PCI设备Windows NT平台驱动程序设计

引言

在设计和使用PCI设备时，经常要在PC机的软件中访问和控制硬件设备，但Windows操作系统 （Windows NT、Windows2000、WindowsXP）为了保证系统的安全性、稳定性和可移植性，对应用程序访问硬件资源加以限制，这就要求设计设备驱动程 序以实现PC机的软件对PCI设备的访问。

内核（Kernel）模式的驱动程序可以应用于WINDOWS NT和WINDOWS 2000的操作系统中。它区别于WDM（Win32 Driver Model）模型，主要不支持即插即用，但对于编程的思想二者基本上一致，对于本文所述的DMA编程的方法在WDM模式的驱动程序中一样适合。

本 文通过现有最常见的AMCC公司生产的AMCC S5933 PCI 控制芯片为例说明在WINDOWS NT平台下如何编写设备驱动程序以实现DMA传输方式。本文对基本的驱动程序设计技术不作详细的说明，重点介绍PCI设备驱动程序开发的相关技术与实现方 法，以及用户接口程序的设计与实现技术。

1 NT 平台驱动程序模式及开发工具

设备驱动程序是指管理某个外围设备的一段代码，驱动程序不会独立地存在，而是操作系统的一部分。通过设备驱动程序，多个进程可以同时使用这些资源，从而可以实现多进程并行运行。在本文中，将调用设备驱动程序的PC机程序称为用户程序。

Intel 80386以上的微处理器有4个优先级别：0级、1级、2级和3级。Windows NT使用了一个简化的模型描述硬件特权级，然后这个模型映射到指定CPU上可用的特权检查机制，即内核模式和用户模式。内核模式对应于Intel系统的0 级，可以执行特权级指令，对任何I/O设备有全部的访问权，还能够访问任何虚地址和控制虚拟内存硬件。用户模式对应于Intel系统的3级环，用户程序在 该模式下运行，对硬件的访问操作受到系统的限制。

开发设备驱动采用的工具包括微软为驱动开发提供的设备驱动开发包（Device Driver Kit，DDK）。DDK开发包提供了设备开发的帮助文档，编译需要的头文件和库文件，调试工具和范例程序。基于NT DDK使用C语言编写，因此我们使用VC++6.0作为编辑与编译工具。内核调试工具选用了Numega公司的产品SoftICE。

2 PCI 设备驱动开发的特点

2.1PCI 配置空间

每个PCI设备都有自己的配置空间，用于支持即插即用，使之满足现行的系统配置结构。下面对PCI配置空间做一下简要介绍。

配 置空间是一容量为256字节并具有特定结构的地址空间。这个空间又分为头标区和设备有关区两部分。头标区的长度是64字节，每个设备都必须配置该区的寄存 器。该区中的各个字段用来唯一地识别设备。其余的192字节因设备而异。配置空间的头标区64个字节的使用情况如图1示。

为了实现即插即用，系统可根据硬件资源的使用情况，为PCI设备分配新的资源。因此编写设备驱动程序重点是获得基址寄存器（Base Address）和中断干线寄存器的内容。配置空间共有六个基址寄存器和一个中断干线寄存器，具体用法如下：

PCI Base Address 0寄存器：系统利用此寄存器为PCI接口芯片的配置寄存器分配一段PCI地址空间，通过这段地址我们可以以内存映射的形式访问PCI接口芯片的配置寄存器。
PCI Base Address 1寄存器：系统利用此寄存器为PCI接口芯片的配置寄存器分配一段PCI地址空间，通过这段地址我们可以以I/O的形式访问PCI接口芯片的配置寄存器。

PCI Base Address 2、3、4、5寄存器：系统BIOS利用这些寄存器分配PCI地址空间以支持PCI接口芯片的局部配置寄存器0、1、2、3的访问。

在所有基址寄存器中，第0位均为只读位，表示这段地址映射到存储器空间还是I/O空间，如果是“1”表示映射到I/O空间，如果是“0”则表示映射到存储器空间。

中断干线寄存器（Interrupt Line）：用于说明中断线的连接情况，这个寄存器的值与标准8259的IRQ编号（0~15）对应。

2.2 设备初始化

PCI设备驱动程序要完成识别PCI器件、寻找PCI硬件的资源和对 PCI器件中断的服务。在驱动程序初始化过程中，使用HalGetBusData（）函数完成寻找PCI设备的工作。在初始化过程中，使用器件识别号 （Device ID）和厂商识别号（Vendor ID），通过遍历总线上的所有设备，寻找到指定的PCI设备，并获取设备的总线号，器件号与功能号。通过这些配置信息，可以在系统中寻址该设备的资源配置 列表。

在此之后，驱动程序需要从配置空间获取硬件的参数。PCI设备的中断号、端口地址的范围（I/O）方式、存储器的地址与映射 方式等，都可以从硬件资源列表数据结构中获取。在Windows NT中，调用HalAssignSlotResources（）函数来获得指定设备的资源列表数据结构指针，然后通过遍历该列表中的所有资源描述符，获取 该设备的I/O端口基地址与长度，中断的中断级、中断向量与模式，存储器基地址与长度等硬件资源数据。我们设计的DMA通信采用总线主控方式进行通信，在 设备初始化时需要对DMA适配器进行初始化，使用HalGetAdapter（）获得操作系统分配的适配器对象指针。

示例代码如下：

// 遍历总线，获得指定设备的总线号，器件号与功能号

for ( busNumber = 0; busNumber < MAX_PCI_BUSES; busNumber++ )

{

for ( deviceNumber = 0;deviceNumber < PCI_MAX_DEVICES;deviceNumber++ )

    {

     slotNumber.u.bits.DeviceNumber = deviceNumber;

      for ( functionNumber = 0; functionNumber < PCI_MAX_FUNCTION; functionNumber++ )

      {

          slotNumber.u.bits.FunctionNumber = functionNumber;

          if (!HalGetBusData(PCIConfiguration,

                           busNumber,

                           slotNumber.u.AsULONG,

                           &pciData,

                           sizeof(ULONG)

                           ) )

          {

               deviceNumber = PCI_MAX_DEVICES;

                break;

          }

          if (pciData.VendorID == PCI_INVALID_VENDORID )

          {  

              continue;

          }

          if ( ( VendorId != PCI_INVALID_VENDORID ) &&

             ( pciData.VendorID != VendorId || pciData.DeviceID != DeviceId ))

          {

               continue;

          }

         pPciDeviceLocation->BusNumber = busNumber;

          pPciDeviceLocation->SlotNumber = slotNumber;

          pPciDeviceLocation = &PciDeviceList->List[++count];

          status = STATUS_SUCCESS;

     }  

}  

}  

    // 获取设备的资源列表数据指针

    status = HalAssignSlotResources(RegistryPath,

                                    &pDevExt->ClassUnicodeString,

                                    DriverObject,

                                    DeviceObject,

                                     pDevExt->InterfaceType,

                                    pDevExt->BusNumber,

                                    pDevExt->SlotNumber,

                                    &pCmResourceList

                                    );

  

2.3 I/O 端口访问

在PC 机上，I/O寻址方式与内存寻址方式不同，所以处理方法也不同。I/O空间是一个64K字节的寻址空间，I/O寻址没有实模式与保护模式之分，在各种模式 下寻址方式相同。在Windows NT下，系统不允许处于Ring3级的用户程序和用户模式驱动程序直接使用I/O指令，对I/O端口进行访问，任何对I/O的操作都需要借助内核模式驱动 来完成。在访问I/O端口时，使用READ_PORT_XXX与WRITE_PORT_XXX函数来进行读写。I/O端口基地址使用从配置空间基址寄存器 PCI Base Address 1中返回的I/O端口基地址。

示例代码如下：

RegValue = READ_PORT_ULONG(pBaseAddr+RegOffSet);

WRITE_PORT_ULONG(pBaseAddr+ RegOffset, RegValue);

2.4 设备内存访问

Winsows 工作在32位保护模式下，保护模式与实模式的根本区别在于CPU寻址方式上的不同，这也是Windows驱动程序设计中需要着重解决的问题。 Windows采用了分段、分页机制，使得一个程序可以很容易地在物理内存容量不一样的、配置范围差别很大的计算机上运行，编程人员使用虚拟存储器可以写 出比任何实际配置的物理存储器都大得多的程序。每个虚拟地址由16位的段选择字和32位段偏移量组成。通过分段机制，系统由虚拟地址产生线性地址。再通过 分页机制，由线性地址产生物理地址。线性地址被分割成页目录(Page Directory)、页表(Page Table)和页偏移(Offset)三个部分。当建立一个新的Win32进程时，操作系统会为它分配一块内存，并建立它自己的页目录、页表，页目录的地 址也同时放入进程的现场信息中。当计算一个地址时，系统首先从CPU控制器CR3中读出页目录所在的地址，然后根据页目录得到页表所在的地址，再根据页表 得到实际代码／数据页的页帧，最后再根据页偏移访问特定的单元。硬件设备读写的是物理内存，但应用程序读写的是虚拟地址，所以存在着将物理内存地址映射到 用户程序线性地址的问题。

从物理内存到线性地址的转换是驱动程序需要完成的工作，可以在初始化驱动程序的进行。在已经获得设备的存 储器基地址后，首先调用HalTranslateBusAddress()函数将总线相关的内存地址转换成系统的物理地址，然后调用 MmMapIoSpace()函数将系统的物理地址映射到线性地址空间。在需要访问设备内存时，调用READ_REGISTER_XXX()与 WRITE_REGISTER_XXX ()函数来进行，基地址使用前面映射后的线性地址。在设备卸载时，调用MmUnmapIoSpace()断开设备内存与线性地址空间的映射。

示例代码如下：

HalTranslateBusAddress(InterfaceType,

                      BusNumber,

                      BaseAddress->RangeStart,

                    &addressSpace,         

                      &cardAddress

                      ))

BaseAddress->MappedRangeStart = MmMapIoSpace(cardAddress,

                                             BaseAddress->RangeLength,

                                             MmCached

                                             );

……

RegValue = READ_REGISTER_ULONG(pRegister);

WRITE_REGISTER_ULONG(pRegister, pInBuf->RegValue);

……

MmUnmapIoSpace(pBaseAddress->MappedRangeStart, pBaseAddress->RangeLength );

2.5 中断处理

中 断的设置、响应与调用在驱动程序中完成。设置中断应该在设备创建时完成，使用从CmResourceTypeInterrupt描述符中提取的参数，先调 用HalGetInterruptVector()将与总线有关的中断向量参数转换为系统的中断向量，然后调用IoConnectInterrupt() 指定中断服务，注册中断服务函数ISR（Interrupt Service Routine）的函数指针。当硬件设备产生中断时，系统会自动调用ISR函数来响应中断。ISR函数运行的中断请求级较高，主要完成对硬件设备中断的清 除，不适合执行过多的代码。在传输大块数据时，需要使用延迟过程调用（Delay Process Call，DPC）机制。例如，使用PCI设备进行DMA通信时，在ISR函数中完成对指定设备中断的判断以及清除中断，在退出ISR前，调用DPC函 数；在DPC函数中，完成DMA通信的过程，并将数据返回给用户程序。

示例代码如下：

DeviceExtension->InterruptLevel = partialData->u.Interrupt.Level;

DeviceExtension->InterruptVector = partialData->u.Interrupt.Vector;

DeviceExtension->InterruptAffinity = partialData->u.Interrupt.Affinity;

if (partialData->Flags & CM_RESOURCE_INTERRUPT_LATCHED)

{

DeviceExtension->InterruptMode = Latched;

}

else

{               

DeviceExtension->InterruptMode = LevelSensitive;

}               

……

vector = HalGetInterruptVector(pDevExt->InterfaceType,

                          pDevExt->BusNumber,

                          pDevExt->InterruptLevel,

                          pDevExt->InterruptVector,

                          &irql,

                          &affinity

                         );

status = IoConnectInterrupt(&pDevExt->InterruptObject,

                      (PKSERVICE_ROUTINE)PciDmaISR,

                      DeviceObject,

                       NULL,

                      vector,

                      irql,

                      irql,

                      pDevExt->InterruptMode,

                      TRUE,

                      affinity,

                      FALSE

                       );

2.6DMA 通信过程

DMA通信在驱动程序中实现，需要多个例程才能完成一次DMA通信。

1） DriverEntry例程

构造DEVICE_DESCRIPTION结构，并调用HalGetAdapter，找到与设备关联的Adapter对象，并将返回的Adapter对象的地址和映射寄存器的数目保存在设备扩展的数据结构中。

示例代码：

   // 申请DMA的适配器对象

deviceDescription.Version = DEVICE_DESCRIPTION_VERSION;

    deviceDescription.Master = TRUE;

    deviceDescription.ScatterGather = pDevExt->ScatterGather;

    deviceDescription.DemandMode = FALSE;

    deviceDescription.AutoInitialize = FALSE;

    deviceDescription.Dma32BitAddresses = TRUE;

    deviceDescription.BusNumber = pDevExt->BusNumber;

    deviceDescription.InterfaceType = pDevExt->InterfaceType;

    deviceDescription.MaximumLength = pDevExt->MaxTransferLength;

    pDevExt->AdapterObject = HalGetAdapter(&deviceDescription,

                                         &numberOfMapRegisters

                                         );

    ……

2）Start I/O例程

该例程请求Adapter对象的拥有权，然后把其余的工作留给AdapterControl回调例程。

a)         调用KeFlushIoBuffers从CPU的Cache把数据清到物理内存，然后计算映射寄存器的数目和用户缓冲区的大小，及在第一次设备操作中传输的字节数。

b)        调用MmGetMdlVirtualAddress，从MDL中恢复用户缓冲区的虚地址，并存入设备扩展数据结构中。

c)        调用IoAllocateAdapterChannel请求Adapter对象的拥有权。如果调用成功，其余的设置工作由AdapterControl例程去做；如果失败了，则完成本次IRP包处理，开始处理下一个IRP。

3) AdapterControl例程

该例程完成初始化DMA控制器，并启动设备的工作。

a)       调用IoMapTransfer，装入Adapter对象的映射寄存器。

b)      向设备发送合适的命令开始传输操作。

c)      返回值KeepObject保留Adapter对象的拥有权。

4）中断服务（ISR）例程

在设备中断时，由系统调用。

a)       向硬件设备发出中断响应的指令。

b)      调用IoRequestDpc在驱动程序的DpcForIsr中继续处理该请求。

c)      返回TRUE，表示已经服务了本次中断。

5)DpcForIsr例程

由ISR在每个部分数据传输操作的结束时触发，完成当前IRP请求。

a) 调用IoFlushAdapterBuffers，清除Adapter对象的Cache中的任何剩余数据。

b) 调用IoFreeMapRegisters，释放所使用的映射寄存器。

c) 检查有未传完的剩余数据，如果有，则计算下次设备操作中需要传输的字节数，调用IoMapTransfer重设映射寄存器，并启动设备；如果没有剩余数据，则完成当前IRP请求，并开始下一个请求。

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