如何為ISA設(shè)備編寫WDM驅(qū)動程序

WDM（Windows Driver Mode1）是Microsoft公司全新的Windows驅(qū)動程序模式，支持即插即用（PNP）、電源管理和WMI技術(shù)，它的運(yùn)行平臺是Windows 98／2000／XP／2003操作系統(tǒng)。這種具有跨平臺性的設(shè)備驅(qū)動模型可以大大簡化驅(qū)動程序的開發(fā)工作，為用戶的PNP設(shè)備驅(qū)動完成了大量的底層工作。這也使得WDM對各種老設(shè)備，特別是那些不具有即插即用特性硬件的支持明顯的不足。在科研和工控中，最常用的數(shù)據(jù)采集卡通常都是基于PC總線的不能為PNP提供硬件支持的ISA設(shè)備。為這類硬件編寫非WDM驅(qū)動程序只能局部支持PNP特性，而且需要做大量額外的工作如：必須檢測硬件，為硬件創(chuàng)建設(shè)備對象（用于代表硬件），配置并初始化硬件使其正常工作，這些工作非常復(fù)雜。利用WDM可以大大簡化這些工作。

1 WDM的結(jié)構(gòu)

WDM實(shí)際上是一個(gè)編寫驅(qū)動程序的規(guī)范。其驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和WINDOWS程序設(shè)計(jì)的消息驅(qū)動機(jī)制很相像，采用IRP驅(qū)動機(jī)制。WINDOWS 98和WINDOWS 2000處理IRP的方式一樣，本質(zhì)卻完全不同。

Windows2000的內(nèi)存管理采用了虛擬內(nèi)存的概念，系統(tǒng)表現(xiàn)為具有一個(gè)比物理內(nèi)存大得多的虛擬內(nèi)存空間。每個(gè)進(jìn)程都被賦予它自己的虛擬地址空間，這個(gè)地址空間劃分成固定大小的頁（x86、32位處理器的頁大小為4KB），一個(gè)頁可以駐留在物理內(nèi)存（非分頁內(nèi)存），或者被交換到硬盤上（分頁內(nèi)存）。當(dāng)進(jìn)程中的一個(gè)線程正在運(yùn)行時(shí)，該線程可以訪問只屬于它的進(jìn)程的內(nèi)存，屬于所有其他進(jìn)程的內(nèi)存則隱藏著，并且不能被正在運(yùn)行的線程訪問。每個(gè)進(jìn)程有獨(dú)立的內(nèi)存空間，不會被其他程序訪問，保護(hù)了數(shù)據(jù)的完整性。這樣，有一部分內(nèi)存實(shí)際上不是在物理內(nèi)存中，而是在硬盤上。當(dāng)訪問并不存在于實(shí)際物理內(nèi)存的地址時(shí)，內(nèi)存管理器引發(fā)DISPATCH_ LEVEL級別的頁故障中斷，調(diào)用硬盤驅(qū)動程序把故障頁讀入內(nèi)存。所以，在DISPATCH LEVEL級別上運(yùn)行代碼時(shí)，訪問非分頁內(nèi)存是一個(gè)基本原則，否則進(jìn)程將被阻塞，因?yàn)檫@個(gè)頁故障中斷被屏蔽了。這時(shí)，在當(dāng)前的Windows系統(tǒng)中，就會發(fā)生藍(lán)屏。虛擬內(nèi)存方便了應(yīng)用程序l的開發(fā)，卻給ISA設(shè)備在分配資源時(shí)帶來一些復(fù)雜的問題。因?yàn)閤86處理器的內(nèi)存頁大小為4KB，所以在為ISA設(shè)備進(jìn)行內(nèi)存映射時(shí)每段就不要超過4KB。否則當(dāng)訪問超出4KB地內(nèi)存時(shí)就會出現(xiàn)上面所說的藍(lán)屏。

WDM驅(qū)動程序面對的主要內(nèi)容是一系列內(nèi)核驅(qū)動對象。這些對象包括驅(qū)動對象、設(shè)備對象，還有一系列的資源抽象對象如中斷對象、適配器對象（處理DMA操作）、內(nèi)核模式派發(fā)器對象、控制器對象、推遲過程對象、定時(shí)器對象、設(shè)備隊(duì)列對象、回調(diào)對象等。其中驅(qū)動對象由I/O管理器負(fù)責(zé)創(chuàng)建和管理。WDM驅(qū)動程序利用IRP和這些對象完成硬件設(shè)備的抽象化，并對應(yīng)用程序提供統(tǒng)一操作接口。這就是所謂的WDM規(guī)范。

WDM驅(qū)動程序的結(jié)構(gòu)很簡單。它的主體是一個(gè)入口函數(shù)DriverEntry。DriverEntry的第一個(gè)參數(shù)是指針，指向一個(gè)剛被初始化的驅(qū)動程序?qū)ο螅搶ο蟠眚?qū)動程序。WDM驅(qū)動程序的DriverEntry例程完成這個(gè)對象的初始化并返回。WDM驅(qū)動程序的DriverEntry例程的主要工作是把各種函數(shù)指針填入驅(qū)動程序?qū)ο?。這些指針對操作系統(tǒng)指明了驅(qū)動程序容器中各種子例程的位置。它包括下面這些指針成員：

·DriverUnload指向驅(qū)動程序的清除例程。I/O管理器會在卸載驅(qū)動程序前調(diào)用該例程。通常WDM驅(qū)動程序的DriverEntry例程一般不分配任何資源，所以DriverUnload例程也沒有什么清除工作要做。

·DriverStartIo，如果驅(qū)動程序使用標(biāo)準(zhǔn)的串行IRP，則必須使用這個(gè)函數(shù)，使它指向驅(qū)動程序的StarIo例程。

·MajorFunction是一個(gè)指針數(shù)組，它主要處理各種用戶的I/O請求IRP。默認(rèn)情總況下，用戶的所有I/O請求都會由I/O管理器返回失敗。驅(qū)動程序?yàn)橐幚淼腎RP指定相應(yīng)的派遣函數(shù)。

2 為ISA設(shè)備分配資源

雖然WDM驅(qū)動程序可以簡化很多工作，但是給ISA設(shè)備編寫WDM驅(qū)動程序也有困難。這個(gè)困難是ISA設(shè)備所需資源的分配問題。根據(jù)PNP的規(guī)范，支持PNP的設(shè)備如PCI總線設(shè)備有相應(yīng)的寄存器標(biāo)識自己和自己可以接受的資源，如中斷、端口范圍、內(nèi)存范圍等，并且有相應(yīng)的邏輯支持配置資源。這使得操作系統(tǒng)啟動過程中可以動態(tài)地規(guī)劃調(diào)整各個(gè)設(shè)備的資源而不需要用戶的干預(yù)。為了兼容非PNP設(shè)備，INF文件支持幾個(gè)命令為設(shè)備分配資源。這些信息初提供給NPN管理器，并且被PNP管理器用來與系統(tǒng)其它部分協(xié)商以完成非PNP設(shè)備的自動資源分配。LOGCONFIG為設(shè)備制定一個(gè)可選的資源設(shè)定。還有相應(yīng)的IRQCONFIG、IOCONFIG、DMACONFIG、MEMCONFIG子命令，它們?yōu)樵O(shè)備指定具體的可選資源。語法如下：

ConfigPririty=

[DMAConfig=]

[IOConfig=

[IRQConfig=]

[MemConfig=]

其中CONFIGPRIOITY命令指定這個(gè)LOGCONFIG項(xiàng)的優(yōu)先級。其余子命令表示設(shè)備選用的硬件資源。下面是一個(gè)例子：

[CX2590.Install]

……；其它命令

LogConfig=CX2590_DMA；指定配置項(xiàng)的名稱

[CX2590_DMA]；配置項(xiàng)的名稱

ConfigPriority=NORMAL；配置的優(yōu)先級

IOConfig=4@300-3ff%3ff（3ff::）；指定IO范圍

IRQConfig=4，5，9，10，11 ；指定可選的中斷

DMAConfig=0，1，2，3 ；指定可選的DMA

在INF文件中加入LOGCONFIG命令可以解決ISA總線設(shè)備資源的自動分配問題，就可以為ISA總線設(shè)備編寫WDM驅(qū)動程序。

3 一個(gè)ISA設(shè)備WDM驅(qū)動程序的實(shí)現(xiàn)

使用Numega公司的開發(fā)工具DriverStudio 2.01可以大大地簡化驅(qū)動程序的開發(fā)過程。DriverStudio開發(fā)通用內(nèi)核模式的開發(fā)包是DriverWorks。DriverWorks是一個(gè)面向?qū)ο蟮墓ぞ甙?。它封裝了比較底層的繁復(fù)操作，提供給開發(fā)者一個(gè)簡潔的界面。同時(shí)，DriverWorks和Visual C++有很多的接口：DriverWorks專門為Visual C++提供了一個(gè)專門開發(fā)WDM驅(qū)動程序的WIZARD。在WIZARD指導(dǎo)下，開發(fā)者可以很容易地生成一個(gè)驅(qū)動程序的框架。開發(fā)者要作的工作就是根據(jù)特定硬件編寫相應(yīng)的代碼。

開發(fā)的高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)采用的是北京大恒公司的具有FIFO（隊(duì)列形式實(shí)現(xiàn)的緩存）的8路數(shù)據(jù)采集卡AC 1810。它的特點(diǎn)是由硬件自動完成采用操作：當(dāng)FIFO半滿的時(shí)候，系統(tǒng)產(chǎn)生中斷通知用戶取走數(shù)據(jù)；同時(shí)，硬件繼續(xù)自動采樣FIFO的另一關(guān)。驅(qū)動程序的主要工作包括設(shè)備I/O讀操作和中斷服務(wù)操作。下面是WIZARD生成的驅(qū)動對換和設(shè)備對象的定義（只取主要部分）：

// 驅(qū)動對象

class AC_1810 : public Kdriver

{

SAFE_DESTRUCTORS

public:

virtual NTSTATUS

DriverEntry（PUNICOE-STRING

RegistryPath）；

//驅(qū)動程序的入口函數(shù)

virtual NTSTATUS

AddDevice（PDEVICE_OBJECT Pdo）；

//完成設(shè)備對象和驅(qū)動對象的連接

……

};

//設(shè)備對象

class AC_1810Device : public KpnpDevice

{

// Constructors

public;

AC-1810Device（PDEVICE_OBJECT Pdo,

ULONG Unit）；//構(gòu)造函數(shù)完成資源配置

……

public:

AC_1810Device（PDEVICE_OBJECT Pdo,

ULONG Unit）；//構(gòu)造函數(shù)完成資源配置

……

public:

BOOLEAN Isr_Irq（void）；// IRQ中斷服務(wù)例程

Virtual NTSTATUS Create（KIrp I）；

//標(biāo)準(zhǔn)IRP處理函數(shù)

virtual NTSTATUS Close（KIrp I）；

// COMMENT_ONLY

virtual NTSTATUS Read（KIrp I）；

// COMMENT_ONLY

virtual VOID StarIo（KIrp I）；

// 開始I/O傳輸

VOID CancelQueuedIrp（KIrp I）；

// 判斷傳輸IPR是否被取消

VOID Invalidate（void）；

// 釋放資源例程

virtual NTSTATUS DefaultPnp（KIrp I）；

// 處理默認(rèn)的PNP操作

virtual NTSTATUS DefaultPower（KIrp I）；

// 管理電源

void SerialRead（KIrp I）；

//完成實(shí)際的I/O操作

NTSTATUS IOCTL_SETUP_Handler（KIrp I）；

//采樣參數(shù)設(shè)定

NTSTATUS IOCTL_REW_Handler（KIrp I）；

// 開始/停止采樣

……

protected:

KioRange m_IoPotrRange0

// 管理I/O資源

Kinterrupt m_Irq；

// 管理中斷資源

……

};

在實(shí)際操作過程中，采用中斷讀數(shù)的方法。在驅(qū)動程序中設(shè)置了兩個(gè)緩沖區(qū)，一個(gè)前臺緩沖區(qū)，一個(gè)后臺緩沖區(qū)（用作后備緩沖區(qū)），系統(tǒng)總是先使用前臺緩沖區(qū)。這樣可以保證采樣數(shù)據(jù)序列的時(shí)間順序。

具體實(shí)現(xiàn)如下：

// ISR例程，完成數(shù)據(jù)從FIFO中讀出

BOOLEAN AC_1810Device::Isr_Irq（void）

{

//是否觸發(fā)不斷？未觸發(fā)則返回，判斷兩個(gè)緩沖區(qū)情況，都滿則返回

……

// 前臺緩沖區(qū)未滿，使用前臺緩沖區(qū)

if（m_pBuffer->numused < MAX_READ_BUF）{

for（int i=0;i

m_pBuffer_>buff[m_pBuffer->numused+i]=READ_FIFO;

}

m_pBuffer->numused +=BLOCK_SIZE;

}

else

//完成其它情況的判斷

……

return TRUE;// 中斷成功返回

}

當(dāng)應(yīng)用程序使用標(biāo)準(zhǔn)Win32 API對設(shè)備進(jìn)行讀操作的時(shí)候，I/O管理器通知驅(qū)動程序并觸發(fā)對Read函數(shù)的調(diào)用。對于通常的串行設(shè)備，在Read函數(shù)的最后排隊(duì)IRP請求，此時(shí)系統(tǒng)就可以觸發(fā)StartIO例程，并且保證這個(gè)過程是串行處理的。

// 讀例程，處理IRP_MJ_READ

NTSTATUS AC_1810 Device::Read（KIrp I）

{

// 檢查輸入的合法性

if （I.ReadSize （）

// 不合法返回錯(cuò)誤代碼

I.Information（）=0;

Return I.PnpComplete（this,STATUS_INVALID_PARAMETER）；

}

// 讀0字節(jié)，永遠(yuǎn)成功

if （I.ReadSize（） = =0）{

I.Information （） = 0;

return

I.PnpComplete（this,STATUS_SUCCESS）；

}

// 排隊(duì)這個(gè)IRP觸發(fā)StarIO,完成數(shù)據(jù)傳輸

return QueueIrp（I,LinkTo（CancelQueuedIrp））；

}

// StartIo例程，完成I/O操作

VOID AC_1810 Device::StartIo（KIrp I）

{

// 檢測這個(gè)IRP是否被取消

if（！I.TestAndSetCancelRoutine（LinkTo（CancelQueuedIrp），NULL,CurrentIrp（）） ）

{

return;//取消則返回

}

switch （I.MajorFunction（）） {

case IRP_MJ_READ:

//這個(gè)函數(shù)按邏輯完成讀操作

SerialRead（I）；

Breadk

……

// 開始處理下一個(gè)IRP

PnpNextIrp（I）；

break;

}

}

ISA卡的WDM驅(qū)動程序的主體部分就完成了。它具有PNP功能，可以方便地安裝卸載。在中斷到來的時(shí)候，系統(tǒng)使用兩個(gè)緩沖區(qū)完成數(shù)據(jù)的傳輸，可以避免數(shù)據(jù)丟失。

以上驅(qū)動程序是使用Numega公司的DriverSutdio 2.01版，結(jié)合Visual C++ 6.0，Microsoft Windows 2000 sp1 DDk開發(fā)調(diào)試通過，并且成功地應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)中，該系統(tǒng)界面友好高度可靠。同時(shí)由于加入了PNP的支持，使得該系統(tǒng)的硬件安裝卸載非常簡便。這種技術(shù)可取代傳統(tǒng)的以DOS為核心的工業(yè)用監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。