根据PCI总线的实时测频卡WDM驱动程序设计策略
根据pci总线的实时测频卡wdm驱动程序设计策略
pci总线是一种与cpu无关的32／64位地址数据复用总线，工作频率为33 mhz／66 mhz，它支持突发传输，具有即插即用、电源管理等功能。pci总线以其优良性能和可适应性成为现代微机的主流总线。在开发pci设备的过程中，需要为pci设备写驱动程序。windows驱动程序模型(wdm)是microsoft公司力推的全新驱动程序模式，它支持php、电源管理和wmi等技术。在windows操作平台上，wdm已成为主流的驱动模型。这里主要介绍根据工程背景开发的基于pci总线的实时测频卡的wdm驱动程序设计。
1实时测频卡硬件系统结构
实时测频卡的主要功能是实时测定信号频率，实时识别信号调制方式。系统的电路框图如图1所示。外部待测信号通过sma接口进入实时测频卡的adc。adc输出的数字信号在fpga中缓存后进入dsp。在dsp内对信号进行粗估，然后通过emif接口把转化为频率和相位控制字的粗估结果发给ddc。ddc做出调整后，通过fpga把移频和降采样后的信号输入给dsp。 dsp依据粗估结果和ddc的数据进行实时测频。测频完毕后，通过pci总线向pc机发出中断信号。pc机响应中断，读取dsp内指定位置内存处的测频数据。为简化pci接口电路设计，选用带有pci接口电路的dsp芯片tms320c6416。
2 tms320c6416的pci接口介绍
实时测频卡通过tms320c6416的pci接口和主机进行通信。该接口符合pci 2.2规范，能提供33 mhz总线时钟，32 b数据宽度，可达到峰值132 mb／s的数据带宽。pci接口包括配置寄存器、i／o寄存器和存储器映射寄存器。图2给出了部分pci配置寄存器。配置寄存器的主要功能如下：
(1)设备的识别、控制和状态指示。将供应商id域、设备id域、版本域、配置头类型域、分类代码域这五个域用于识别设备。所有的pci设备必须设置这些域，配置软件可利用它们来确定系统中可用的pci总线设备。对于tms320c6416芯片而言，供应商id为104ch；设备id为a106h；其他三个域随不同的应用会有所改变。命令寄存器为发出和响应pci总线命令提供粗略的控制。状态寄存器用于记录pci总线有关操作的状态信息。
(2)中断引脚寄存器的功能。01h～04h值对应于pci中断请求引脚inta#～intd#。
(3)基地址寄存器的功能。其功能是为pci设备指定存储空间。pci存储空间分为独立寻址的memory空间和i／o空间两类。memory空间适用于设备功能寄存器较多或数据流量较大的场合，i／o空间适用于设备功能寄存器较少或数据流量较小的场合。pci接口拥有3个基地址寄存器bar用于保存指向pci存储空间的指针。图2为部分pci配置寄存器。
①base 0基地址寄存器(bar0)。确定一个4 mb可预取的pc机内存地址空间。将dsp存储空间中不同的4 mb空间都映射到pc机内存相同的4 mb空间中。由dsp页寄存器(dspp)设置该区域在。dsp存储空间中的映射位置；用bar0访问dsp内部的ram和外挂的通过emifa和emifb访问的存储器空间。访问时每次最多只能读取dsp存储空间的4 mb内容，并且需要定义dspp寄存器，以指定访问空间的起始地址。访问支持数据突发传输模式。这种映射方式只适用于dsp处于从模式。
②base 1基地址寄存器(bar1)：确定一个8 mb不可预取的访问区间。对dsp芯片而言，其访问地址固定在0180000h～0200000h的范围内。用barl来访问dsp内部所有的操作命令控制寄存器。
③base 2基地址寄存器(bar2)：定义一个16 b的pc机i／o空间，用于访问pci的i／o寄存器。bar2加偏移00h，访问主机状态寄存器hsr；bar2加偏移04h，访问主机对dsp控制寄存器hdcr；bar2加偏移08h，访问dsp页寄存器dspp。
3 wdm概述
wdm(windows driver model)是一种遵循即插即用协议的内核模式驱动程序，它是微软的全新驱动程序模式，旨在通过提供一种灵活的方式来简化驱动程序的开发，在实现对新硬件支持的基础上，减少并降低必须开发的驱动程序数量和复杂性。在wdm中，采用图3所示的分层驱动程序体系结构。
在wdm模型中，每个硬件设备至少有两个驱动程序：总线驱动程序和功能驱动程序。总线驱动程序由操作系统实现，它在最底层直接与设备打交道，负责管理硬件与计算机的连接；负责发现总线上所有的设备，并检测设备何时添加到总线上或何时从总线上删除。设备功能驱动程序在上层通过与低层驱动程序打交道，进行硬件操作，以实现pci设备的功能。中间还可以有类过滤驱动程序或设备过滤驱动程序用于修改和监视irp(i／o请求包)，实现数据的过滤或转换。一般在特殊的情况下才需要编写。在实际开发中，只需要开发一个设备功能驱动程序即可。
wdm还引入了功能设备对象(functional deviceobject，fdo)与物理设备对象(physical device object，pdo)来描述硬件。一个pdo对应一个真实的硬件，一个硬件只允许有一个pdo，却可以有多个fdo。在驱动程序中直接操作的不是硬件而是相应的pdo与fdo。当应用程序与wdm驱动程序进行通信时，系统为每一个用户请求打包，形成一个i／o请求包(irp)结构，将其发送到驱动程序，并通过识别irp中的pdo来区别是发送给哪一个设备。irp从驱动程序堆栈栈顶进入，每层驱动再把i／o请求划分成更简单的请求，以传给更下层的驱动执行，最底层的驱动程序在收到irp后，通过硬件抽象层hal与硬件发生作用，从而完成i／o请求工作。内核通常通过发送irp来运行驱动程序中的代码。
4测频卡wdm驱动程序实现
在微软公司ddk工具的支持下，compuware nu-mega公司提供driver studio工具包中的driverworks将wdm驱动程序编写所需的对内核及对硬件的访问封装成类库，加上驱动程序代码生成向导driverlwizard，极大地简化了驱动程序的开发难度。本文选择driverworks作为wdm驱动程序的开发工具。
测频卡驱动程序的主要功能是为用户读取所测信号的频率参数，包括载频、调制方式、码元速率等。同时用户还能通过驱动程序发送命令对测频卡的工作方式进行控制。由此可知，驱动程序要重点处理好硬件访问和中断处理工作。
4.1i／o访问
类kiorange封装了对i／o端口的操作。本卡中pci配置寄存器中的base 2基地址寄存器定义了i／o空间。在onstartdevice例程中取得i／o资源，并初始化，其函数实现如下：
完成初始化后，可以用成员函数inb，inw，ind从i／o端口读一个(多个)字节、字、双字的数据；outb，outw，outd向i／o端口写一个(多个)字节、字、双字的数据。
4.2内存访问
在windows系统中，内存分为分页内存和非分页内存。在wdm驱动程序中，对于硬件的内存映射一般需要用非分页内存。因为在一些较高级别的例程中，使用分页内存会造成系统产生缺页中断，从而引起死锁。使用非分页内存无需太多的转换，非常安全，效率也高。类kmemoryrange封装了对pci设备映射内存的操作。类kmemoryrange成员函数的读／写操作同类kiorange。由pci配置寄存器中的base 0和base 1基地址寄存器分别定义了两个内存空间。在onstartdevice例程中取得内存资源并初始化，其函数实现如下：
status=m_memoryrange0．initialize(preslisttranslated，preslistraw，pciconfig．baseaddresslndextoordinal(0))；
status=m_memoryrangel．initialize(preslisttranslated，preslistraw，peiconfig．baseaddresslndextoordinal(1))；
4.3中断处理
中断处理一般需要声明两种类实例：klnterrupt和kdeferredcall。kinterrupt类用于实现硬件中断处理；kdeferredcall类用于实现延时过程调用。首先创建一个klnterrupt类实例m_irq，将此实例作为设备类的成员变量，然后创建一个kdeferredcall类实例m_dpcfor_irq。m_irq对应的中断服务例程和m_dpcfor_irq对应的延时过程调用例程也需要在实例中声明。这两个实例m_irq和m_dpcfor_irq都是在onstartdevice例程中初始化的，代码如下：
status=m_irq．inifializeandconnect(preslisttranslated，linkto(isr_irq)，this)；
m_dpcfor_irq．setup(linkto(dpefor_irq)，this)；
中断服务例程的处理时间应尽量短，对于一些耗时，但不需要立即处理的任务，中断服务程序会调用一个低于中断服务程序dirql级别的延迟过程调用程序dpc，在dispatch_level上完成处理，这个级别上的限制较少，函数调用也相对比较方便。在中断服务例程中，首先判断中断是否是自己设备产生的，若不是，返回false；若是，进行必要的处理，请求一个dpc(延时过程调用)，然后返回true。关键代码如下：
在延时过程调用例程dpcfor_irq中，读取所测信号的频率参数：
5驱动程序与应用程序之间的通信
虽然驱动程序是为设备的硬件层编程服务的，但同样需要提供和应用程序进行通信的能力，从而最终达到应用程序控制设备的目的。应用程序与驱动程序之间的通信通过调用win32 api来实现，应用程序用creatfile函数通过已经定义的设备接口来获取驱动程序文件句柄，然后将文件句柄作为其他win32 api函数的一个参数，对驱动程序的进行数据操作。调用devicelocontrol进行数据量较小的，如控制指令传输或端口、寄存器访问；调用readfile，writefile等函数进行数据量较大的传输，如内存读／写等。驱动程序与应用程序的通信有devicecontrol异步完成、共享win32事件通知两种方式。win32事件通知是由应用程序创建了一个事件后，设置事件的状态为unsignal，然后直接将该事件句柄传递给驱动程序，等待驱动程序发送事件通知。驱动程序通过类kevent获取这个事件的一个对象指针后，在irql≤dispatch_level级别的例程中设置事件信号状态为signal来通知应用程序进行后续处理。
6结语
基于上述的硬件结构和驱动程序设计方法，成功开发了一款实时测频卡，在实际中得到了很好的应用，板卡工作正常，达到了预期效果。实践证明，driverworks是一款功能强大，使用方便的驱动程序开发工具，利用它可以方便快捷地构造pci设备的驱动程序框架，大大加快了开发周期，提高了开发效率。
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①base 0基地址寄存器(bar0)。确定一个4 mb可预取的pc机内存地址空间。将dsp存储空间中不同的4 mb空间都映射到pc机内存相同的4 mb空间中。由dsp页寄存器(dspp)设置该区域在。dsp存储空间中的映射位置；用bar0访问dsp内部的ram和外挂的通过emifa和emifb访问的存储器空间。访问时每次最多只能读取dsp存储空间的4 mb内容，并且需要定义dspp寄存器，以指定访问空间的起始地址。访问支持数据突发传输模式。这种映射方式只适用于dsp处于从模式。
②base 1基地址寄存器(bar1)：确定一个8 mb不可预取的访问区间。对dsp芯片而言，其访问地址固定在0180000h～0200000h的范围内。用barl来访问dsp内部所有的操作命令控制寄存器。
③base 2基地址寄存器(bar2)：定义一个16 b的pc机i／o空间，用于访问pci的i／o寄存器。bar2加偏移00h，访问主机状态寄存器hsr；bar2加偏移04h，访问主机对dsp控制寄存器hdcr；bar2加偏移08h，访问dsp页寄存器dspp。
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status=m_memoryrange0．initialize(preslisttranslated，preslistraw，pciconfig．baseaddresslndextoordinal(0))；
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中断处理一般需要声明两种类实例：klnterrupt和kdeferredcall。kinterrupt类用于实现硬件中断处理；kdeferredcall类用于实现延时过程调用。首先创建一个klnterrupt类实例m_irq，将此实例作为设备类的成员变量，然后创建一个kdeferredcall类实例m_dpcfor_irq。m_irq对应的中断服务例程和m_dpcfor_irq对应的延时过程调用例程也需要在实例中声明。这两个实例m_irq和m_dpcfor_irq都是在onstartdevice例程中初始化的，代码如下：
status=m_irq．inifializeandconnect(preslisttranslated，linkto(isr_irq)，this)；
m_dpcfor_irq．setup(linkto(dpefor_irq)，this)；
中断服务例程的处理时间应尽量短，对于一些耗时，但不需要立即处理的任务，中断服务程序会调用一个低于中断服务程序dirql级别的延迟过程调用程序dpc，在dispatch_level上完成处理，这个级别上的限制较少，函数调用也相对比较方便。在中断服务例程中，首先判断中断是否是自己设备产生的，若不是，返回false；若是，进行必要的处理，请求一个dpc(延时过程调用)，然后返回true。关键代码如下：
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虽然驱动程序是为设备的硬件层编程服务的，但同样需要提供和应用程序进行通信的能力，从而最终达到应用程序控制设备的目的。应用程序与驱动程序之间的通信通过调用win32 api来实现，应用程序用creatfile函数通过已经定义的设备接口来获取驱动程序文件句柄，然后将文件句柄作为其他win32 api函数的一个参数，对驱动程序的进行数据操作。调用devicelocontrol进行数据量较小的，如控制指令传输或端口、寄存器访问；调用readfile，writefile等函数进行数据量较大的传输，如内存读／写等。驱动程序与应用程序的通信有devicecontrol异步完成、共享win32事件通知两种方式。win32事件通知是由应用程序创建了一个事件后，设置事件的状态为unsignal，然后直接将该事件句柄传递给驱动程序，等待驱动程序发送事件通知。驱动程序通过类kevent获取这个事件的一个对象指针后，在irql≤dispatch_level级别的例程中设置事件信号状态为signal来通知应用程序进行后续处理。
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