PCI接口卡硬件与驱动程序设计

1、PCI接口卡硬件与驱动程序设计        摘要：介绍了一种较为通用的PCI接口卡的硬件结构，说明了硬件设计的几种可行性方案和硬件设计时需要注意的问题，同时详细地阐述了PCI设备WDM驱动程序开发的基本方法，比较了几种常用开发工具的优缺点，并对驱动程序中的PCI设备I/O端口与存储器的读写、中断处理以及应用程序与驱动程序之间多种通信方式作了详细的介绍。一、引言目前，PCI技术已广泛应用于电子行业的各个领域，特别是在计算机控制、数据采集与传送方面，PCI技术已经成为一种非常成熟的技术。PCI插卡分为长卡与短卡，虽然

2、长卡提供多达49平方英寸的设计空间1，但其物理尺寸在复杂的系统中总会受到限制，当信号处理模块需要较大空间时，制作一块很大尺寸的PCI卡插入计算机理论上没有问题，但对整体的结构会造成问题，更多的想法是设计一块PCI接口卡，使之成为计算机与信号处理板的桥梁，通过它完成计算机与信号处理板卡间的控制命令发布、数据发放和接收工作等。 二、接口卡硬件设计PCI规范是比较复杂的，要深入了解并应用需要较长时间，为了节省PCI产品的开发周期，推广PCI技术，已经有很多公司开发了专门针对PCI总线的产品。利用这些产品，针对不同的应用要求，对PCI接口卡采用不同的设计方案：使用PCI专用接口芯片与EPLD相结合的设

3、计方案，接口芯片很多，如AMCC公司的S5920、S5933、PLX的9052、9054、9656等，专用接口芯片完成从PCI总线到本地用户总线的转接，EPLD灵活地转换逻辑时序，以适应不同的外设;使用PCI专用接口芯片与DSP芯片相结合的设计方案，这种方案能够利用DSP芯片编程的灵活性以及DSP芯片本身所带有的丰富资源，其外部存储器接口（EMIF）几乎可以与目前所有的存储器（SBSRAM、SDRAM、SRAM、ROM、FLASH等）直接对接；使用专用ASIC设计方案，如网卡、Modem的设计；仅使用可编程逻辑器件的设计方案，Xlinx的LogicCore、Alter的PCI MegaCore

4、等就是一类专门针对PCI总线接口设计的软件模块，可以将它们模块嵌入到用户的可编程逻辑器件中完成设计。总的说来，不管是通用型PCI接口芯片还是面向某一领域的专用PCI芯片，它们都是把与PCI接口的信号做在一个芯片之中，当使用这些芯片设计PCI产品时，不必对PCI规范作全面深入理解，主要工作在于针对该芯片的功能与时序设计自己的电路。下面介绍一种采用第一种方案设计的PCI接口卡的硬件结构，其框图如图1所示。 该接口卡应用于某型雷达模拟器中，主要完成主控计算机对信号处理板加载雷达杂波和目标数据、发布主机控制命令、监控系统工作状态、实时采集目标轨迹信息等功能。我们选用AMCCS5920作为接口芯片，主要

5、使用了S5920的Pass_Thru通道作为数据加载和接收途径，信箱Mailbox输出MD70作为命令发布通道；EPM7128SQC100完成从S5920的Add_on用户总线与信号处理板上的多片双口存储器的时序转换，主要利用Pass_Thru通道指示输出PTNUM20完成对多块双口存储器的选择，根据时序锁存并产生地址信息，完成地址/数据复用总线的分离等。信号处理板上由DSP芯片将双口存储器数据传送到大容量SDRAM中。该卡结构简单，通过可编程逻辑器件能够灵活地针对不同外设进行逻辑时序的调整，使该接口卡具有较强的通用性。电路板设计中最好选用多层布线，在布线方面注意从边缘连接器到PCI器件的引脚

6、之间，其所有32位接口信号走线的最大长度为1.5英寸，用于64位扩展的附加信号走线长度最大为2英寸，特别注意时钟信号走线长度为2.5±0.1英寸，而且只能连接到一个负载上1。 三、驱动程序设计虽然有些专用芯片带有相应的软件开发包，其中含有一些通用的驱动程序和应用程序接口，但在实际应用中往往不能做面面俱到，而且用户对自身的项目，通常会有些特殊的要求和不同工作模式，故而需要编写自己板卡的驱动程序。1. WDM模型简介WDM模型2，3（Windows Driver Model）是微软公司为当前主流操作系统Windows98和Windows 2000的驱动程序设计的一种构架，它和传统的win

7、3.x和win95使用的VXD的驱动是完全不同的体系结构。Window2000系统结构图如图2所示，应用程序调用Windows子系统win32 API，这个调用由系统服务接口作用到I/O>' target='_blank' class='infotextkey'>管理器，I/O>' target='_blank' class='infotextkey'>管理器进行必要的参数匹配和操作安全性检查，然后由这个请求构造出合适的IRP(IO Request Package),它实际上是一个数据结构，

8、具有丰富的成员，对于单层的驱动程序直接接受并执行这个请求包，并完成对硬件的操作，从而完成I/O请求工作，并将执行的结果通过I/O>' target='_blank' class='infotextkey'>管理器返回给应用程序，而对于多层的驱动则将驱动程序分成了若干层，每层驱动再把I/O请求划分成更简单的请求，以传给更下层的驱动执行。 2. 开发工具目前开发WDM驱动程序通常有3种工具,如表1所示。 3种开发工具的使用：Windows DDK需要对整个体系结构有很好的理解和把握；DriverStudio对一些基本的操作做了封装，减少了很多琐碎

9、的工作；Windriver几乎不需要什么代码的编写，它只需要用户定制和调用它提供的通用驱动，但在效率上受到了限制。基于以上的特点，大多数驱动开发人员用Windriver作驱动程序的原型，用Driverstudio作最终发行的驱动程序，如果驱动程序很复杂的话，则使用DDK开发。3. 设计方法我们使用VCDDKDriverstudio来进行驱动的开发。Driverstudio为驱动程序设计提供了DriverWizard向导，可以很方便地建立一个完整的驱动程序框架。设计PCI驱动程序基本步骤为：选择PCI总线类型，填写相应的VendorID、DeviceID、SubsystemID、Revision

10、ID，这些必须和PCI板卡上的配置信息一致，用于产生INF文件，在安装时识别板卡；填写注册表信息；添加资源,包括I/O、Memory、IRQ、DMA等；选择设备接口方式、读写方式、电源>' target='_blank' class='infotextkey'>管理方式等；添加IOCTL命令字，并选用相应的输入输出模式；产生框架代码，添加用户代码；编译调试。驱动程序设计的工作主要在步骤、，编写驱动主要针对以下的几个方面3。(1) 端口和内存映射区域读写驱动程序框架已经在添加资源时，创建了操作资源的KMemoryRange类和KIoRange类

11、的对象，如：将PCI的Base1空间设定为一个内存映射的空间，这个空间实际上就是双口存储器映射的空间，我们要访问双口存储器就是访问Base1空间，这时S5920的PTNUM 20会输出001，可以使用它完成对映射到该空间双口存储器的片选使能，驱动程序中需要创建对象KMemoryRange  m_MemoryRangeFor 对该对象进行初始化。在驱动的其它例程中就可以使用对象MemoryRangeForBase1调用该类的成员函数ind、inw、inb、outb、outw、outd来完成对PCI卡的Base1空间的DWORD、WORD和Byte的输入输出操作，在我们的设计中也就是对双

12、口存储器的存取。对于I/O端口的访问也是相似的，只是使用KIoRange类。在设计中将Base0空间设定为端口映射的空间，这个空间实际上是对S5920操作寄存器组的映射。如S5920的输出邮箱寄存器5偏移为0x0C，若要在S5920的邮箱数据线MD07上输出全1，则可以通过调用一个用Bsae0初始化的KIoRange对象m_IoPortRangeForBass0.outd(0x0C,0xFFFF);来实现。(2)中断处理DriverStudio中使用KInterrupt类实现中断地处理，主要调用其成员函数对中断进行初始化，控制一个中断服务程序和一个中断之间连接和断开。对于DriverWizar

13、d生成的框架，它在OnStartDevice(KIrp I)中对一个中断对象调用了InitializeAndConnect（）；完成了中断地初始化与连接，但是作为实际应用，最好在OnStartDevice(KIrp I)中只作初始化，而在需要中断服务的时候在PASSIVE-LEVEL级别上调用Connect（）。PCI的中断是共享的，所以中断服务程序必须迅速作出是否为自己板卡来的中断地判定，如果是返回TRUE，否则返回FALSE，其处理的时间应尽量地短，对于一些需要大量操作的工作，中断服务程序会调用一个低于中断服务程序DIRQL级别的延迟调用程序，在DISPATCH_LEVEL上完成处理，这个

14、级别上限制较少，函数调用也相对比较方便。(3)应用程序与驱动程序之间的通信应用程序与驱动程序通信步骤为：应用程序首先使用CreatFile函数打开设备，然后使用WriteFile、ReadFile、DeviceIoControl与驱动程序进行通信，最后在应用程序退出前使用CloseHandle关闭设备。DeviceIoControl使用不同的IOCTL命令字来调用驱动中的不同程序，完成应用程序与驱动程序的数据交换，驱动程序根据访问方式的不同，使用不同的方式获取应用程序的输入输出缓冲区地址。驱动程序与应用程序的通信：当驱动程序获取了特定事件发生时，有时需要将这一信息通知给应用程序，主要的方法有2

15、种：一种是使用DeviceIoControl进行异步通信，另一种是在应用程序中创建一个事件，并将该句柄传给驱动程序，然后在应用层开启一个线程等待这个事件，驱动程序会在事件发生的时候设置事件信号状态来触发应用程序。实际上使用IOCTL方法只是应用程序与驱动程序共享内存的一种方法，而且是在应用程序中分配共享内存空间。共享内存另外还有2种方法4：其一是MmMapLockedPages方法，它是由驱动程序通过MmAllocateContiguousMemory函数分配内存，创建并建立描述缓冲区MDL，再使用MmMapLockedPages把内存映射到用户进程地址空间中，用户的应用程序就可以使用MmMa

16、pLockPages返回的虚拟地址直接访问系统内存，由于要在访问内存的进程上下文中完成映射，所以只适用于单层结构的驱动，同时要设定相应的保护机制，以保证驱动与应用程序的访问同步；其二是共享内存对象方法，驱动程序创建命名内存对象（section），一个或多个应用程序使用OpenFileMapping打开以上的对象，然后调用MapViewOfFile函数得到指向它的指针；相对应的应用程序可以使用CreateFileMapping在用户模式下创建命名内存对象，驱动程序通过ZwOpenSection函数，并调用ZwMapViewOfSection得到其指针来打开内存对象，应当使用异常处理程序在核心模式

17、中访问该地址。在实际应用中，我们使用IOCTL方法的METHOUD_OUT_DIRECT和METHOUD_IN_DIRECT方式完成大块数据的加载与读取。MmMapLockedPages方法使用时相对复杂一些，我们在驱动中开辟了一块非分页内存，用来存放从信号处理板上获取的板卡工作状态信息和目标轨迹信息，由驱动程序实时更新，应用程序可以通过驱动返回的虚拟地址在需要的时候访问这块共享内存。 四、结束语基于上述的硬件结构与驱动程序设计方法，已成功开发了一块较为通用的PCI接口卡，并在某型雷达模拟器的数据加载、命令控制和系统监控中得到了很好的应用，板卡工作正常，达到了预期的效果。随着科学技术的发展，已

18、经生产出更多的高性能PCI专用芯片，PCI规范也有了新的发展，PCI-X 1066规范标准将允许采用1 066 Mtransfer/s（兆次转换/秒）,对于紧凑型PCI系列网路底板（CompactPCI Serial Mesh Backplane,简称CSMB）2.20版本,新的CSMB规范标准的目标着眼于增加底板的数据传输能力，使之能达到700 Gbit/s以上，支持多路同步传输议定和隧道协定（tunneling protocol）。在目前，从速率与成本的综合考虑，PCI接口卡作为计算机与外设的传输桥梁是具有很强的实用价值和广阔的应用空间。 参考文献 1李贵山.PCI局部总线开发者指南.西安：西安电子科技大学出版社，1997.143144,146154