKbuild.exe”編譯聯(lián)接器是構(gòu)造驅(qū)動(dòng)程序的主要工具?！癉DKbuild.exe”從配置文件Sources中讀出待編譯的程序的配置，包括源文件、目標(biāo)文件等，從環(huán)境變量Include中得到引用文件的地址，然后調(diào)用Visual C++的編譯聯(lián)接器“Nmake.exe”進(jìn)行實(shí)際的編譯聯(lián)接工作。另外，build編譯聯(lián)接器還可以通過(guò)查看DIRS文件中的偽指令，確定要編譯的驅(qū)動(dòng)程序目錄列表。日志文件build.log，build.wrn，build.err中分別記錄了編譯聯(lián)接中執(zhí)行的命令行、遇到的錯(cuò)誤和警告。編譯完成后的文件后綴為“.sys”。

2.2驅(qū)動(dòng)框架設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)程序在初始化過(guò)程中，利用期間識(shí)別號(hào)（DID）、廠商識(shí)別號(hào)（VID）和檢索號(hào)（Index）搜索PCI器件，通過(guò)調(diào)用PCI BIOS確認(rèn)其存在，然后利用總線號(hào)、器件號(hào)、功能號(hào)和尋址設(shè)備的PCI配置空間（Configuration Space），獲得該設(shè)備的參數(shù)。這部分可以由DRIVERWORKS的向?qū)riverWizard來(lái)完成。

DriverWizard為設(shè)計(jì)者生成了2個(gè)類：一是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序類，另一個(gè)是設(shè)備應(yīng)用對(duì)象類。驅(qū)動(dòng)程序類主要完成WDM（Windows driver model）的DriverEntry和AddDevice例程；設(shè)備對(duì)象類就是與硬件對(duì)應(yīng)的功能設(shè)備對(duì)象（FDO）類，與硬件交互的例程都是針對(duì)此類的。通過(guò)前面驅(qū)動(dòng)框架設(shè)計(jì)的參數(shù)配置，驅(qū)動(dòng)程序就建立了聯(lián)系，接下來(lái)就是驅(qū)動(dòng)功能設(shè)計(jì)。

2.3 驅(qū)動(dòng)功能設(shè)計(jì)

E1數(shù)據(jù)采集卡底層驅(qū)動(dòng)程序的2個(gè)部分分別對(duì)應(yīng)接口芯片的2個(gè)功能設(shè)備：HDLC控制器和成幀器。E1數(shù)據(jù)采集卡的HDLC控制器和成幀器的配置都是驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)PCI接口芯片來(lái)配置的。

HDLC控制器的配置主要完成映射的共享體的配置。共享體用于HDLC寄存器的初配、接收和發(fā)送緩沖區(qū)配置。HDLC控制器為每個(gè)信道都建立一個(gè)消息鏈表，這樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)可以循環(huán)利用。HDLC控制器與成幀器的對(duì)應(yīng)關(guān)系決定于HDLC控制器端口映射方式的設(shè)置。 成幀器就是將E1線上的比特流整合成符合規(guī)范的HDLC幀，其中一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)E1 HDLC幀包括32個(gè)時(shí)隙，這些時(shí)隙可以通過(guò)配置映射到HDLC控制器的端口信道上。另外，可以通過(guò)時(shí)鐘配置實(shí)現(xiàn)多對(duì)多、多對(duì)一的靈活時(shí)隙映射。自環(huán)也是成幀器重要的功能之一，可以將發(fā)出的數(shù)據(jù)直接導(dǎo)到接收端，這對(duì)早期開(kāi)發(fā)很重要。成幀器提供3種自環(huán)模式，可以滿足不同階段配置的要求，具體如下。

（1）N×64 K模式。在該模式下，E1數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)成幀器耦合，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到一個(gè)HDLC控制器端口，這樣提供的8個(gè)E1接口都可用作接收數(shù)據(jù)。另外，用戶可以根據(jù)需要和當(dāng)前數(shù)據(jù)量的大小增減時(shí)隙配置。

（2）2 M模式。在該模式下，E1數(shù)據(jù)采集卡將4個(gè)成幀器與4個(gè)HDLC完全對(duì)應(yīng)，最大數(shù)據(jù)量達(dá)2 Mbit/s。

（3）N×8 K模式。該模式是為某些特殊情況設(shè)計(jì)的。在有些網(wǎng)絡(luò)中，七號(hào)信令可能只走一個(gè)HDLC幀中一個(gè)時(shí)隙的一個(gè)或幾個(gè)比特。在這種情況下，只將該時(shí)隙的對(duì)應(yīng)比特位映射到HDLC端口中，獲取準(zhǔn)確信息。

借助于驅(qū)動(dòng)的I/O接口函數(shù)，用戶可以通過(guò)API或MFC配置下層驅(qū)動(dòng)。另外，為滿足用戶對(duì)信令消息的特定要求，驅(qū)動(dòng)提供了控制消息長(zhǎng)度的接口函數(shù)，用戶可以隨意采集指定長(zhǎng)度的消息數(shù)據(jù)，便于特定檢測(cè)。

卡間同步?jīng)Q定了網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀實(shí)時(shí)檢測(cè)性能和仿真性能，是TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀的主要技術(shù)之一。2 M卡解決了時(shí)鐘同步問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)一機(jī)多卡，為大型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的繁重?cái)?shù)據(jù)量采集提供升級(jí)參考。

3、E1數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

E1數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)程序采用WDM結(jié)構(gòu)，程序具體模塊分析如圖3所示。

圖3設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的組成示意圖

3.1驅(qū)動(dòng)程序入口點(diǎn)和回調(diào)例程

驅(qū)動(dòng)程序有一個(gè)主要的初始化入口點(diǎn)——DriverEntry，當(dāng)驅(qū)動(dòng)被裝載時(shí)，內(nèi)核就調(diào)用DriverEntry例程。在 DriverEntry里，有回調(diào)例程供內(nèi)核調(diào)用，這些例程是驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)主體。內(nèi)核通過(guò)發(fā)送I/O請(qǐng)求包（IRP）來(lái)運(yùn)行驅(qū)動(dòng)程序中的這些例程。驅(qū)動(dòng)程序入口點(diǎn)和回調(diào)例程功能列表如表1所示。

表1驅(qū)動(dòng)程序入口點(diǎn)和回調(diào)例程

3.2IRP分發(fā)例程

“創(chuàng)建”、“關(guān)閉”、“讀”、“寫(xiě)”、“CTL碼”處理的例程就叫分發(fā)例程，在本驅(qū)動(dòng)中，用來(lái)產(chǎn)生IRP，IRP向上向下轉(zhuǎn)發(fā)、傳送數(shù)據(jù)。

3.3創(chuàng)建設(shè)備

每個(gè)設(shè)備接口都有一個(gè)惟一標(biāo)識(shí)的GUID碼（全局惟一標(biāo)識(shí)符），安裝設(shè)備驅(qū)動(dòng)時(shí)，inf將該信息導(dǎo)入到注冊(cè)表，形成一個(gè)符號(hào)鏈接名來(lái)表示設(shè)備。這樣，操作系統(tǒng)在設(shè)備安裝后都能夠識(shí)別設(shè)備。

3.4資源分配

資源包括I/O端口、存儲(chǔ)器空間、中斷和DMA線，這些資源都是由接口提供的。例如，存儲(chǔ)器地址可通過(guò)KMemoryRange來(lái)找尋。

3.5硬件訪問(wèn)

對(duì)硬件的訪問(wèn)包括IRP串行處理例程StartIo，StartIo例程可以防止程序的不同部分同時(shí)訪問(wèn)相同資源所引起的沖突，在E1數(shù)據(jù)采集卡中，StartIo例程負(fù)責(zé)上行處理接收的數(shù)據(jù)和下行的命令以及發(fā)送數(shù)據(jù)，StartIo可控性很強(qiáng)，能滿足采集卡對(duì)高速數(shù)據(jù)采集的要求，具體程序如下。

3.6中斷處理

中斷例程運(yùn)行級(jí)別很高，windows為了保護(hù)操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性，禁止驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用內(nèi)核函數(shù)。例如，中斷程序如果想完成IRP操作，必須要調(diào)用DPC例程：m_DpcFor_Irq.Setup（LinkTo（DpcFor_Irq），this）。

3.7驅(qū)動(dòng)卸載

驅(qū)動(dòng)卸載調(diào)用Pnp的IRP_MN_STOP_DE-VICE，所有申請(qǐng)內(nèi)存和中斷必須釋放，指針置空，例程如下：

3.8測(cè)試結(jié)果

圖4給出了E1數(shù)據(jù)采集卡采集的測(cè)試結(jié)果，從中可看到E1線采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)打標(biāo)后，被送到了上層測(cè)試程序，具有多線路、多業(yè)務(wù)、實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，滿足了設(shè)計(jì)要求。另外，板卡經(jīng)過(guò)了超過(guò)24小時(shí)的大數(shù)據(jù)量壓力測(cè)試，測(cè)試效果良好。

圖4E1數(shù)據(jù)采集卡采集測(cè)試結(jié)果

4、結(jié)束語(yǔ)

利用E1數(shù)據(jù)采集卡可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)通信鏈路的建立、傳輸、停止等過(guò)程，并且可以通過(guò)該卡的信令發(fā)送功能，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)仿真，減小TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)多次測(cè)試證明，E1數(shù)據(jù)采集卡完全可以應(yīng)用于TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)測(cè)試。該測(cè)試卡驅(qū)動(dòng)代碼運(yùn)行穩(wěn)定高效，功能模塊明晰，可以實(shí)時(shí)升級(jí)，以滿足不同用戶功能需求。

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