基于CPCI總線的數(shù)據(jù)采集卡及其驅(qū)動程序設(shè)計(jì)

1、基于CPCI總線的數(shù)據(jù)采集卡及其驅(qū)動程序設(shè)計(jì)         08-05-02 15:03:00     作者：周玉恒 師奕兵 王    編輯：studa0714摘  要  介紹了一種基于CPCI總線的高速數(shù)據(jù)采集卡硬件及其WDM驅(qū)動程序設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)說明了計(jì)算機(jī)通過驅(qū)動程序與數(shù)據(jù)采集卡硬件進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換的方法，利用DriverWorks完成了滿足高速數(shù)據(jù)傳輸要求的WDM驅(qū)動程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集卡與主機(jī)內(nèi)存之間

2、數(shù)據(jù)傳輸?shù)腄MA方法。     關(guān)鍵詞  數(shù)據(jù)采集；WDM ；CPCI；DriverWorks；DMA 1  引言    CPCI總線機(jī)械特性上有VME總線的堅(jiān)固特性，在數(shù)據(jù)傳輸方面采取與PCI一致的傳輸方法。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，總線數(shù)據(jù)傳輸能力要求強(qiáng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用CPCI總線，極大提高了數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)傳輸能力。為了充分發(fā)揮CPCI總線數(shù)據(jù)傳輸快、高可靠的優(yōu)勢，要解決好基于CPCI總線的數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)主機(jī)之間的通信問題。Windows2000操作系統(tǒng)對CPCI總線提供良好的支持，該操作系統(tǒng)下，驅(qū)

3、動程序的編寫基于一種新的驅(qū)動模型WDM(Windows Driver Model)，WDM為Windows98/2000/XP操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計(jì)提供了統(tǒng)一的框架。本文介紹的基于CPCI總線的高速數(shù)據(jù)采集卡用于某數(shù)字化儀（Digitizer）中，借助用DriverWorks開發(fā)的WDM設(shè)備驅(qū)動程序，用戶應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)采集卡之間相互通信，實(shí)現(xiàn)主機(jī)命令的即時(shí)傳送和板卡采集數(shù)據(jù)的高速傳輸。2  硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)    針對不同的應(yīng)用要求，CPCI接口卡設(shè)計(jì)采用的設(shè)計(jì)方案，一是使用PCI專用接口芯片與FPGA相結(jié)合的方案，專用接口芯片完成從PCI總線到本地用

4、戶總線的轉(zhuǎn)接；FPGA靈活的轉(zhuǎn)換邏輯時(shí)序，以適應(yīng)不同的外設(shè)時(shí)序要求；二是采用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)通用PCI總線接口，很多生產(chǎn)可編程邏輯器件的廠商都提供經(jīng)過嚴(yán)格測試的PCI接口功能模塊，由用戶進(jìn)行簡單的組合設(shè)計(jì)即可?？紤]到開發(fā)周期，本CPCI數(shù)據(jù)采集卡采用前一種設(shè)計(jì)方法，用PCI專用接口芯片實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。    本數(shù)據(jù)采集卡PCI接口芯片選用PLX公司的PCI9054， PCI9054提供兩個(gè)獨(dú)立的可編程DMA控制器，有兩個(gè)DMA通道，每個(gè)通道均支持Block(塊傳輸)和Scatter/Gather(散/集傳輸)的DMA方式，PCI總線端支持32位/3

5、3MHz；本地端可編程實(shí)現(xiàn)8、16、32位數(shù)據(jù)寬度，傳輸速率最高可達(dá)到132M字節(jié)/秒。本地總線端時(shí)鐘最高可達(dá)50MHz，支持復(fù)用（J模式）和非復(fù)用的32位地址/數(shù)據(jù)（C模式）。PCI9054工作方式有：直接主模式，直接從模式和DMA模式。直接主模式由本地處理器訪問PCI總線上的I/O接口和計(jì)算機(jī)內(nèi)存資源，本地處理器發(fā)起數(shù)據(jù)的傳輸。直接從模式指PCI總線作為主控設(shè)備發(fā)起對本地總線資源的訪問，包括對本地處理器的控制和對本地內(nèi)存的訪問。DMA模式支持PCI總線與本地總線之間的突發(fā)傳輸。PCI9054實(shí)現(xiàn)了PCI總線到局部端總線的轉(zhuǎn)接，用該芯片做設(shè)計(jì)時(shí)，不必對PCI規(guī)范作全面深入理解，方便用戶在設(shè)計(jì)

6、時(shí)專注于具體功能的實(shí)現(xiàn)。    本設(shè)計(jì)中PCI9054設(shè)置為非復(fù)用的32位地址/數(shù)據(jù)，即C模式，采用直接從模式和DMA方式分別傳輸主機(jī)命令和數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)；可編程邏輯器件FPGA里邊配置一個(gè)FIFO作為緩沖器，當(dāng)主機(jī)向數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送命令時(shí)，F(xiàn)IFO作為命令數(shù)據(jù)的緩沖器，命令數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，引起DSP的一個(gè)中斷，DSP從FIFO里讀出命令數(shù)據(jù)，對命令解析，完成實(shí)際的硬件操作；當(dāng)主機(jī)要讀取數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)時(shí)，DSP對SRAM中數(shù)據(jù)作預(yù)處理，上傳到FPGA里邊配置的FIFO中，這時(shí)FIFO作為數(shù)據(jù)采集卡上傳數(shù)據(jù)的緩沖器，當(dāng)FIFO數(shù)據(jù)滿時(shí)，引起PCI中斷，通

7、知上層應(yīng)用程序讀取數(shù)據(jù)。EEPROM中存放設(shè)備號，廠商號以及本地總線的基地址空間，I/O空間，中斷控制信號等信息，初始化時(shí)，系統(tǒng)將EEPROM配置參數(shù)裝入PCI配置寄存器，并根據(jù)本地總線對內(nèi)存，I/O端口和中斷的需求統(tǒng)一劃分，自動分配系統(tǒng)資源。3 數(shù)據(jù)采集卡WDM驅(qū)動程序設(shè)計(jì)3.1  WDM模型(Windows Driver Model)簡述    WDM模型(Windows Driver Model) 是微軟公司為Windows98和Windows2000的驅(qū)動程序設(shè)計(jì)的一種架構(gòu)，在WDM驅(qū)動程序模型中，每個(gè)硬件設(shè)備至少有兩個(gè)驅(qū)動程序。其中一個(gè)為功能驅(qū)

8、動程序，它了解硬件工作的所有細(xì)節(jié)，負(fù)責(zé)初始化I/O操作，處理I/O操作完成時(shí)所帶來的中斷事件，為用戶提供與設(shè)備相適合的控制方式；另一個(gè)驅(qū)動程序?yàn)榭偩€驅(qū)動程序，它負(fù)責(zé)管理硬件與計(jì)算機(jī)的連接，總線驅(qū)動程序由操作系統(tǒng)提供。Window2000 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，應(yīng)用程序調(diào)用Windows子系統(tǒng)Win32 API，這個(gè)調(diào)用由系統(tǒng)服務(wù)接口作用到I/ O 管理器，I/ O 管理器進(jìn)行必要的參數(shù)匹配和操作安全性檢查，然后由這個(gè)請求構(gòu)造出合適的IRP(I/O Request Package) 。IRP是DDK定義的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，具有豐富的成員，對于單層驅(qū)動程序，直接接受并執(zhí)行這個(gè)請求包，完成對硬件的操作，

9、從而完成I/ O請求工作，并將執(zhí)行的結(jié)果通過I/ O 管理器返回應(yīng)用程序；對于多層驅(qū)動則將驅(qū)動程序分成若干層，每層驅(qū)動再把I/ O 請求劃分成更簡單的請求，以傳給更下層的驅(qū)動執(zhí)行。圖2   Windows2000 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3.2  驅(qū)動程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)    該數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動程序完成以下功能：應(yīng)用程序控制數(shù)據(jù)采集卡工作方式，向數(shù)據(jù)采集卡工作方式緩沖器發(fā)送工作方式控制字；應(yīng)用程序查詢數(shù)據(jù)采集卡工作狀態(tài)，從數(shù)據(jù)采集卡工作狀緩沖器讀取工作狀態(tài)字；為了使應(yīng)用程序能實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)采集卡上采集到的數(shù)據(jù)，SRAM與主機(jī)內(nèi)存之間要實(shí)現(xiàn)DMA方式的數(shù)據(jù)傳輸。    采用VC+DDK+Driverworks進(jìn)行驅(qū)動程序開發(fā)，Driverworks為驅(qū)動程序開發(fā)提供向?qū)?，可以方便的建立一個(gè)驅(qū)動程序框架。下面分別說明控制命令和DMA方式傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)方法。    1)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)采集卡控制命令實(shí)現(xiàn)    Driverworks利用KMemoryRange和KIoRange實(shí)現(xiàn)內(nèi)存和I/O映射空間的讀寫，通過配置EEPROM，將PCI9054的Base2空間設(shè)定為一個(gè)內(nèi)存映射空間，局部端FPGA