基于cPCI的一次性指令通信卡驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

王 煊

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院 河南 洛陽(yáng) 471009）

一次性指令通信卡通過(guò)cPCI接口和PCI總線進(jìn)行通訊，對(duì)外部使用通用的輸入輸出接口。通過(guò)一次性指令控制卡，測(cè)試設(shè)備可以像飛控系統(tǒng)施加激勵(lì)信號(hào)，同時(shí)接受飛控輸出的一次性指令，數(shù)據(jù)匯總到測(cè)試設(shè)備的處理器，可以對(duì)飛控系統(tǒng)進(jìn)行分析處理。所以，一次性指令通信卡在飛控系統(tǒng)靜態(tài)測(cè)試設(shè)備中扮演非常重要的角色。

一次性指令通信卡是一個(gè)綜合性的設(shè)備，對(duì)它的設(shè)計(jì)包括硬件和軟件的部分。硬件設(shè)計(jì)包括芯片選擇、板卡布線以及控制邏輯。軟件設(shè)計(jì)包括DLL調(diào)用接口、上層應(yīng)用程序以及在選定平臺(tái)下的驅(qū)動(dòng)程序軟件。本文著重研究軟件尤其是驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。

作者所要完成的工作是cPCI一次性指令通信卡在Windows 2K/XP下的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。具體內(nèi)容有：深入了解Windows NT系列32位操作系統(tǒng)的內(nèi)部原理，以及開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序的原理和方法；理解和掌握目標(biāo)cPCI板卡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、板上資源和指令；編寫(xiě)該cPCI一次性指令通信卡的驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)的DLL函數(shù)庫(kù)；編寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)易的測(cè)試程序。

1 cPCI一次性指令通信卡硬件結(jié)構(gòu)

cPCI是CompactPCI的簡(jiǎn)稱，是工業(yè)計(jì)算機(jī)的一種互聯(lián)總線，是歐標(biāo)連接方式和PCI信號(hào)協(xié)議的結(jié)合產(chǎn)物。cPCI板卡有3U和6U兩個(gè)尺寸標(biāo)準(zhǔn)，多塊板卡通過(guò)一塊背板互聯(lián)。接口管腳定義由歐美PICMG 組織制定。

cPCI原本上是為了支持PCI信號(hào)協(xié)議而制定的。和PCI標(biāo)準(zhǔn)相比，cPCI提供兩倍的插槽，并提供熱插拔機(jī)制更適合工業(yè)應(yīng)用。從協(xié)議上看，cPCI與PCI完全等效，驅(qū)動(dòng)和上層程序完全兼容。

圖1 測(cè)試程序界面Fig. 1 Test program interface

PCI9054是美國(guó)PLX公司繼PCI9052之后推出的又一低成本PCI總線接口芯片，低功耗，PQFP 172pins封裝，它采用了先進(jìn)的PLX數(shù)據(jù)管道結(jié)構(gòu)技術(shù)，可以使局部總線快速轉(zhuǎn)換到PCI總線上[1]。PCI9054的主要特性如下：

1）符合PCI 2.2版本規(guī)范，32位，33 MHz總線

2）普通主總線接口，包含兩個(gè)DMA引擎

3）支持PCI雙地址周期

4）可編程中斷產(chǎn)生器

5）6個(gè)可編程并且零等待突發(fā)操作的FIFO

6）串行EEPROM接口

PCI的配置空間是編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序的基礎(chǔ)。

PCI9054的許多功能都是通過(guò)配置寄存器來(lái)控制的。其中的部分寄存器是由系統(tǒng)上電時(shí)由EEPROM自動(dòng)按廠商預(yù)定的映射方式填入，主要包括Vender ID、device ID、基本的中斷設(shè)置和部分本地配置寄存器。

1）作為重要的控制本地地址空間映射到PCI地址空間的寄存器有3個(gè)，以Space 0 為例：

LAS0RR：本地地址空間0大小寄存器，32位

LAS0BA：本地地址空間基地址寄存器，表示映射前的本地地址空間相對(duì)于自身的基地址和映射后本地地址空間在PCI總線空間上的物理基地址之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

PCIBAR2：PCI基地址寄存器，在從模式下，用來(lái)保存系統(tǒng)加電后BIOS為本地地址空間映射到PCI空間后的總線物理基地址。在驅(qū)動(dòng)程序中，系統(tǒng)會(huì)發(fā)一個(gè)資源分配的數(shù)據(jù)請(qǐng)求包（IRP）。在響應(yīng)這個(gè)IRP的例程中，可以得到PCI基地址寄存器中的值，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換為內(nèi)核模式下的系統(tǒng)虛擬地址才能為驅(qū)動(dòng)程序所訪問(wèn)。

2）中斷先寄存器（PCIILR）

中斷線寄存器為8位，改寄存器的值說(shuō)明PCI設(shè)備的中斷引腳連接到系統(tǒng)中斷控制器的哪個(gè)中斷上。該寄存器的值由系統(tǒng)上電期間從EEPROM裝入。

3）中斷引腳寄存器（PCIIPR）

該寄存器說(shuō)明設(shè)備使用PCI總線上的哪一個(gè)中斷引腳，PCI總線一共有4個(gè)中斷引腳。PCI9054僅支持#INTA，故本設(shè)計(jì)中該寄存器的值為01H。

圖2 Windows 2000 操作系統(tǒng)組件框圖Fig. 2 Windows 2000 OS component diagram

以上這幾個(gè)寄存器才開(kāi)發(fā)PCI板卡時(shí)，以及編寫(xiě)PCI板卡驅(qū)動(dòng)時(shí)，是十分重要的[2]。可以通過(guò)EEPROM方式事先固化PCI配置寄存器中的值。EEPROM內(nèi)容的固化可以設(shè)計(jì)響應(yīng)的燒寫(xiě)電路并使用通過(guò)PlxMon工具將配置值固化到EEPROM中，燒寫(xiě)之前必須保證EEPROM中的值全為0xFFFFFFFF，否則燒寫(xiě)電路驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒉荒茏R(shí)別該硬件。

2 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 Windows2000內(nèi)核模式環(huán)境組成

內(nèi)核模式環(huán)境實(shí)際上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)通用操作系統(tǒng)的底層軟件平臺(tái)。內(nèi)核模式環(huán)境主要由3個(gè)代碼模塊組成[3]。

1）硬件抽象層（HAL, Hardware Abstract Layer）

硬件抽象層是一個(gè)薄層軟件，它是硬件與操作系統(tǒng)其他部分的接口，是物理硬件資源的一種抽象。硬件抽象層通過(guò)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)實(shí)現(xiàn)，使用硬件抽象層例程的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以在有相同CPU體系的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制代碼兼容。

2）內(nèi)核（Kernel）

如果說(shuō)硬件抽象層代表了硬件平臺(tái)的抽象化，那么內(nèi)核便是整個(gè)操作系統(tǒng)的神經(jīng)中樞。它提供管理以下功能的機(jī)制：中斷和異常處理、線程調(diào)度和同步、多處理機(jī)同步、定時(shí)控制、內(nèi)核對(duì)象。通過(guò)這些內(nèi)核服務(wù)，操作系統(tǒng)的上層部分可以忽略底層CPU的體系結(jié)構(gòu)[4]。內(nèi)核提供了一個(gè)基于對(duì)象的界面。內(nèi)核對(duì)象可以分為調(diào)度者對(duì)象和控制對(duì)象兩大類。內(nèi)核提供了一個(gè)基于對(duì)象的界面。由于調(diào)度者對(duì)象主要負(fù)責(zé)同步性能并改變或影響線程調(diào)度，故設(shè)備很少使用到這類對(duì)象。但是卻經(jīng)常用到以某種方式控制操作系統(tǒng)的行為控制對(duì)象。

3）執(zhí)行體（Executive）

執(zhí)行體由幾個(gè)不同的軟件模塊組成，它們是完全獨(dú)立的，只通過(guò)定義好的接口來(lái)通訊。執(zhí)行體為用戶模式進(jìn)程及它們之間的通信提供服務(wù)。執(zhí)行體包含的重要的模塊有：系統(tǒng)服務(wù)接口、進(jìn)程管理器、I/O管理器、即插即用管理器、電源管理器。

2.2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主要內(nèi)容

1）初始化例程

和動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)類似，它向操作系統(tǒng)顯露一個(gè)名為DriverEntry的例程，每次啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)程序[5]的時(shí)候，操作系統(tǒng)將調(diào)用這個(gè)入口。DriverEntry除了做一些必要的設(shè)備初始化工作外，還初始化一些Dispatch例程入口。使I/O管理器能知道當(dāng)用戶的打開(kāi)、關(guān)閉、讀寫(xiě)等請(qǐng)求到來(lái)時(shí)各應(yīng)調(diào)用哪些過(guò)程來(lái)處理。同時(shí)要初始化設(shè)備對(duì)象，申請(qǐng)軟硬件資源。

2）調(diào)度例程

調(diào)度例程（Dispatch）是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供的主要函數(shù)，可以完成打開(kāi)、關(guān)閉、讀取、寫(xiě)入以及設(shè)備文件系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)支持的任何其它功能。當(dāng)被調(diào)用去執(zhí)行一個(gè)I/O操作時(shí)，I/O管理器產(chǎn)生一個(gè)I/O請(qǐng)求包（IRQ），并且通過(guò)某個(gè)驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)度例程調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序。

3）Start I/O例程

串行化處理I/O請(qǐng)求，提高程序執(zhí)行效率。驅(qū)動(dòng)程序可以使用Start I/O例程來(lái)初始化與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。在開(kāi)始設(shè)備操作時(shí)，I/O管理器調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的Start I/O例程，分配處理該請(qǐng)求所需的任何資源，并設(shè)置設(shè)備運(yùn)行。

4）中斷服務(wù)例程（ISR）

當(dāng)一個(gè)設(shè)備中斷時(shí)，內(nèi)核的中斷調(diào)度程序把控制權(quán)轉(zhuǎn)交給這個(gè)例程。ISR例程運(yùn)行在高級(jí)別的IRQL上，所以他越簡(jiǎn)單越好，以避免對(duì)低優(yōu)先級(jí)中斷產(chǎn)生不希望的阻塞。ISR可以把剩余的大多數(shù)工作推遲到低中斷優(yōu)先級(jí)的延遲過(guò)程調(diào)用（DPC）中實(shí)現(xiàn)。

5）延遲過(guò)程調(diào)用（DPC）

用于處理中斷響應(yīng)的大多數(shù)工作，在ISR例程用排隊(duì)并得到調(diào)用。

2.3 開(kāi)發(fā)PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序要了解的硬件特性

1）設(shè)備的總線結(jié)構(gòu)。設(shè)備采用什么樣的總線結(jié)構(gòu)非常關(guān)鍵，因?yàn)椴煌目偩€在硬件工作機(jī)制上存在很大的不同，所以驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)也不同。

2）要了解設(shè)置的控制寄存器、狀態(tài)寄存器和數(shù)據(jù)寄存器，以及這些寄存器工作的特性。

3）要了解設(shè)備寄存器返回的狀態(tài)和錯(cuò)誤信號(hào)，這些信號(hào)要通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序返回用戶。

4）要了解設(shè)備產(chǎn)生中斷的調(diào)節(jié)和中斷是數(shù)量

5）數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制：最常用的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，是通過(guò)IO指令和硬件設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。

6）許多設(shè)備帶有內(nèi)存，PCI設(shè)備大多采用內(nèi)存映射的方式映射到系統(tǒng)的物理內(nèi)存。有的設(shè)備還要通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序來(lái)設(shè)置接口的寄存器。

3 驅(qū)動(dòng)程序的討論和實(shí)現(xiàn)

NuMega公司的DriverStudio是一套簡(jiǎn)化Windows驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)、調(diào)試及測(cè)試的工具包。其中包括：開(kāi)發(fā)普通設(shè)備WDM驅(qū)動(dòng)程序的DriverWorks、創(chuàng)建DDK支持的純C語(yǔ)言的WDM驅(qū)動(dòng)程序框架、支持網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)的DriverNetWorks及Windows內(nèi)核單擊調(diào)試工具SoftICE。DriverWorks以面向?qū)ο蟮姆绞綄⒕帉?xiě)WDM驅(qū)動(dòng)程序所需要的內(nèi)核及訪問(wèn)硬件的函數(shù)封裝成類。這樣，驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)者只要在工程向?qū)У闹敢轮鸩皆O(shè)置必要的參數(shù)，最后就可以得到WDM驅(qū)動(dòng)程序框架。然后根據(jù)特定設(shè)備的訪問(wèn)請(qǐng)求，想類中添加新的類對(duì)象和代碼即可。DriverWorks是基于VC或者VC.net工程的，經(jīng)過(guò)編譯以后即可以得到設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。它所用到的函數(shù)只不過(guò)是對(duì)DDK提供的庫(kù)函數(shù)的封裝，不會(huì)影響代碼的執(zhí)行效率。

使用DriverStudio驅(qū)動(dòng)生成向?qū)ЫⅡ?qū)動(dòng)程序的步驟是[6]：

1）輸入路徑和工程名；

2）選擇要生成的驅(qū)動(dòng)程序框架的類型，這里選擇WDM Driver；

3）選擇WDM驅(qū)動(dòng)程序的類型，這里選擇WDM Function Driver；

4）選擇驅(qū)動(dòng)程序所對(duì)應(yīng)的硬件設(shè)備類型，選擇PCI，并填入對(duì)應(yīng)的廠商編號(hào)和設(shè)備編號(hào)；

5）添加硬件資源，并選中“Use Interrupts”；

6）選擇驅(qū)動(dòng)程序支持的功能項(xiàng)；

7）添加I/O控制；

8）添加注冊(cè)表中裝載的標(biāo)志參數(shù)，這里不需要添加；

9）選擇電源管理選項(xiàng)；

10）選擇是否添加WMI屬性；

11）選擇安裝選項(xiàng)；

12）選擇其他選項(xiàng)。

3.1 硬件資源分配例程O(píng)nStartDevice例程設(shè)計(jì)

前面講過(guò)PCI設(shè)備實(shí)現(xiàn)硬件操作時(shí)是將設(shè)備空間映射到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)空間中實(shí)現(xiàn)的，因此一個(gè)很重要的設(shè)計(jì)就是在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，保存系統(tǒng)給板卡分配的基地址空間，因?yàn)閷?duì)硬件板卡的全部操作將會(huì)依賴于這些基地址。當(dāng)然這些基地址是根據(jù)總線上的設(shè)備以及設(shè)備資源要求來(lái)分配的。由于系統(tǒng)啟動(dòng)發(fā)現(xiàn)硬件板卡并給其分派好資源后，操作系統(tǒng)會(huì)給驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送一個(gè)代碼為IRP_MN_START_DEVICE的IRP，該IRP保函了系統(tǒng)分配的資源信息列表，因此在驅(qū)動(dòng)程序中需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的例程來(lái)解析該資源列表。KIoRange和KMemoryRange兩個(gè)類分別用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)IO映射芯片的訪問(wèn)和對(duì)內(nèi)存映射芯片的訪問(wèn)。根據(jù)得到的資源來(lái)調(diào)用者兩個(gè)類的成員函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)PCI9054寄存器和本地空間的訪問(wèn)。

3.2 響應(yīng)中斷的代碼設(shè)計(jì)

PCI板卡對(duì)軟件產(chǎn)生中斷，該中斷在DriverStudio生成的框架中會(huì)調(diào)用Irp()函數(shù)?？梢栽贒evice類中定義一個(gè)KEvent成員變量。首先注冊(cè)事件變量，獲取應(yīng)用程序傳入的事件句柄后，對(duì)KEvent事件變量進(jìn)行注冊(cè)。在Irp()中可以關(guān)閉中斷，以免中斷多次響應(yīng)。然后在Isr_dpc()函數(shù)中開(kāi)啟中斷，并且記錄中斷源，清除中斷，并對(duì)KEvent對(duì)象進(jìn)行Set()操作。

3.3 訪問(wèn)硬件例程的實(shí)現(xiàn)

DriverStudio向?qū)傻墓こ炭蚣軐?duì)每個(gè)IO控制接口都專門(mén)生成一個(gè)單獨(dú)的函數(shù)，在對(duì)應(yīng)的函數(shù)中取出緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，寫(xiě)入對(duì)應(yīng)Memory Resource或IO Resource的自定義地址中，或者從資源地址中取出數(shù)據(jù)，寫(xiě)入輸出緩沖區(qū)，并報(bào)告數(shù)據(jù)區(qū)在緩沖區(qū)的長(zhǎng)度。

4 驅(qū)動(dòng)程序的應(yīng)用程序接口

驅(qū)動(dòng)程序僅僅實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件設(shè)備的操作，那么要實(shí)現(xiàn)人為的控制對(duì)設(shè)備的操作應(yīng)該實(shí)現(xiàn)用戶程序和內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序的某種連接，這樣才會(huì)有更大的實(shí)際價(jià)值。

通常的板卡控制流程如下：使用CreateFile去打開(kāi)板卡，然后使用DeviceIOControl去和驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行通信或者利用其讀寫(xiě)少量的數(shù)據(jù)，進(jìn)行大數(shù)據(jù)量連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸則考慮使用ReadFile和WriteFile的DMA方式去實(shí)現(xiàn)，當(dāng)操作完成以后，直接使用CloseHandle去關(guān)閉設(shè)備。這種對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 Win32函數(shù)與IRP例程關(guān)系對(duì)應(yīng)表Tab.1 Correspondence between Win32 function and IRP routine

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)了艱苦的努力，這套一次性指令卡的驅(qū)動(dòng)終于開(kāi)發(fā)完成。在開(kāi)發(fā)測(cè)試過(guò)程中，綜合使用了驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的各種技術(shù)。無(wú)論從理論上還是實(shí)踐上都有極為重要的研究意義。

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