0 引 言
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總是通過總線(Bus)實(shí)現(xiàn)相互間信息或數(shù)據(jù)交換的。這些定向的信息流和數(shù)據(jù)流在總線中流動,就形成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各種操作,它能實(shí)現(xiàn)各種不同部件和設(shè)備之間的互連。
PCI總線廣泛使用在計(jì)算機(jī)中,一方面是因?yàn)樵摽偩€的數(shù)據(jù)吞吐量大,另一方面是因?yàn)樵摽偩€與具體的處理器無關(guān)。PCI總線的設(shè)計(jì)也使各種PCI外設(shè)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(shè)計(jì)和使用PCI設(shè)備時,需要訪問和控制硬件設(shè)備,如存儲器讀寫、I/O端口訪問、中斷響應(yīng)等。
與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)(Industry Standard Architecture,ISA)設(shè)備不同的是:PCI硬件設(shè)備資源的分配不是硬件設(shè)計(jì)所決定的,而是由Windows操作系統(tǒng)根據(jù)PC機(jī)中所有硬件設(shè)備對資源的占有統(tǒng)一分配的。為了保證系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可移植性,對應(yīng)用程序訪問硬件資源加以限制。這就要求設(shè)計(jì)設(shè)備驅(qū)動程序以跨越操作系統(tǒng)的邊界,對物理硬件進(jìn)行操作。
1 DSP芯片中集成的PCI接口特點(diǎn)
1.1 PCI接口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
DM642片內(nèi)集成一個主/從模式的PCI接口,它相當(dāng)于專用的PCI接口芯片,這樣可以不必深究PCI總線規(guī)范,將工作重點(diǎn)放在系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)上。DSP可以通過這個接口實(shí)現(xiàn)與PCI主機(jī)的互連。
從圖1可以看出,PCI接口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)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(fù)位時,控制器讀取E2PROM中的數(shù)據(jù),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(fù)用器和一個PBIN到DSP的FIFO。它完成的功能是:外部PCI設(shè)備通過PCI接口寫數(shù)據(jù)到DSP從設(shè)備。外部主設(shè)備往DSP的Base0空間執(zhí)行寫操作時,PCI地址與DSPP寄存器中的固定偏移值結(jié)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(fù)用器和一個DSP到PBIN的FIFO。它完成的功能是:外部PCI設(shè)備通過PCI接口能夠從DSP從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)。在外部主設(shè)備從DSP的Base0空間執(zhí)行讀操作時,PCI地址與DSPP寄存器中的固定偏移值結(jié)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(shè)備通過PCI接口從外部PCI從設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)。DSP主模式寫這個子模塊完成DSP主設(shè)備通過PCI接口寫數(shù)據(jù)到外部PCI從設(shè)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(jī)通過基址1寄存器或基址2寄存器的空間映射進(jìn)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(chǎn)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(shè)備相連,這樣。DSP就可以通過主/從模式的讀或?qū)憗硗瓿膳c外部-設(shè)備之間的數(shù)據(jù)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(jī)(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(jī)訪問,可以從外部E2PROM自動加載,或者直接設(shè)置為默認(rèn)值。
(2)PCI I/O寄存器:只能被外部PCI主機(jī)(Host)訪問。
PCI I/O寄存器只能由PCI主機(jī)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(jìn)行訪問。
(3)映射在DSP外設(shè)空間的PCI寄存器,用于DSP控制PCI接口可以由外部PCI主機(jī)訪問,也可以由DSP訪問。
2 驅(qū)動程序設(shè)計(jì)
設(shè)備驅(qū)動程序提供連接到計(jì)算機(jī)硬件的軟件接口。它是操作系統(tǒng)的信任部分,由I/O管理器(I/O Manag-er)管理和調(diào)動。
用戶應(yīng)用程序以一種規(guī)范的方式訪問硬件,而不必考慮如何控制硬件。驅(qū)動程序總是使設(shè)備看起來像一個文件,可以打開設(shè)備的一個句柄,然后應(yīng)用程序可以在設(shè)備句柄最后關(guān)閉之前向驅(qū)動程序發(fā)出讀寫請求。
I/O管理器每收到一個來自用戶應(yīng)用程序的請求就創(chuàng)建一個I/O請求包(IRP)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),并將其作為參數(shù)傳遞給驅(qū)動程序。
2.1 設(shè)備驅(qū)動程序的組成部分
可以把一個完整的驅(qū)動程序看作是一個容器,它包含許多例程。當(dāng)操作系統(tǒng)遇到一個I/O請求包(I/ORequest Packet,IRP)時,它就調(diào)用這個容器中的例程來執(zhí)行該IRP的各種操作。驅(qū)動程序包含以下幾個基本例程:
(1)DriverEntry例程:它是驅(qū)動程序的初始化入口點(diǎn),必須叫作DriverEntry。它負(fù)責(zé)驅(qū)動程序的初始化,用來初始化驅(qū)動程序范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和資源。它主要有以下三個功能:設(shè)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(qū)動程序;初始化其他的在驅(qū)動程序范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和資源。所有的驅(qū)動程序都必須包含它。當(dāng)裝載驅(qū)動程序時,PnP管理器為每個驅(qū)動程序調(diào)用一次 DriverEntry例程。
(2)AddDevice例程:在驅(qū)動程序初始化以后,PnP管理器調(diào)用驅(qū)動程序的Add Device例程來初始化由該驅(qū)動程序所控制的設(shè)備。在Add Device例程中,驅(qū)動程序創(chuàng)建一個設(shè)備對象作為目標(biāo)設(shè)備,并將設(shè)備對象附著到設(shè)備堆棧中。
(3)PnP例程:PCI設(shè)備都是即插即用設(shè)備,PCI設(shè)備的驅(qū)動程序必須具備PnP例程。PnP管理器使用PnP例程來管理驅(qū)動程序啟動、停止和刪除設(shè)備。
(4)分發(fā)例程(Dispatch):用于管理驅(qū)動程序與應(yīng)用程序之間的通信,從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序控制PCI設(shè)備的目的。
嚴(yán)格地說,驅(qū)動程序中只有“初始化”模塊Drivet-Entry例程是一定不能少的。在實(shí)際工作中,所有驅(qū)動程序都有分發(fā)例程處理用戶I/O請求。
2.2 IRP處理
I/O請求包(IRP)是驅(qū)動程序操作的中心,是一個預(yù)先定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),帶有一組對它進(jìn)行操作的I/O管理器例程。一個IRP有固定的首部和可變數(shù)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(shù)有關(guān)的IRP參數(shù)。當(dāng)IRP由多個驅(qū)動程序處理時,使用多個IRP棧單元。每個驅(qū)動程序從當(dāng)前IRP棧單元得到它的IRP參數(shù)。如果把IRP沿當(dāng)前設(shè)備的驅(qū)動程序棧向下傳遞,必須在當(dāng)前驅(qū)動程序中使用正確的參數(shù)設(shè)置下一個棧單元,然后在此驅(qū)動程序中利用函數(shù)IoCalldriver()調(diào)用更低層的驅(qū)動程序。驅(qū)動程序不必處理所有的IRP,但至少需要處理“創(chuàng)建”和“關(guān)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(qū)動程序棧中的最高驅(qū)動程序之前,分配并初始化IRP。驅(qū)動程序處理IRP的過程如圖2所示。
IRP首先到達(dá)最高層的驅(qū)動程序1,驅(qū)動程序1使用函數(shù)IoGetCurrentIrpStackLocation()獲得指向當(dāng)前棧單元的指針。
然后驅(qū)動程序1使用IoCallDriver()函數(shù)調(diào)用下一個驅(qū)動程序。I/O管理器現(xiàn)在改變“當(dāng)前IRF’棧單元”指針,所以驅(qū)動程序2看到向下的第二個IRP棧單元(驅(qū)動程序1為它設(shè)置的棧單元)。這個過程繼續(xù),直到最底層的的驅(qū)動程序4收到這個IRP。
驅(qū)動程序4現(xiàn)在處理這個IRP。當(dāng)它完成IRP的處理時,驅(qū)動程序4調(diào)用IoCompleteRequest()函數(shù)。指示它已經(jīng)完成IRP的處理。IRP再沿設(shè)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(dāng)一個驅(qū)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(shè)置IRP IoStatus域結(jié)構(gòu)中的幾個域。IoStatus,Status設(shè)置為一個NTSTATUS狀態(tài)碼,IoStatus.In-formation通常存儲傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)。如:
Irp一>loStatus.Status=S T ATUS_SUCCESS
Irp一>IoStatus.Information=info;
IoCompleteRequest(Irp,IO_NO_INCREMENT);
調(diào)用IoCompleteRequest()表明低層驅(qū)動程序已經(jīng)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(tǒng)定義的常量,指定啟動該IRP的優(yōu)先級,需要驅(qū)動程序快速處理。
3 驅(qū)動程序功能實(shí)現(xiàn)
當(dāng)把板卡第一次插到計(jì)算機(jī)的PCI插槽以后,計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)總線會檢測到有個新設(shè)備沒有安裝驅(qū)動程序,并提示安裝驅(qū)動程序。正確地安裝驅(qū)動程序以后,用戶就可以在應(yīng)用程序中與驅(qū)動程序進(jìn)行通信。
3.1 打開設(shè)備
在應(yīng)用程序中調(diào)用系統(tǒng)提供的函數(shù)CreateFile()。如果系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備名確實(shí)檢測到設(shè)備并成功打開了這個設(shè)備,則返回一個指向這個設(shè)備的有效句柄;如果調(diào)用失敗,則返回一個錯誤信息。
3.2 讀/寫設(shè)備
讀/寫設(shè)備包括讀/寫設(shè)備的配置空間、讀/寫設(shè)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(shè)備被打開以后,應(yīng)用程序就調(diào)用DeviceloCon-trol()函數(shù)來達(dá)到訪問設(shè)備的目的。DeviceIoControl()函數(shù)有8個參數(shù),其中第3個參數(shù)是應(yīng)用程序傳遞給驅(qū)動程序的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)地址,在這個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)存放的是應(yīng)用程序要讀寫的設(shè)備的空間、偏移量、長度,這些都需要在應(yīng)用程序中配置好。
這個調(diào)用由I/O系統(tǒng)服務(wù)接收。I/O管理器從這個請求構(gòu)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(shè)備驅(qū)動程序,這個驅(qū)動程序調(diào)用硬件,并完成IRP的處理。I/O管理器把數(shù)據(jù)和結(jié)果返回給Win 32和用戶應(yīng)用程序?,F(xiàn)在一個分層的設(shè)備驅(qū)動程序棧是很常見的。每個驅(qū)動程序把該請求劃分為更簡單的請求。高層次的驅(qū)動程序調(diào)用低層次的驅(qū)動程序,最后,最低層的驅(qū)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(shù)據(jù)和結(jié)果返回給Win 32和用戶應(yīng)用程序。設(shè)備程序調(diào)用如圖3所示。
當(dāng)應(yīng)用程序讀/寫設(shè)備時,驅(qū)動程序工作的流程圖如圖4所示。
首先,獲取當(dāng)前IRP棧單元的指針;然后再讀取I/O控制代碼,判斷應(yīng)用程序想達(dá)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(diào)用相應(yīng)的處理程序。
4 結(jié) 語
這里采用微軟的驅(qū)動程序開發(fā)包Device Driver Kit(DDK)是因?yàn)樗瞧渌麕追N工具的基礎(chǔ),它要求開發(fā)人員深刻了解驅(qū)動底層,雖然不易掌握,但開發(fā)出來的驅(qū)動程序通用性好,兼容性強(qiáng)。板卡與PC機(jī)的通信速度得到了很大的提高。