基于DSP的PCI驅動程序開發

　0 引 言

　　計算機系統總是通過總線(Bus)實現相互間信息或數據交換的。這些定向的信息流和數據流在總線中流動，就形成計算機系統的各種操作，它能實現各種不同部件和設備之間的互連。

　　PCI總線廣泛使用在計算機中，一方面是因為該總線的數據吞吐量大，另一方面是因為該總線與具體的處理器無關。PCI總線的設計也使各種PCI外設卡可以直接插入PCI總線插槽中，而不需要考慮各種額外的特殊邏輯，在設計和使用PCI設備時，需要訪問和控制硬件設備，如存儲器讀寫、I／O端口訪問、中斷響應等。

　　與工業標準結構(Industry Standard Architecture，ISA)設備不同的是：PCI硬件設備資源的分配不是硬件設計所決定的，而是由Windows操作系統根據PC機中所有硬件設備對資源的占有統一分配的。為了保證系統的安全性、穩定性和可移植性，對應用程序訪問硬件資源加以限制。這就要求設計設備驅動程序以跨越操作系統的邊界，對物理硬件進行操作。

　　1 DSP芯片中集成的PCI接口特點

　　1．1 PCI接口的內部結構

　　DM642片內集成一個主／從模式的PCI接口，它相當于專用的PCI接口芯片，這樣可以不必深究PCI總線規范，將工作重點放在系統功能的實現上。DSP可以通過這個接口實現與PCI主機的互連。

　　從圖1可以看出，PCI接口的內部結構包括7個部分：

　　(1)PCI總線接口模塊(PCI Bus InteRFace Unit，PBIN)：該模塊對主／從模式下的總線交易都不會插入等待周期，可以實現最大的總線傳輸帶寬。

　　(2)E2PROM控制器模塊：控制器與外部的4線串行E2PROM相連。PCI接口復位時，控制器讀取E2PROM中的數據，配置PCI接口。DSP可以通過映射寄存器訪問E2PROM。

　　(3)DSP從模式寫模塊：包括一個多路復用器和一個PBIN到DSP的FIFO。它完成的功能是：外部PCI設備通過PCI接口寫數據到DSP從設備。外部主設備往DSP的Base0空間執行寫操作時，PCI地址與DSPP寄存器中的固定偏移值結合，形成DSP目的地址，在傳輸過程中目的地址自動遞增。

　　(4)DSP從模式讀模塊：包括一個多路復用器和一個DSP到PBIN的FIFO。它完成的功能是：外部PCI設備通過PCI接口能夠從DSP從設備讀取數據。在外部主設備從DSP的Base0空間執行讀操作時，PCI地址與DSPP寄存器中的固定偏移值結合，形成DSP源地址，在傳輸過程中此地址自動遞增。

　　(5)DSP主模式模塊：包括讀／寫兩個子模塊，DSP是該模塊的主控方。DSP主模式讀這個子模塊，完成DSP主設備通過PCI接口從外部PCI從設備中讀取數據。DSP主模式寫這個子模塊完成DSP主設備通過PCI接口寫數據到外部PCI從設備。

　　(6)PCI I／O接口模塊：它包括PCI的I／O寄存器，HSR，HDCR，DSPP。只能由PCI主機通過基址1寄存器或基址2寄存器的空間映射進行訪問。

　　(7)DSP寄存器接口模塊：包含DSP的映射寄存器，用于控制主模式接口，產生PCI中斷以及電源管理。

　　其他幾個模塊都與PCI總線接口模塊相連，而PCI總線接口模塊對外通過PCI總線與外部設備相連，這樣。DSP就可以通過主／從模式的讀或寫來完成與外部-設備之間的數據傳輸。

　　1．2 PCI接口中的寄存器

　　PCI接口中包括3類寄存器：

　　(1)PCI配置寄存器：只能被外部PCI主機(Host)訪問。

　　這些寄存器提供了PCI接口的配置信息，只能由外部主機訪問，可以從外部E2PROM自動加載，或者直接設置為默認值。

　　(2)PCI I／O寄存器：只能被外部PCI主機(Host)訪問。

　　PCI I／O寄存器只能由PCI主機通過基址l寄存器(Basel Address Register)或基址2寄存器(Base2Address Register)的空間映射進行訪問。

　　(3)映射在DSP外設空間的PCI寄存器，用于DSP控制PCI接口可以由外部PCI主機訪問，也可以由DSP訪問。

　　2 驅動程序設計

　　設備驅動程序提供連接到計算機硬件的軟件接口。它是操作系統的信任部分，由I／O管理器(I／O Manag-er)管理和調動。

　　用戶應用程序以一種規范的方式訪問硬件，而不必考慮如何控制硬件。驅動程序總是使設備看起來像一個文件，可以打開設備的一個句柄，然后應用程序可以在設備句柄最后關閉之前向驅動程序發出讀寫請求。

　　I／O管理器每收到一個來自用戶應用程序的請求就創建一個I／O請求包(IRP)的數據結構，并將其作為參數傳遞給驅動程序。

　　2．1 設備驅動程序的組成部分

　　可以把一個完整的驅動程序看作是一個容器，它包含許多例程。當操作系統遇到一個I／O請求包(I／ORequest Packet，IRP)時，它就調用這個容器中的例程來執行該IRP的各種操作。驅動程序包含以下幾個基本例程：

　　(1)DriverEntry例程：它是驅動程序的初始化入口點，必須叫作DriverEntry。它負責驅動程序的初始化，用來初始化驅動程序范圍內的數據結構和資源。它主要有以下三個功能：設置Adddevice，Unload和其他例程的入口指針；可以從注冊表中獲取一些需要的信息以初始化驅動程序；初始化其他的在驅動程序范圍內的數據結構和資源。所有的驅動程序都必須包含它。當裝載驅動程序時，PnP管理器為每個驅動程序調用一次 DriverEntry例程。

　　(2)AddDevice例程：在驅動程序初始化以后，PnP管理器調用驅動程序的Add Device例程來初始化由該驅動程序所控制的設備。在Add Device例程中，驅動程序創建一個設備對象作為目標設備，并將設備對象附著到設備堆棧中。

　　(3)PnP例程：PCI設備都是即插即用設備，PCI設備的驅動程序必須具備PnP例程。PnP管理器使用PnP例程來管理驅動程序啟動、停止和刪除設備。

　　(4)分發例程(Dispatch)：用于管理驅動程序與應用程序之間的通信，從而實現應用程序控制PCI設備的目的。

　　嚴格地說，驅動程序中只有“初始化”模塊Drivet-Entry例程是一定不能少的。在實際工作中，所有驅動程序都有分發例程處理用戶I／O請求。

　　2．2 IRP處理

　　I／O請求包(IRP)是驅動程序操作的中心，是一個預先定義的數據結構，帶有一組對它進行操作的I／O管理器例程。一個IRP有固定的首部和可變數目的 IRP棧單元。IRP的固定部分含有IRP的固定屬性，每個棧單元含有大多數有關的IRP參數。當IRP由多個驅動程序處理時，使用多個IRP棧單元。每個驅動程序從當前IRP棧單元得到它的IRP參數。如果把IRP沿當前設備的驅動程序棧向下傳遞，必須在當前驅動程序中使用正確的參數設置下一個棧單元，然后在此驅動程序中利用函數IoCalldriver()調用更低層的驅動程序。驅動程序不必處理所有的IRP，但至少需要處理“創建”和“關閉”這兩個 IRP。I／O管理器接收I／O請求，然后在把它傳遞到合適的驅動程序棧中的最高驅動程序之前，分配并初始化IRP。驅動程序處理IRP的過程如圖2所示。

　　IRP首先到達最高層的驅動程序1，驅動程序1使用函數IoGetCurrentIrpStackLocation()獲得指向當前棧單元的指針。

　　然后驅動程序1使用IoCallDriver()函數調用下一個驅動程序。I／O管理器現在改變“當前IRF’棧單元”指針，所以驅動程序2看到向下的第二個IRP棧單元(驅動程序1為它設置的棧單元)。這個過程繼續，直到最底層的的驅動程序4收到這個IRP。

　　驅動程序4現在處理這個IRP。當它完成IRP的處理時，驅動程序4調用IoCompleteRequest()函數。指示它已經完成IRP的處理。IRP再沿設備棧向上傳遞，直到它最終彈出棧頂，回到用戶。

　　2．3 IRP的完成

　　當一個驅動程序完成對IRP的處理時，它必須告訴I／O管理器，這稱為IRP完成。如下面代碼所示，必須設置IRP IoStatus域結構中的幾個域。IoStatus，Status設置為一個NTSTATUS狀態碼，IoStatus．In-formation通常存儲傳輸的字節數。如：

　　Irp一>loStatus．Status=S T ATUS_SUCCESS

　　Irp一>IoStatus．Information=info；

　　IoCompleteRequest(Irp，IO_NO_INCREMENT)；

　　調用IoCompleteRequest()表明低層驅動程序已經完成了IRP的請求，并將這個IRP返回給I／O管理器。IO_No_INCREMENT是個系統定義的常量，指定啟動該IRP的優先級，需要驅動程序快速處理。

　　3 驅動程序功能實現

　　當把板卡第一次插到計算機的PCI插槽以后，計算機的系統總線會檢測到有個新設備沒有安裝驅動程序，并提示安裝驅動程序。正確地安裝驅動程序以后，用戶就可以在應用程序中與驅動程序進行通信。

　　3．1 打開設備

　　在應用程序中調用系統提供的函數CreateFile()。如果系統根據設備名確實檢測到設備并成功打開了這個設備，則返回一個指向這個設備的有效句柄；如果調用失敗，則返回一個錯誤信息。

　　3．2 讀／寫設備

　　讀／寫設備包括讀／寫設備的配置空間、讀／寫設備的非配置空間，其中，非配置空間包括I／O空間、存儲空間。

　　設備被打開以后，應用程序就調用DeviceloCon-trol()函數來達到訪問設備的目的。DeviceIoControl()函數有8個參數，其中第3個參數是應用程序傳遞給驅動程序的數據緩沖區地址，在這個數據緩沖區存放的是應用程序要讀寫的設備的空間、偏移量、長度，這些都需要在應用程序中配置好。

　　這個調用由I／O系統服務接收。I／O管理器從這個請求構造一個合適的I／O請求包(IRP)。在最簡單的情況下，I／O管理器只是把IRP傳遞給一個設備驅動程序，這個驅動程序調用硬件，并完成IRP的處理。I／O管理器把數據和結果返回給Win 32和用戶應用程序。現在一個分層的設備驅動程序棧是很常見的。每個驅動程序把該請求劃分為更簡單的請求。高層次的驅動程序調用低層次的驅動程序，最后，最低層的驅動程序與硬件直接打交道完成用戶的請求。I／O管理器把數據和結果返回給Win 32和用戶應用程序。設備程序調用如圖3所示。

　　當應用程序讀／寫設備時，驅動程序工作的流程圖如圖4所示。

　　首先，獲取當前IRP棧單元的指針；然后再讀取I／O控制代碼，判斷應用程序想達到什么樣的目的：是讀／寫配置空間，還是讀／寫非配置空間，然后再調用相應的處理程序。

　　4 結 語

　　這里采用微軟的驅動程序開發包Device Driver Kit(DDK)是因為它是其他幾種工具的基礎，它要求開發人員深刻了解驅動底層，雖然不易掌握，但開發出來的驅動程序通用性好，兼容性強。板卡與PC機的通信速度得到了很大的提高。