基于1394b總線仿真設(shè)備的WDM驅(qū)動(dòng)開發(fā)

徐 進(jìn)，徐榮森，梅正茂

（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048）

IEEE-1394b總線協(xié)議具有實(shí)時(shí)性、可靠性、確定性等特性，這些特性使其在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方面表現(xiàn)突出。IEEE-1394b作為F22猛禽戰(zhàn)機(jī)的總線，同時(shí)也使用在F35、NASA的航天飛機(jī)上以及DV設(shè)備上[1]。而總線的仿真驗(yàn)證設(shè)備需要圖形化的界面軟件，這就要求其工作環(huán)境支持PC機(jī)環(huán)境。作為硬件與軟件橋梁的驅(qū)動(dòng)程序主要工作是保證軟硬件協(xié)調(diào)工作，提供安全簡(jiǎn)單的操作接口，保證通信數(shù)據(jù)的可靠性、實(shí)時(shí)性、確定性等。

1 硬件系統(tǒng)簡(jiǎn)介

圖1是以Xilinx的V6系列的FPGA為核心的硬件框圖。該設(shè)備具有3個(gè)余度，并且三余度之間能夠獨(dú)立工作，互不影響。硬件采用三路Link和PHY芯片，三路獨(dú)立供電。由于仿真設(shè)備運(yùn)行的環(huán)境的封閉性，從而設(shè)計(jì)軟件和硬件兩種供電控制開關(guān)。軟件電源控制信號(hào)由FPGA控制可編程的電源控制芯片來遠(yuǎn)程控制設(shè)備。設(shè)備供電無需外接電源，直接利用PC機(jī)的PCI或者PCIe總線插槽供電，硬件提供電源管理系統(tǒng)進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換[2]。該設(shè)備支持速率S100Mbps和S400Mbps，硬件提供S100Mbps和S400Mbps端口速率切換按鈕，F(xiàn)PGA內(nèi)部通信速率由邏輯控制完成。

圖1 硬件框圖Fig.1 Block diagram of the hardware

FPGA邏輯功能框如圖2所示，F(xiàn)PGA邏輯對(duì)PCI/PCIe總線協(xié)議和1394b總線進(jìn)行協(xié)議封裝以及協(xié)議解析；對(duì)內(nèi)存空間，IO空間以及中斷號(hào)等進(jìn)行劃分；對(duì)操作寄存器進(jìn)行定義；對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)的DM口，接收數(shù)據(jù)的GRF口進(jìn)行控制；開放LINK和PHY的軟件訪問權(quán)限，便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問功能；對(duì)DPRAM進(jìn)行雙口切換操作，以保證數(shù)據(jù)通信的可靠性；設(shè)計(jì)退避算法防止總線競(jìng)爭(zhēng)失敗數(shù)據(jù)丟失；支持DMA操作，實(shí)現(xiàn)通信的實(shí)時(shí)性[3]。

圖2 邏輯功能框圖Fig.2 Block diagram of the Logic function

2 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)程序是硬件廠商根據(jù)硬件工作環(huán)境的操作系統(tǒng)編寫的配置文件，其運(yùn)行于操作系統(tǒng)內(nèi)核態(tài)，是設(shè)備與計(jì)算機(jī)交互的橋梁，它把硬件的功能告訴操作系統(tǒng)，同時(shí)也將系統(tǒng)的指令傳達(dá)給硬件。驅(qū)動(dòng)軟件分為軟件驅(qū)動(dòng)和硬件驅(qū)動(dòng)。軟件驅(qū)動(dòng)是把工作最終交給CPU處理，對(duì)CPU依賴性比較高，對(duì)操作系統(tǒng)影響比較大；而硬件驅(qū)動(dòng)能夠最大化的避免CPU的調(diào)度，提高硬件資源的利用率、增加傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、減少設(shè)備對(duì)計(jì)算機(jī)的依賴性等[4]。

本設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序采用硬件驅(qū)動(dòng)，開發(fā)工具為DDK（Device Development Kit），調(diào)試工具為Debug view，其工作流程如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)功能流程圖Fig.3 The flow chart of Drive function

由于Windows是多任務(wù)非實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)，每個(gè)進(jìn)程占用處理器的時(shí)間應(yīng)小于50微秒，如果需要長時(shí)間的硬件訪問應(yīng)采用系統(tǒng)線程的方法，本設(shè)計(jì)采用三余度三個(gè)內(nèi)核線程對(duì)數(shù)據(jù)處理用以保證訪問的準(zhǔn)確性。由于該設(shè)備硬件的快捷性和軟件的延時(shí)性，并且突發(fā)大數(shù)據(jù)量傳輸發(fā)生概率比較高。所以驅(qū)動(dòng)程序在發(fā)送模塊上使用了乒乓原理，在接收模塊使用了循環(huán)隊(duì)列，保證數(shù)據(jù)能夠平滑的通信，在突發(fā)大數(shù)據(jù)量操作時(shí)保證了數(shù)據(jù)的完整性和確定性。由于中斷函數(shù)（wdmISR）的系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)最高，其工作占用CPU資源能夠影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，所以中斷需盡可能的簡(jiǎn)短、盡可能避免使用浮點(diǎn)操作、盡可能的將處理移交給任務(wù)處理[5]。所以設(shè)計(jì)了中斷延時(shí)處理函數(shù)DPC（Deferred Procedure Call）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行資源合理利用保證通信的有效性[6]。中斷服務(wù)程序功能框圖如圖4所示。

圖4 中斷服務(wù)程序功能流程圖Fig.4 The flow chart of Interrupt service routine functions

串行處理：為了提高硬件資源利用率以及設(shè)備工作的安全性。本設(shè)備設(shè)計(jì)為三余度（兩個(gè)余度為主節(jié)點(diǎn)，一個(gè)余度為備用節(jié)點(diǎn)）一體設(shè)備，三節(jié)點(diǎn)能夠獨(dú)立進(jìn)行工作。1394b總線協(xié)議允許發(fā)送物理層包訪問遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)，并且能夠通過遠(yuǎn)程訪問包對(duì)設(shè)備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。所以當(dāng)任意一個(gè)主節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，備用節(jié)點(diǎn)可以通過遠(yuǎn)程命令斷開故障主節(jié)點(diǎn)，從而啟用備用節(jié)點(diǎn)，增加設(shè)備運(yùn)行的安全性。

單功能多設(shè)備的運(yùn)行對(duì)驅(qū)動(dòng)程序而言每個(gè)設(shè)備都有自己的內(nèi)存空間、I/O空間以及中斷號(hào)，運(yùn)行互不影響。軟件對(duì)硬件的操作，在串行處理方面只需要對(duì)操作進(jìn)行排隊(duì)處理，就能夠避免軟件對(duì)硬件的并行操作。而三余度多功能多樣性設(shè)備的運(yùn)行對(duì)驅(qū)動(dòng)而言，使用的可能有很多的共享資源（如DMA等資源），并且軟件對(duì)3個(gè)余度的操作有可能是并行的，驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)在節(jié)點(diǎn)間共享資源進(jìn)行加鎖處理保證通信的獨(dú)立性及確定性。

串行處理能夠有效的避免資源訪問沖突，能夠以不同優(yōu)先級(jí)級(jí)別控制各個(gè)功能，能夠以不同頻率控制各個(gè)功能，有效的提高了軟件對(duì)硬件操作的安全性。該驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)了節(jié)點(diǎn)間公共資源訪問設(shè)置互斥信號(hào)量（KeWaitForMultipleObjects），只有信號(hào)的擁有者才能釋放信號(hào)量。同時(shí)設(shè)計(jì)了保護(hù)節(jié)點(diǎn)內(nèi)共享資源的保護(hù)措施，如中斷掛接IoConnectInterrupt函數(shù)下的自旋鎖。對(duì)上層操作進(jìn)行堆棧處理，保證操作的有效性，并且對(duì)該操作進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估（如對(duì)鏈路層操作可能影響設(shè)備收發(fā)數(shù)據(jù)操作），達(dá)到對(duì)硬件的全面保護(hù)。

內(nèi)核線程：由于該設(shè)備應(yīng)用于通信方面，突發(fā)性大數(shù)據(jù)量傳輸發(fā)生率比較高，而windows環(huán)境下每個(gè)進(jìn)程占用處理器的時(shí)間應(yīng)小于50微秒，所以該驅(qū)動(dòng)在PNP（Plug and Play）為每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)線程（PsCreateSystemThread）對(duì)突發(fā)的大數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，以保證數(shù)據(jù)平穩(wěn)的交由上層，該線程為事件驅(qū)動(dòng)類型。并且通過KeGetCurrentThread和KeSetPriorityThread調(diào)整線程優(yōu)先級(jí)[7]。

當(dāng)中斷發(fā)生，中斷處理函數(shù)記錄中斷狀態(tài)并清除中斷，判斷中斷是否為空，如果不為空則通過IoRequestDpc請(qǐng)求DPC，同時(shí)把相應(yīng)的中斷狀態(tài)傳給DPC。DPC通過中斷狀態(tài)判斷中斷類型和發(fā)生中斷的節(jié)點(diǎn)，并且置位對(duì)應(yīng)線程的線程事件。線程觸發(fā)后，從阻塞態(tài)變?yōu)榫途w態(tài)，當(dāng)該進(jìn)程得到處理器資源，調(diào)用數(shù)據(jù)處理函數(shù)處理數(shù)據(jù)。

DMA：Windows是多任務(wù)非實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)，而DMA可以有效的避免CPU的調(diào)度而節(jié)省時(shí)間，提高設(shè)備的實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)要求DMA的使用率盡可能的減少并且盡可能的快捷。本設(shè)計(jì)使用硬件側(cè)DMA，由FPGA邏輯實(shí)現(xiàn)，DMA控制由驅(qū)動(dòng)控制[8]。

驅(qū)動(dòng)軟件對(duì)DMA進(jìn)行初始化，當(dāng)中斷服務(wù)程序被調(diào)用，驅(qū)動(dòng)程序根據(jù)DPRAM的0、1區(qū)標(biāo)志獲取新數(shù)據(jù)存放區(qū)域，并從該區(qū)獲取新數(shù)據(jù)的刷新標(biāo)記。如有新數(shù)據(jù)，則服務(wù)程序申請(qǐng)DMA資源，獲取到DMA資源后，鎖定DMA資源并啟動(dòng)（DMA源地址、目的地址、數(shù)據(jù)搬運(yùn)長度、控制命令）I/O端口到主存區(qū)的DMA。DMA完成后上報(bào)完整中斷并釋放DMA資源。當(dāng)上層調(diào)用IRP_MJ_DEVICE_CONTROL對(duì)DPRAM進(jìn)行寫操作時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序判斷用戶該次操作的DPRAM的內(nèi)存大小，如果在32K～2048K字節(jié)之間，則啟動(dòng)主存區(qū)到I/O端口的DMA，如果大于則分次啟動(dòng)DMA，如果小于32K字節(jié)則單拍或者多拍操作。操作流程與啟動(dòng)接收DMA相同，操作完成則上報(bào)中斷。

循環(huán)隊(duì)列：快捷性是硬件的特性之一，而應(yīng)用層相對(duì)于硬件是及其緩慢的。并且由于PCI數(shù)據(jù)包封包的影響，其總線實(shí)際帶寬只有133 Mbps/s，而本1394b設(shè)備支持S100Mbps和S400Mbps兩種傳輸速率。所以為避免設(shè)備長時(shí)間工作帶來內(nèi)存遞增、內(nèi)存泄漏以及突發(fā)大數(shù)據(jù)量給PCI總線通信超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)造成數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，驅(qū)動(dòng)利用IoAllocateMdl申請(qǐng)一塊3M的內(nèi)存區(qū)，供硬件軟件交互循環(huán)利用的循環(huán)隊(duì)列用以保證傳輸?shù)挠锌煽啃?，以及安全性?/p>

當(dāng)中斷服務(wù)程序被調(diào)用時(shí)，驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)DMA或者讀寫寄存器操作把數(shù)據(jù)從指定DPRAM區(qū)搬運(yùn)到主存區(qū)，更新新的數(shù)據(jù)指針并通過軟中斷方式通知上層軟件。上層軟件通過DeviceIoControl對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，當(dāng)應(yīng)用層對(duì)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行操作時(shí)，驅(qū)動(dòng)根據(jù)寫指針與讀指針的差值提供可操作的內(nèi)存塊給上層軟件。

乒乓原理：乒乓原理不僅能夠提高帶寬的利用率，并且能夠有效避免硬件與軟件操作沖突情況的出現(xiàn)，并且避免了資源訪問沖突的重試耗時(shí)，提高傳輸?shù)挠行浴?shí)時(shí)性。驅(qū)動(dòng)收發(fā)模塊乒乓操作如圖5和圖6所示。

圖5 發(fā)送模塊流程圖Fig.5 The flow chart of Delivery module

圖6 接收模塊流程圖Fig.6 The flow chart of Receiving module

發(fā)送模塊中，驅(qū)動(dòng)軟件與應(yīng)用層交互，采用兩塊地址內(nèi)存區(qū)。內(nèi)存塊操作由用戶層軟件操作，操作完成后切換內(nèi)存區(qū)并通知驅(qū)動(dòng)最新數(shù)據(jù)存放位置。驅(qū)動(dòng)軟件與硬件交互也采用兩塊DPRAM區(qū)。DPRAM的0、1區(qū)的切換操作由驅(qū)動(dòng)軟件進(jìn)行操作，數(shù)據(jù)更新完畢的DPRAM交由邏輯處理并進(jìn)行換區(qū)操作。

接收模塊中，驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)循環(huán)隊(duì)列與上層軟件進(jìn)行交互。硬件與驅(qū)動(dòng)軟件交互同樣采用乒乓原理，該操作由硬件邏輯操作，驅(qū)動(dòng)軟件根據(jù)最新數(shù)據(jù)存放的DPRAM區(qū)，以及消息新舊標(biāo)記來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。處理完成后完成數(shù)據(jù)新舊標(biāo)志切換，并軟中斷方式通知應(yīng)用層有新數(shù)據(jù)到達(dá)，應(yīng)用層驅(qū)動(dòng)返回的地址指針和內(nèi)存大小獲取最新數(shù)據(jù)。

3 驗(yàn)證分析

本設(shè)備提供 DLL（Dynamic Link Library），采用 Microsoft Visual Studio 2008專業(yè)版開發(fā)，封裝為標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)鏈接庫。提供Demo程序，圖7為CC（Control computer）的發(fā)送數(shù)據(jù)窗口測(cè)試圖，圖8為RN（Remote Node）的接收數(shù)據(jù)的窗口測(cè)試圖。

圖7 發(fā)送測(cè)試圖Fig.7 The test pattern of send

圖8 接收測(cè)試圖Fig.8 The test pattern of receive

由上圖可見驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)了1394b的S400Mbps速率和PCI的S133Mbps速率的跨速率通信數(shù)據(jù)不丟失，避免了軟硬件交互產(chǎn)生的誤碼，使在S100Mbps通信速率下平均帶寬達(dá)到79.2 Mbps，在S400Mbps通信速率下平均帶寬達(dá)到231.7 Mbps，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)延時(shí)控制在us級(jí)別，實(shí)現(xiàn)了操作的準(zhǔn)確性，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性。

4 結(jié)束語

自2011年中國面臨著國外大規(guī)模技術(shù)轉(zhuǎn)移封鎖以來，國內(nèi)自研設(shè)備百花齊放，尤其是軟件硬化無疑已經(jīng)成為焦點(diǎn)。作為硬件靈魂的驅(qū)動(dòng)程序越來越受到人們的重視。本文根據(jù)軟硬件的特性進(jìn)行軟硬件工作協(xié)調(diào)，提高了硬件資源的利用率，提高了仿真通信的實(shí)時(shí)性，確定性，可靠性。由于需求要求該設(shè)備為PCI總線設(shè)備，通信的帶寬受到限制，所以準(zhǔn)備利用PCIe總線和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提高設(shè)備的通信帶寬。

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