PCI設(shè)備的WDM驅(qū)動程序設(shè)計-9052.doc

PCI設(shè)備的WDM驅(qū)動程序設(shè)計柳泉 羅耀華 柳華偉摘要：本文詳細地討論了利用DDK開發(fā)PCI設(shè)備的WDM驅(qū)動程序的設(shè)計原理、方法及在設(shè)計中注意事項，實現(xiàn)了以芯片PCI9052開發(fā)的PCI卡的具有內(nèi)存和I/O讀寫及中斷處理的WDM驅(qū)動程序。關(guān)鍵字：PCI，WDM，驅(qū)動程序，DDK在Windows操作系統(tǒng)中，為了保證系統(tǒng)的安全性和可移植性，對應(yīng)用程序?qū)τ布牟僮鬟M行了限制，尤其Windows 2000和Windows XP，不支持直接對系統(tǒng)的硬件資源的操作。因而在設(shè)計開發(fā)PCI設(shè)備時，需要開發(fā)相應(yīng)的驅(qū)動程序來實現(xiàn)對PCI設(shè)備的操作，用戶應(yīng)用程序通過驅(qū)動程序來訪問PCI設(shè)備。由于計算機硬件設(shè)備都存在不同的特點，因此各種設(shè)備的驅(qū)動程序也都有自己的特點，比如PCI設(shè)備、USB設(shè)備等等。盡管在整體框架中基本相同，但設(shè)備功能上不同，因此本文以PCI橋芯片PCI9052開發(fā)的PCI卡為硬件設(shè)備，來探討PCI設(shè)備的驅(qū)動程序的開發(fā)。1 驅(qū)動程序類型和開發(fā)工具的選擇在WINDOWS操作系統(tǒng)下，支持PCI總線及其設(shè)備的驅(qū)動程序類型有支持Windows 98/95的VxD、支持Windows NT的NT式驅(qū)動程序和支持Windows 2000、Windows XP和Windows 98的WDM（Windows Driver Model）。前兩種驅(qū)動程序類型由于其支持的操作系統(tǒng)的逐漸淘汰而淘汰?，F(xiàn)在主流的操作系統(tǒng)是Windows 2000和Windows XP，因此開發(fā)PCI設(shè)備的驅(qū)動程序最好的方案是WDM驅(qū)動程序。在一個系統(tǒng)中開發(fā)出WDM驅(qū)動程序，稍加修改即可在其他系統(tǒng)中編譯運行。WDM是在Windows NT驅(qū)動程序體系的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，修改或增加了即插即用、電源管理等功能，使之適應(yīng)硬件和用戶的要求。開發(fā)WDM驅(qū)動程序的主要工具是微軟為各操作系統(tǒng)提供的開發(fā)軟件包 Device Driver Kits(DDK) ，該軟件包為驅(qū)動程序開發(fā)者提供了用于驅(qū)動程序開發(fā)的資源文件、編譯連接程序、開發(fā)技術(shù)文檔等。還有第三方提供的開發(fā)工具：NuMega公司的DriverStudio和Jungo公司的WinDriver，這些工具是在DDK的基礎(chǔ)上為方便開發(fā)用戶而進行開發(fā)的工具。在使用中，雖然利用DDK開發(fā)驅(qū)動程序難度較大，但是代碼非常簡潔，結(jié)構(gòu)清晰，效率也高。利用第三方開發(fā)工具使用簡單，開發(fā)速度較快，但對于驅(qū)動程序的理解和深入開發(fā)不如DDK。因此選擇DDK開發(fā)PCI設(shè)備驅(qū)動程序，雖然開始會覺得非常復(fù)雜，但從執(zhí)行效率和功能上會更有利。2 PCI設(shè)備驅(qū)動程序的特點在開發(fā)驅(qū)動程序之前對PCI總線和硬件設(shè)備進行了解是十分必要的，而且還要詳細地掌握PCI設(shè)備的特性以及PCI設(shè)備驅(qū)動程序在設(shè)備程序棧的關(guān)系等，以便進行WDM驅(qū)動程序的設(shè)計。PCI總線是一種高性能、與CPU無關(guān)的32/64位地址數(shù)據(jù)復(fù)用的總線，它支持突發(fā)傳輸、即插即用、電源管理等功能，不但能滿足現(xiàn)在的應(yīng)用需要，而且能夠適應(yīng)未來的需求。PCI總線支持硬件資源動態(tài)自動配置，以支持即插即用。在PCI設(shè)備插入PCI插槽或上電后，PCI總線配置機構(gòu)自動根據(jù)PCI設(shè)備的要求實現(xiàn)配置。PCI總線支持內(nèi)存讀寫、I/O端口讀寫、中斷機制和DMA功能。由于這些硬件特點使PCI設(shè)備的WDM驅(qū)動程序的設(shè)計變得很復(fù)雜。在開發(fā)WDM驅(qū)動程序之前，還有必須掌握PCI設(shè)備的需要分配的資源等配置信息以及PCI設(shè)備的功能和操作方法。在WDM中，采用了分層的驅(qū)動程序體系結(jié)構(gòu)，總線驅(qū)動程序或類驅(qū)動程序在最底層直接與設(shè)備打交道，設(shè)備功能驅(qū)動程序在上層通過與低層驅(qū)動程序打交道，實現(xiàn)設(shè)備的功能，中間還可以有類過濾驅(qū)動程序或設(shè)備過濾驅(qū)動程序用于數(shù)據(jù)的過濾或轉(zhuǎn)換。在PCI總線的驅(qū)動程序?qū)又?，其層次圖如圖4：更多的PCI設(shè)備的功能驅(qū)動程序和過濾驅(qū)動程序上層PCI類過濾驅(qū)動程序上層PCI設(shè)備過濾驅(qū)動程序PCI設(shè)備功能驅(qū)動程序低層PCI類過濾驅(qū)動過濾程序低層PCI設(shè)備過濾驅(qū)動程序PCI總線過濾驅(qū)動程序PCI總線驅(qū)動程序圖1 通用PCI總線的WDM驅(qū)動程序棧在實際開發(fā)中，一般無需分很多層次，只需要開發(fā)一個設(shè)備驅(qū)動程序即可。設(shè)備驅(qū)動程序直接與PCI總線驅(qū)動程序打交道，進行硬件操作，以實現(xiàn)PCI設(shè)備的功能。3 WDM驅(qū)動程序的設(shè)計在PCI設(shè)備的WDM驅(qū)動程序中，一般是編寫功能驅(qū)動程序。PCI總線驅(qū)動程序由操作系統(tǒng)實現(xiàn)，過濾驅(qū)動程序一般在特殊的情況下需要編寫。因此本文只討論PCI設(shè)備功能驅(qū)動程序的設(shè)計。在PCI設(shè)備功能驅(qū)動程序中，需要處理PCI設(shè)備的內(nèi)存、端口的讀寫、中斷處理和DMA數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)PCI設(shè)備的功能，因此，PCI設(shè)備功能驅(qū)動程序是很標(biāo)準(zhǔn)的WDM設(shè)備驅(qū)動程序。PCI設(shè)備驅(qū)動程序在框架上與其他類型的設(shè)備驅(qū)動程序基本相同，包括初始化、創(chuàng)建設(shè)備、卸載和刪除設(shè)備、即插即用處理、分發(fā)例程處理、電源管理、WMI等部分，限于篇幅，在此只討論PCI設(shè)備的特別之處。（1）PCI設(shè)備資源的獲得PCI設(shè)備的硬件資源是由PCI配置機構(gòu)動態(tài)分配的，由PCI設(shè)備實現(xiàn)PCI配置寄存器，提出需要分配的硬件資源，由PCI配置機構(gòu)分配資源。驅(qū)動程序需要取得這些資源，才能操作硬件。因此，PCI設(shè)備的硬件資源分配與管理是驅(qū)動程序中很重要的部分。硬件資源主要包括映射內(nèi)存空間、I/O空間、中斷。在WDM體系中，取得這些資源有四種方法：讀寫PCI配置寄存器、調(diào)用硬件抽象層（HAL）函數(shù)、向PCI總線驅(qū)動程序發(fā)送讀寫配置IRP和向PCI總線驅(qū)動程序傳遞開啟設(shè)備IRP。第一種方法通過讀寫PCI總線配置I/O寄存器，來取得PCI設(shè)備的配置信息，其中包括資源的分配。這種方法需要將幾乎所有的PCI設(shè)備枚舉一遍，考慮到這種方法是對公共寄存器的讀寫，不利于系統(tǒng)的安全性，最好不使用這種方法，但是在調(diào)試PCI設(shè)備硬件時是個很好的方法。第二種方法通過調(diào)用函數(shù)HalGetBusData和HalGetBusDataByOffset來實現(xiàn)的，但是這種方法是為了能夠與Windows NT的驅(qū)動程序兼容，而保留下來的方法，不推薦使用，其功能被第三種方法取代。在WDM體系中，總線驅(qū)動程序必須實現(xiàn)總線上設(shè)備的管理功能。PCI總線驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)了對PCI設(shè)備資源的枚舉，設(shè)備驅(qū)動程序通過向PCI總線驅(qū)動程序傳遞設(shè)備配置IRP_MJ_PNP，經(jīng)總線驅(qū)動程序的處理后，設(shè)備驅(qū)動程序得到PCI設(shè)備的資源信息。第四種方法是推薦的方法，當(dāng)系統(tǒng)的PNP管理器在取得設(shè)備的資源后會自動向驅(qū)動程序發(fā)出IRP_MN_START_DEVICE的IRP，在該IRP棧中包含了設(shè)備的資源信息。好的驅(qū)動程序都應(yīng)該使用這種方法，在此主要討論該方法。每個支持PNP功能的驅(qū)動程序，都應(yīng)實現(xiàn)IRP_MN_START_DEVICE處理。在該IRP處理中應(yīng)先交給低層驅(qū)動程序處理后，再根據(jù)IRP棧內(nèi)內(nèi)容進行資源分配。如下：NTSTATUS PnpStartDevice(IN PDEVICE_OBJECT fdo, IN PIRP pIrp ) NTSTATUS status;PIO_STACK_LOCATION stack;pIrp-IoStatus.Status = STATUS_SUCCESS;/先由低層驅(qū)動程序處理，并等待KeInitializeEvent(&event,NotificationEvent,FALSE);IoCopyCurrentIrpStackLocationToNext(pIrp);IoSetCompletionRoutine(pIrp,(PIO_COMPLETION_ROUTINE) OnRequestComplete,(PVOID) &event,TRUE,TRUE,TRUE);status=IoCallDriver(DEVICE_EXTENSION *)fdo-DeviceExtension) - pLowerDeviceObject ,pIrp);if (status = STATUS_PENDING) KeWaitForSingleObject(PVOID)&event,Executive,KernelMode,FALSE,NULL);if (!NT_SUCCESS(status)return CompleteRequest(pIrp, status);stack = IoGetCurrentIrpStackLocation(pIrp);ResourceRaw = stack-Parameters.StartDevice.AllocatedResources -List0.PartialResourceList-PartialDescriptors;Resource = stack-Parameters.StartDevice.AllocatedResourcesTranslated -List0.PartialResourceList-PartialDescriptors;for (i = 0; i Count; +i, +Resource, +ResourceRaw)switch (ResourceRaw-Type)case CmResourceTypeInterrupt:/中斷資源 IrqL = (KIRQL) Resource-u.Interrupt.Level;/中斷IRQL vector = Resource-u.Interrupt.Vector;/中斷向量 affinity = Resource-u.Interrupt.Affinity;/中斷分發(fā)的處理器集 /判斷中斷觸發(fā)的類型if (ResourceRaw-Flags = CM_RESOURCE_INTERRUPT_LATCHED) mode = Latched;/低電平觸發(fā) elsemode = LevelSensitive;/下降沿出發(fā)/是否共享，PCI中斷都是共享的irqshare = Resource-ShareDisposition = CmResourceShareShared;/連接中斷status = IoConnectInterrupt(&pdx-pInterruptObject, (PKSERVICE_ROUTINE)OnInterrupt,(PVOID)pdx,NULL,vector,IrqL,IrqL,mode, irqshare,affinity,FALSE); case CmResourceTypePort:/端口資源 pdx-PhysicalIOBase = ResourceRaw-u.Port.Start;/開始物理地址 pdx-IOCount = ResourceRaw-u.Port.Length;/地址數(shù)量pdx-IOBase = (ULONG *)MmMapIoSpace(pdx-PhysicalIOBase,pdx-IOCount,MmNonCached);/映射端口 break; case CmResourceTypeMemory:/內(nèi)存資源pdx-PhysicalMemBase = ResourceRaw-u.Memory.Start;/開始地址pdx-MemCount = ResourceRaw-u.Memory.Length;/地址數(shù)量pdx-MemBase = (ULONG *)MmMapIoSpace(pdx-PhysicalMemBase,pdx-MemCount,MmNonCached);/映射內(nèi)存if (pdx-MemBase = NULL)return STATUS_INSUFFICIENT_RESOURCES;/其他資源一般沒有，可默認處理default:break; return STATUS_SUCCESS;在以上的代碼中，限于篇幅，沒有增加錯誤處理代碼，在實際中應(yīng)用一定需要進行在調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)之后，進行相應(yīng)的處理，如果不符合要求，立即退出，否則在其他例程中會發(fā)生錯誤，使系統(tǒng)崩潰。同時，在退出之前，一定要釋放已分配的資源。（2）內(nèi)存讀寫Windows工作在保護模式下，與實模式的區(qū)別在于CPU尋址方式不同，可以實現(xiàn)虛擬內(nèi)存。在Windows系統(tǒng)中對內(nèi)存又分為分頁和非分頁內(nèi)存。分頁內(nèi)存一般用于應(yīng)用程序，系統(tǒng)提供分頁和分段使用戶應(yīng)用程序使用的內(nèi)存可以在程序空閑的時候由系統(tǒng)將其從物理內(nèi)存調(diào)配到硬盤中，以節(jié)省物理內(nèi)存資源，當(dāng)程序重新運行的時候，再由系統(tǒng)將其調(diào)配到物理內(nèi)存，這樣，系統(tǒng)可以得到比物理內(nèi)存非常大的內(nèi)存量，允許更多得應(yīng)用程序保持運行。而非分頁內(nèi)存為系統(tǒng)常駐內(nèi)存，不可以從物理內(nèi)存調(diào)配到硬盤上，因此內(nèi)存無需分頁。在WDM驅(qū)動程序中，對于硬件的內(nèi)存映射一般需要用非分頁內(nèi)存，因為在一些運行在DISPATCH_LEVEL或更高得中斷級例程中，禁止使用分頁內(nèi)存，比如在中斷處理程序中就不可以使用分頁內(nèi)存。再者，使用非分頁內(nèi)存無需太多的轉(zhuǎn)換，非常安全，效率也高。如果使用分頁內(nèi)存，系統(tǒng)就有可能將其調(diào)配到硬盤上，容易產(chǎn)出錯誤。但是，不能過多地使用非分頁內(nèi)存。在PCI設(shè)備的驅(qū)動程序中，獲得的設(shè)備內(nèi)存是一段映射物理內(nèi)存，這是無法使用的，需要將其映射成系統(tǒng)可以訪問的非分頁內(nèi)存。函數(shù)MmMapIoSpace完成該功能。該函數(shù)的原型為：PVOID MmMapIoSpace( IN PHYSICAL_ADDRESS PhysicalAddress, IN ULONG NumberOfBytes, IN MEMORY_CACHING_TYPE CacheEnable);參數(shù)PhysicalAddress為物理地址；NumberOfBytes為地址的數(shù)量；CacheEnable為內(nèi)存是否可以隱藏，取值可為MmNonCached，MmCached，MmWriteCombined，這里必須取為MmNonCached。其應(yīng)用實例見以上代碼中的“內(nèi)存資源”處理部分。當(dāng)訪問設(shè)備內(nèi)存時，使用函數(shù)UCHAR READ_REGISTER_UCHAR(IN PUCHAR Register);ULONG READ_REGISTER_ULONG(IN PULONG Register);USHORT READ_REGISTER_USHORT(IN PUSHORT Register);VOID READ_REGISTER_BUFFER_UCHAR(IN PUCHAR Register,IN PUCHAR Buffer,IN ULONG Count);VOID READ_REGISTER_BUFFER_UCHAR(IN PULONG Register,IN PULONG Buffer,IN ULONG Count);VOID READ_REGISTER_BUFFER_UCHAR(IN PUSHORT Register,IN PUSHORT Buffer,IN ULONG Count);VOID WRITE_REGISTER_UCHAR(IN PUCHAR Register,IN UCHAR Value);VOID WRITE_REGISTER_ULONG(IN PULONG Register,IN ULONG Value);VOID WRITE_REGISTER_USHORT(IN PUSHORT Register,IN USHORT Value);VOID WRITE_REGISTER_BUFFER_UCHAR(IN PUCHAR Register,IN PUCHAR Buffer,IN ULONG Count);VOID WRITE_REGISTER_BUFFER_UCHAR(IN PULONG Register,IN PULONG Buffer,IN ULONG Count);VOID WRITE_REGISTER_BUFFER_UCHAR(IN PUSHORT Register,IN PUSHORT Buffer,IN ULONG Count);以上函數(shù)對應(yīng)的分別是對PCI設(shè)備內(nèi)存的讀寫函數(shù)，參數(shù)Register為映射后的內(nèi)存地址，在使用時，應(yīng)進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換。其他參數(shù)為數(shù)據(jù)參數(shù)。XXX_REGISTER_XXX讀寫單個地址的內(nèi)容；XXX_REGISTER_BUFFER_XXX讀寫一段內(nèi)存的內(nèi)容，這在PCI設(shè)備支持突發(fā)讀寫（Burst Transmission）時應(yīng)用。例如讀寫單個內(nèi)存的地址：WRITE_REGISTER_UCHAR(PUCHAR)pdx-MmBase,0x03C)；（3）I/O讀寫在PC上，I/O空間是一個64K字節(jié)的尋址空間。I/O端口的尋址方式與內(nèi)存是不一樣的。但是在WDM驅(qū)動程序中，對其處理與內(nèi)存是一樣的，把其看作寄存器，映射為設(shè)備內(nèi)存。其映射方法和訪問函數(shù)的用法與內(nèi)存資源一樣，只不過函數(shù)XXX_REGISTER_XXX改為XXX_PORT_XXX。（4）中斷的處理在PCI總線中，很多設(shè)備共享一個中斷，這就需要在中斷處理函數(shù)要格外小心，處理不當(dāng)，就會導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。驅(qū)動程序首先要在IRP_MN_START_DEVICE中獲得中斷資源，然后需要連接到中斷處理函數(shù)中，使其當(dāng)有中斷請求時，進入中斷服務(wù)例程。連接中斷的函數(shù)為IoConnectInterrupt，具體用法見上段程序中的“中斷資源”部分。十分需要注意的是在連接中斷之前，一定要確定PCI設(shè)備不會產(chǎn)生中斷請求，最好在PCI設(shè)備上電后，中斷為屏蔽狀態(tài)。在連接中斷后，調(diào)用開啟中斷請求的函數(shù)需要同步處理，以防在函數(shù)的執(zhí)行中，出現(xiàn)運行時間上的錯誤，而且在開啟中斷時，一定要在所有的硬件資源分配以后，否則如果有中斷產(chǎn)生，系統(tǒng)就會立即調(diào)用中斷處理例程，如果例程中使用了還沒有分配的資源，就會出現(xiàn)意想不到的結(jié)果。同步處理使用函數(shù)：BOOLEAN KeSynchronizeExecution(IN PKINTERRUPT Interrupt,IN PKSYNCHRONIZE_ROUTINE SynchronizeRoutine,IN PVOID SynchronizeContext);參數(shù)Interrupt為IoConnectInterrupt返回的變量，SynchronizeRoutine為函數(shù)名稱，SynchronizeContext為函數(shù)的輸入?yún)?shù)。調(diào)用方式如下：KeSynchronizeExecution(pdx-pInterruptObject,(PKSYNCHRONIZE_ROUTINE)EnablePciInterrupt,pdx);在中斷服務(wù)例程中，首先必須根據(jù)硬件信息來判斷該中斷是否是自己的設(shè)備發(fā)出的。這是因為PCI總線共享中斷，系統(tǒng)在接收到中斷后，順序調(diào)用各個注冊該中斷資源的驅(qū)動程序的中斷處理例程，如果有返回TRUE的例程，就代表該中斷已處理，就不再調(diào)用其他例程，如果是返回FALSE的例程，則說明該中斷沒有處理，則繼續(xù)調(diào)用其他的例程。如果返回錯誤，就會擾亂系統(tǒng)，造成系統(tǒng)崩潰。其框圖如圖3。進入中斷處理程序是否是自己的設(shè)備的中斷？處理中斷返回FALSE返回TRUE返回是否圖2 中斷服務(wù)例程框圖在中斷服務(wù)例程中，相應(yīng)的處理最好簡潔快速，因為中斷例程運行的級別很高，當(dāng)有中斷請求時，不但會打斷應(yīng)用程序的執(zhí)行，而且會打斷在硬件中斷級以下的所有運行程序。在WDM中，提供了DPC（Deferred Procedure Call）例程，將在中斷例程中耗時的但不需要立即處理的任務(wù)延時處理。比如，驅(qū)動程序接受應(yīng)用程序的寫PCI設(shè)備的數(shù)據(jù)，當(dāng)寫完后，硬件產(chǎn)生中斷標(biāo)志執(zhí)行完畢，這時需要結(jié)束該IRP，就可以將結(jié)束IRP這個耗時的任務(wù)交給DPC完成。典型的用法示例如圖4：WriteFileDispatchWriteStartIoOnInterruptDPC應(yīng)用程序驅(qū)動程序圖3 中斷處理過程示例在該實例中，由應(yīng)用程序調(diào)用函數(shù)WriteF