在WINDOWS操作系統(tǒng)下基于PCI總線開(kāi)發(fā)WDM驅(qū)動(dòng)程序

1、引言

微型計(jì)算機(jī)界以INTEL公司為主推出了PCI總線規(guī)范。采用PCI總線設(shè)備所具有的配置空間以及PCI總線通過(guò)橋接電路與CPU相連的技術(shù)使PCI總線具有廣泛的適應(yīng)性，并且PCI總線采用寬字節(jié)和高達(dá)33Mb的時(shí)鐘頻率的猝發(fā)和主控方式傳輸能滿足高速設(shè)備的要求。

在WINDOWS操作系統(tǒng)下，開(kāi)發(fā)PCI設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序最好的方案是WDM驅(qū)動(dòng)程序。在一個(gè)系統(tǒng)中開(kāi)發(fā)出WDM驅(qū)動(dòng)程序，稍加修改即可在其他系統(tǒng)中編譯運(yùn)行。

2WINDOWS驅(qū)動(dòng)程序模型WDM

WDM（WINDOWSDriverProgramModel）是一個(gè)模塊化的、分層次類型的微型驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)，它是編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主要模型。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是提供連接到計(jì)算機(jī)的硬件的軟件接口，它是操作系統(tǒng)的一部分，用戶應(yīng)用程序以一種規(guī)范的方式訪問(wèn)硬件，而不必考慮必須如何控制硬件。在WINDOWS中，驅(qū)動(dòng)程序總是使設(shè)備看起來(lái)像是一個(gè)文件，可以打開(kāi)設(shè)備的一個(gè)句柄，然后應(yīng)用程序可以在設(shè)備句柄最后關(guān)閉之前向驅(qū)動(dòng)程序發(fā)出讀寫請(qǐng)求。WDM是在WindowsNT驅(qū)動(dòng)程序體系的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，修改或增加了即插即用、電源管理等功能，使之適應(yīng)硬件和用戶的要求。

PCI總線是一種高性能、與CPU無(wú)關(guān)的32／64位地址數(shù)據(jù)復(fù)用的總線，它支持突發(fā)傳輸、即插即用、電源管理等功能，不但能滿足現(xiàn)在的應(yīng)用需要，而且能夠適應(yīng)未來(lái)的需求。PCI總線支持硬件資源動(dòng)態(tài)自動(dòng)配置，以支持即插即用。在PCI設(shè)備插入PCI插槽或上電后，PCI總線配置機(jī)構(gòu)自動(dòng)根據(jù)PCI設(shè)備的要求實(shí)現(xiàn)配置。PCI總線支持內(nèi)存讀寫、I／O端口讀寫、中斷機(jī)制和DMA功能。由于這些硬件特點(diǎn)使PCI設(shè)備的WDM驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)變得很復(fù)雜。在開(kāi)發(fā)WDM驅(qū)動(dòng)程序之前，還有必須掌握PCI設(shè)備的需要分配的資源等配置信息以及PCI設(shè)備的功能和操作方法。

在WDM中，采用了分層的驅(qū)動(dòng)程序體系結(jié)構(gòu)，總線驅(qū)動(dòng)程序或類驅(qū)動(dòng)程序在最底層直接與設(shè)備打交道，設(shè)備功能驅(qū)動(dòng)程序在上層通過(guò)與低層驅(qū)動(dòng)程序打交道，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的功能，中間還可以有類過(guò)濾驅(qū)動(dòng)程序或設(shè)備過(guò)濾驅(qū)動(dòng)程序用于數(shù)據(jù)的過(guò)濾或轉(zhuǎn)換。在PCI總線的驅(qū)動(dòng)程序?qū)又?，其層次圖如圖1所示：

在PCI設(shè)備的WDM驅(qū)動(dòng)程序中，一般是編寫功能驅(qū)動(dòng)程序。PCI總線驅(qū)動(dòng)程序由操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，過(guò)濾驅(qū)動(dòng)程序一般在特殊的情況下需要編寫。因此本文只討論P(yáng)CI設(shè)備功能驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。在PCI設(shè)備功能驅(qū)動(dòng)程序中，需要處理PCI設(shè)備的內(nèi)存、端口的讀寫、中斷處理和DMA數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)PCI設(shè)備的功能，因此，PCI設(shè)備功能驅(qū)動(dòng)程序是很標(biāo)準(zhǔn)的WDM設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

3、PCI設(shè)備資源的獲得及內(nèi)存、I／O讀寫

PCI設(shè)備的硬件資源是由PCI配置機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)分配的，由PCI設(shè)備實(shí)現(xiàn)PCI配置寄存器，提出需要分配的硬件資源，由PCI配置機(jī)構(gòu)分配資源。驅(qū)動(dòng)程序需要取得這些資源，才能操作硬件。因此，PCI設(shè)備的硬件資源分配與管理是驅(qū)動(dòng)程序中很重要的部分。硬件資源主要包括映射內(nèi)存空間、I／O空間、中斷。當(dāng)系統(tǒng)的PNP管理器在取得設(shè)備的資源后會(huì)自動(dòng)向驅(qū)動(dòng)程序發(fā)出IRP_MN_START_DEVICE的IRP，在該IRP棧中包含了設(shè)備的資源信息。好的驅(qū)動(dòng)程序都應(yīng)該使用這種方法，每個(gè)支持PNP功能的驅(qū)動(dòng)程序，都應(yīng)實(shí)現(xiàn)IRP_MN_START_DEVICE處理。在該IRP處理中應(yīng)先交給低層驅(qū)動(dòng)程序處理后，再根據(jù)IRP棧內(nèi)內(nèi)容進(jìn)行資源分配。

在PCI設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序中，獲得的設(shè)備內(nèi)存是一段映射物理內(nèi)存，這是無(wú)法使用的，需要將其映射成系統(tǒng)可以訪問(wèn)的非分頁(yè)內(nèi)存。函數(shù)MmMapIoSpace完成該功能。該函數(shù)的原型為：

參數(shù)PhysicalAddress為物理地址；NumberOfBytes為地址的數(shù)量；CacheEnable為內(nèi)存是否可以隱藏，取值可為MmNonCached，MmCached，MmWriteCombined，這里必須取為MmNonCached。

在PC上，I／O空間是一個(gè)64K字節(jié)的尋址空間。I／O端口的尋址方式與內(nèi)存是不一樣的。但是在WDM驅(qū)動(dòng)程序中，對(duì)其處理與內(nèi)存是一樣的，把其看作寄存器，映射為設(shè)備內(nèi)存。其映射方法和訪問(wèn)函數(shù)的用法與內(nèi)存資源一樣，只不過(guò)函數(shù)XXXREGISTERXXX改為XXXPORTXXX。

4、中斷的處理

在PCI總線中，很多設(shè)備共享一個(gè)中斷，這就需要在中斷處理函數(shù)要格外小心，處理不當(dāng)，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。驅(qū)動(dòng)程序首先要在IRPMNSTARTDEVICE中獲得中斷資源，然后需要連接到中斷處理函數(shù)中，使其當(dāng)有中斷請(qǐng)求時(shí)，進(jìn)入中斷服務(wù)例程。連接中斷的函數(shù)為IoConnectInterrupt，具體用法見(jiàn)上段程序中的“中斷資源”部分。十分需要注意的是在連接中斷之前，一定要確定PCI設(shè)備不會(huì)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，最好在PCI設(shè)備上電后，中斷為屏蔽狀態(tài)。在連接中斷后，調(diào)用開(kāi)啟中斷請(qǐng)求的函數(shù)需要同步處理，以防在函數(shù)的執(zhí)行中，出現(xiàn)運(yùn)行時(shí)間上的錯(cuò)誤，而且在開(kāi)啟中斷時(shí)，一定要在所有的硬件資源分配以后，否則如果有中斷產(chǎn)生，系統(tǒng)就會(huì)立即調(diào)用中斷處理例程，如果例程中使用了還沒(méi)有分配的資源，就會(huì)出現(xiàn)意想不到的結(jié)果。

在中斷服務(wù)例程中，相應(yīng)的處理最好簡(jiǎn)潔快速，因?yàn)橹袛嗬踢\(yùn)行的級(jí)別很高，當(dāng)有中斷請(qǐng)求時(shí)，不但會(huì)打斷應(yīng)用程序的執(zhí)行，而且會(huì)打斷在硬件中斷級(jí)以下的所有運(yùn)行程序。在WDM中，提供了DPC（DeferredProcedureCall）例程，將在中斷例程中耗時(shí)的但不需要立即處理的任務(wù)延時(shí)處理。比如，驅(qū)動(dòng)程序接受應(yīng)用程序的寫PCI設(shè)備的數(shù)據(jù)，當(dāng)寫完后，硬件產(chǎn)生中斷標(biāo)志執(zhí)行完畢，這時(shí)需要結(jié)束該IRP，就可以將結(jié)束IRP這個(gè)耗時(shí)的任務(wù)交給DPC完成。

在該實(shí)例中，由應(yīng)用程序調(diào)用函數(shù)WriteFile，將數(shù)據(jù)傳遞給驅(qū)動(dòng)程序，驅(qū)動(dòng)程序的DispatchWrite例程負(fù)責(zé)處理該IRP，在該例程中，由于需要中斷的配合，假定無(wú)法立即執(zhí)行完畢，必須將IRP串行化，StartIo例程如果沒(méi)有其他任務(wù)，就開(kāi)始處理該IRP，處理完畢后立即返回，但不能結(jié)束IRP，當(dāng)PCI設(shè)備完成操作后，就會(huì)產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)例程中把IRP交給DPC，在DPC中處理完后結(jié)束該IRP。

5、驅(qū)動(dòng)程序的安裝與應(yīng)用

Windows98和Windows2000是依靠INF文件來(lái)得到硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的安裝信息的一個(gè)設(shè)備信息文件（INF）。只要將文件中雙引號(hào)中的提示改為相應(yīng)的內(nèi)容即可生成我們自己的設(shè)備信息文件。

［Strings］

ProviderName=“yourcompanynamehere”／／公司名稱

MfgName=“NameofHWmanufacturerhere”／／硬件制造商名稱

DeviceDesc=“Descriptionofdevicehere”／／設(shè)備描述

DeviceClassName=“Descriptionofdeviceclasshere”／／設(shè)備類的描述

當(dāng)系統(tǒng)加電時(shí)，WINDOWS操作系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)所有外設(shè)，當(dāng)?shù)谝淮螜z測(cè)到我們的設(shè)備時(shí)系統(tǒng)會(huì)提示用戶指定新硬件的驅(qū)動(dòng)程序。根據(jù)提示指定了我們修改過(guò)的INF文件，以及編譯后生成的．sys系統(tǒng)文件系統(tǒng)就自動(dòng)安裝好了新硬件的驅(qū)動(dòng)程序。或者可以用控制面板中的添加新硬件來(lái)搜索新硬件。

驅(qū)動(dòng)程序安裝好以后，在應(yīng)用程序中就可以像打開(kāi)其他驅(qū)動(dòng)程序（如虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序VxD）一樣用CreateFile打開(kāi)設(shè)備。

6、基于PCI總線的電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡

圖2為該系統(tǒng)硬件組成框圖，該控制卡采用PCI總線實(shí)現(xiàn)主計(jì)算機(jī)與控制卡之間的信息傳遞?？刂瓶ㄉ嫌?個(gè)伺服控制專用芯片LM628，分別用于控制伺服電機(jī)；來(lái)自2個(gè)伺服電機(jī)的增量式碼盤輸入信號(hào)（A相、B相和Z脈沖），經(jīng)電平變換后分別送入LM628經(jīng)四倍頻和計(jì)數(shù)后作為反饋信號(hào)，由LM628根據(jù)主計(jì)算機(jī)給定的位置、速度、加速度生成梯形軌跡速度曲線作為給定值，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的反饋控制。主計(jì)算機(jī)對(duì)該控制器發(fā)送命令，伺服控制器即按給定的運(yùn)動(dòng)形式輸出相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，本卡中LM628工作于8位工作方式，產(chǎn)生輸出到功率放大器件。

應(yīng)用PCI總線目標(biāo)接口芯片PCI9052完成控制卡的接口部分，專用運(yùn)動(dòng)控制處理芯片LM628完成對(duì)電機(jī)的控制，再加上相應(yīng)的電路，即實(shí)現(xiàn)了基于PCI總線的精密電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡的硬件設(shè)計(jì)。

7、結(jié)束語(yǔ)

WDM用一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的模塊來(lái)處理設(shè)備數(shù)據(jù)的傳輸，驅(qū)動(dòng)程序在這個(gè)模塊中啟動(dòng)或停止設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)中斷或其他方式的輸入輸出操作。WDM使驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)非常清晰、完整，也使中斷I／O方式的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)更加方便、快捷。應(yīng)用WDM編制的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在本電機(jī)控制卡得到很好的應(yīng)用。

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