摘? 要: 介紹了PCI總線控制芯片PCI2040的功能及內(nèi)部結(jié)構(gòu),分析了基于PCI總線的DSP語音卡的硬件結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)方法,描述了WDM設(shè)備驅(qū)動程序" title="設(shè)備驅(qū)動程序">設(shè)備驅(qū)動程序的特點及PCI語音卡驅(qū)動程序主要模塊的設(shè)計方法和編程注意要點。
關(guān)鍵詞: PCI總線? PCI2040? DSP? WDM? 驅(qū)動
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CTI(Computer Telephone Integration)即計算機電話集成技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了30多年。其中電話語音卡是CTI中的典型應(yīng)用之一,它作為電腦與公用電話網(wǎng)的接口設(shè)備,應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)滲透到社會各個部門。同時,在語音卡的開發(fā)中也不斷注入了新的技術(shù),軟件上有語音合成、語音識別等技術(shù),而硬件上最重要的就是DSP技術(shù)和PCI總線技術(shù)。研制了基于TMS320VC5410 DSP的PCI語音卡,并設(shè)計了相應(yīng)的WDM設(shè)備驅(qū)動程序,取得了良好的效果。
1 硬件設(shè)計
1.1 PCI總線控制芯片PCI2040
PCI總線是一種不依附于某個具體處理器的局部總線,它支持32位或64位的總線寬度,頻率通常是33MHz，目前最快的PCI2.0總線工作頻率是66MHz。工作在33MHz、32位時,理論上最大數(shù)據(jù)傳輸速率能達到133MB/s。它支持猝發(fā)工作方式,提高了傳輸速度,支持即插即用" title="即插即用">即插即用,PCI部件和驅(qū)動程序可以在各種不同的平臺上運行[1]。
實現(xiàn)PCI總線協(xié)議一般有兩種方法,一是用FPGA設(shè)計實現(xiàn),但PCI協(xié)議比較復(fù)雜,因此難度較大;二是采用PCI總線控制芯片,如AMCC公司的S5933、PLX公司的PCI9080等通用的PCI接口芯片。TI公司專門推出了針對PCI總線和DSP接口的芯片PCI2040[2],它不但實現(xiàn)了PCI總線控制的功能,而且提供了和DSP芯片無縫的接口,因而大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度并縮短了開發(fā)時間。
PCI2040內(nèi)部功能框圖如圖1所示。
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PCI2040是一個PCI-DSP橋接器件,它提供了PCI局部總線和TMS320C54X 8位主機接口(HPI)與TMS320C6X 16位主機接口的無縫連接。一片PCI2040最多能同時掛接4片DSP芯片。同時,它還提供了一個串行EEPROM接口,一個通用輸入輸出接口(GPIO)和一個16位通用總線接口(為TI JTAG測試總線控制器提供接口)[2]。PCI2040只能作為PCI目標設(shè)備使用,不能作為PCI主設(shè)備使用;它只支持單字的讀寫,不能提供DMA操作。PCI2040能夠兼容3.3V和5V信號環(huán)境，系統(tǒng)中的3.3V和5V信號可以直接從PCI插槽中獲得。
1.2 語音卡硬件設(shè)計
1.2.1 功能簡介及硬件框圖
語音卡是基于TMS320VC5410 DSP和PCI2040而設(shè)計的。此卡的主要功能是:(1)通過電話信號音檢測模塊,將對方說話的聲音經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后,交給DSP進行壓縮處理,采用G.729編碼算法壓縮后速率可達到8kbps，然后將壓縮后的碼流通過PCI2040經(jīng)PCI總線存放在計算機硬盤上，從而實現(xiàn)錄音功能。(2)將存在硬盤上的壓縮碼流(以文件形式存在),通過PCI2040經(jīng)PCI總線傳送到DSP的內(nèi)部緩沖區(qū)中,進行解壓縮處理(G.729解碼算法),并將解碼后的數(shù)據(jù)通過D/A轉(zhuǎn)換回放出來。
語音卡硬件框圖如圖2所示。
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電話信號音檢測部分主要實現(xiàn)振鈴檢測、摘掛機及話音傳輸功能。系統(tǒng)的核心是DSP,它完成各種復(fù)雜算法的處理,包括G.729編解碼算法、回聲消除算法、話音檢測及軟件摘掛機算法等。TMS320VC5410是TI 54X系列中一款高性能的DSP,它的處理功能達到100MIPS,因此能滿足算法復(fù)雜度的要求。它的最大特點是片內(nèi)集成了64K×16bit的RAM和16K×16bit的ROM[3]，因而不需要外加SRAM或SDRAM就可以滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。TMS320VC5410內(nèi)置了3個多通道緩沖串行口(McBSP)、6個DMA通道和一個8位增強型HPI口，可以方便地和外部進行數(shù)據(jù)交換。在語音卡的設(shè)計中,采用PCI2040來完成DSP與主機交換數(shù)據(jù)的任務(wù)。
1.2.2 PCI2040與TMS320VC5410接口
PCI2040與TMS320VC5410 HPI口的連接如圖3所示。
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PCI_AD31～PCI_AD15決定了PCI2040的控制空間基地址(Control Space Base Address)寄存器的值,這個值實際上是系統(tǒng)自動分配的。所有的PNP器件都是如此，它將控制空間映射到主機內(nèi)存,映射的空間大小為232-17=32KB。DSP芯片的選擇是通過解碼PCI_AD14、PCI_AD13來實現(xiàn)的。而PCI_AD12和PCI_AD11分別映射到HCNTL1和HCNTL0，用以決定訪問DSP HPI寄存器的方式。其對應(yīng)關(guān)系如表1所示。
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因此,DSP與PC交換數(shù)據(jù)的過程,也就是讀寫HPI寄存器的過程。具體描述如下:
(1)初始化PCI2040內(nèi)部配置寄存器,指向特定的DSP(本系統(tǒng)只有一個DSP和PCI2040相連),指定數(shù)據(jù)傳輸寬度為8位。
????(2)分配HPI CSR基地址和控制空間基地址,允許PCI2040進行內(nèi)存映射或I/O" title="I/O">I/O端口映射。值得注意的是,PCI2040控制空間只能映射在主機的內(nèi)存空間里,不能映射在I/O空間。以上兩步都由驅(qū)動程序完成。
(3)脫離復(fù)位狀態(tài)后,PCI2040解碼從PCI總線來的地址,以此來做出響應(yīng)。若落入32KB的控制空間中,則根據(jù)HCNTL1和HCNTL0及片選情況訪問相應(yīng)HPI寄存器。
(4)設(shè)定HPI控制寄存器中的BOB位,選擇正確的高低8位排列方式。
(5)主機開始對HPI寄存器進行讀寫。
2 基于WDM的PCI驅(qū)動程序設(shè)計
2.1 WDM驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)及原理
WDM是新一代的驅(qū)動程序構(gòu)架,它是一個跨平臺的驅(qū)動程序模型,在WINDOWS 98以上的操作系統(tǒng)中都實現(xiàn)了全面兼容。不僅如此,WDM驅(qū)動程序還可以在不修改源代碼的情況下經(jīng)過重新編譯后在非Intel平臺上運行,因而為驅(qū)動程序開發(fā)人員提供了極大的方便。
WDM驅(qū)動程序是分層的,即不同層上的驅(qū)動程序有著不同的優(yōu)先級,而Windows 9x下的VxD則沒有此結(jié)構(gòu)。另外,WDM還引入了功能設(shè)備對象FDO(Functional Device Object)與物理設(shè)備對象PDO(Physical Device Object)兩個新概念來描述硬件。PDO代表實際存在的硬件設(shè)備,它是在總線驅(qū)動程序(BUS DRIVER)下枚舉并建立的,負責與真實硬件進行I/O操作。FDO是由用戶驅(qū)動程序建立的,一般來說,它是用戶與真實硬件進行I/O操作的一個窗口,是Win32賴以溝通內(nèi)核的一個橋梁。對于驅(qū)動程序開發(fā)者,真正需要做的就是開發(fā)FDO。至于PDO,則由BUS DRIVER建立,并在需要的時候作為參數(shù)由I/O Manager或其它系統(tǒng)組件傳給你的FDO。
在應(yīng)用層與底層進行通訊時,操作系統(tǒng)為每一個用戶請求打包成一個IRP(IO Request Packet)結(jié)構(gòu),將其發(fā)送至驅(qū)動程序,并通過識別IRP中的PDO來識別是發(fā)送給哪一個設(shè)備的。另外,WDM不是通過驅(qū)動程序名稱,而是通過一個128位的全局惟一標識符(GUID)來識別驅(qū)動程序的[4]。
WDM驅(qū)動程序都有一個初始化入口點,即DriverEntry，它相當于C語言中的main函數(shù)。當WDM驅(qū)動程序被裝入時,內(nèi)核調(diào)用DriverEntry例程" title="例程">例程。另外WDM設(shè)備驅(qū)動程序還需要一個即插即用模塊,即AddDevice。AddDevice例程就是PnP管理器在用戶插入新設(shè)備時調(diào)用它來創(chuàng)建WDM設(shè)備對象的。
2.2 PCI語音卡驅(qū)動程序設(shè)計
PCI總線支持即插即用,因而采用WDM模型來設(shè)計驅(qū)動程序?qū)⑹钩绦蚋雍侠?支持更多的操作系統(tǒng),并且在安裝維護上更加方便。
該驅(qū)動程序主要用DriverStudio 2.5加VC++ 6.0設(shè)計。DriverStudio對DDK進行封裝,利用向?qū)Э缮沈?qū)動程序框架。在此基礎(chǔ)上再添加針對語音卡處理的函數(shù)及語句即可完成設(shè)計,調(diào)試工具為SOFTICE。程序結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。
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PCI2040.lib和PCI2040.dll處于Ring3層,它封裝了和底層驅(qū)動打交道的函數(shù),對外只顯現(xiàn)出如Open_Device()、Close_Device(HANDLE hDevice)、Record(HANDLE hDevice，LPSTR FileName)、Play(HANDLE hDevice，LPSTR File-Name)等API函數(shù)。這樣可以讓多種編程語言以DLL的形式來調(diào)用,給使用者提供了方便。
核心編程是PCI2040.sys，它處于Ring0層,為Ring3層和PCI語音卡進行數(shù)據(jù)交換搭建了一個橋梁。驅(qū)動程序中主要模塊有：
(1)OnStartDevice()，在這個例程里驅(qū)動程序?qū)⒌玫絇nP管理器為語音卡所分配的硬件資源,包括HPI CSR基地址和HPI控制空間基地址，對PCI配置空間進行初始化。初始化中斷等。需要注意的是,在初始化中斷之前禁止卡向主機發(fā)中斷,因此應(yīng)有屏蔽中斷的操作。
????(2)DeviceControl(),在這個例程中可以定制自己的函數(shù)來達到Ring3層和Ring0層相互通訊的目的。通過IOCTL_CODE可以區(qū)分不同的請求。例如:
#define SEND_HEVENT? CTL_CODE(FILE_DEVICE_UNKNOWN， 0x802， METHOD_BUFFERED， FILE_ANY_ACCESS)
在DeviceControl()中,可執(zhí)行如下語句:
case SEND_HEVENT：
status = SEND_HEVENT_Handler(I)；?????? ?????? //接收應(yīng)用程序傳遞給WDM的事件句柄
m_Irq.Connect(LinkTo(Isr_Irq)， this)；????????? //連接中斷
INT_MASK_SET_UL=(ULONG)0x80000001； ??????? //開相應(yīng)中斷屏蔽位
??? m_CtlMemoryRange.outw((ULONG)0x0000，0x0b0b)；???//清除中斷位,等待中斷到來
??? break；
把連接中斷的函數(shù)放在DeviceControl()里,并沒有和初始化中斷(在OnStartDevice()中)放在一起,不然會在Win2000里引起死機。
DSP語音卡是基于中斷處理的,因此上面的程序就起了這樣一個作用:當語音卡向主機發(fā)中斷時,驅(qū)動程序就跳到Isr_Irq執(zhí)行，并在DpcFor_Irq中將事件設(shè)置為信號態(tài),從而通知上層應(yīng)用程序進行處理。
(3)Isr_Irq(),這個例程是用來處理中斷的。Windows 2000的中斷處理機制是假定多個設(shè)備可以共享一個硬件中斷。因此,Isr的首要工作就是找出哪一個設(shè)備發(fā)生了中斷。如果沒有,則應(yīng)該立刻返回FALSE,以便HAL能把中斷送往其它設(shè)備驅(qū)動程序[5]。中斷服務(wù)例程Isr執(zhí)行在提升的IRQL上,在DIRQL級別上運行的代碼需要盡可能快地運行。通常情況下,若判斷中斷是由自己的設(shè)備產(chǎn)生的,則調(diào)用一個在DISPATCH_LEVEL級別上運行的延遲過程調(diào)用(DpcFor_Irq)。
??? 在處理的過程中要注意,當確定是自己卡的中斷時,要馬上屏蔽中斷位防止中斷再進來,等到DpcFor_Irq的結(jié)尾處再開中斷。Dpc中部分語句如下:
??? if(m_pEventToSignal!=NULL) m_pEventToSignal->Set()；?? //將事件設(shè)置為信號態(tài)
??? t << ″Event Set!n″；
??? INT_MASK_SET_UL=(ULONG)(0x80000001)；???????????????? ?//開中斷
??? m_CtlMemoryRange.outw((ULONG)0x0000，0x0b0b)；
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參考文獻
1 陳立學,孫 彪,趙玉連. 微機總線與接口設(shè)計. 成都:電子科技大學出版社,1998
2 PCI2040 PCI-DSP Bridge Controller Data Manual. Texas?Instruments， 1999
3 TMS320VC5410 Fiexed-Point Digital Signal Processor.Texas? Instruments， 2000
4 武安河,周莉莉.Windows設(shè)備驅(qū)動程序(VxD與WDM)開發(fā)實務(wù).北京:電子工業(yè)出版社,2001
5 Walter Oney.Programming the Microsoft Windows Driver Model.Microsoft Press，1999