PCI 设备中在WINDOWS下编写DMA的方法

    对于在PCI总线上进行高速数据传输，通常采用直接数据存储（DMA）技术。在DMA方式下数据能够达到PCI总线规范的最大数据传输速率，所以在设备驱动程序的开发过程中，实现DMA的工作方式成为驱动程序的设计的重点。而对于DMA工作方式的设备驱动程序的开发又是设备驱动程序的难点，并且国内介绍这类的书籍又相对很少，给设计者带来很大困难。
    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，重点介绍基于包的总线主控DMA方式的原理和对常见驱动程序例程的要求。并介绍这种模式下驱动程序的实现方法。文章从几个不同的方面进行全面的阐述。

1、AMCC S59333控制芯片PCI主控DMA功能概述
AMCC S5933控制芯片，它具有实现完整的PCI主控模块和目标模块的接口功能。将复杂的PCI总线接口转换为相对简单的用户接口，用户只需要设计转换后的总线接口即可
AMCC S5933有两个FIFO(先入先出)存储器，一个是PCI到ADD-ON（附加设备）的FIFO，另一个是从ADD-ON到PCI的FIFO。S5933通过它的FIFO接口在PCI总线上进行DMA传输（总线主控）。FIFO可以作为PCI的发起者也可以作为目标者。FIFO作为目标，PCI总线主控访问ADD-ON数据。FIFO作为发起者可以向PCI发送数据。
      PCI发起的DMA传输：此时FIFO作为目标。PCI发起的DMA传输必须通过总线主控控制状态寄存器（MCSR）来使能,读写使能分别控制，在驱动程序适配器控制（AdapterControl）例程设定这个寄存器。另外在驱动程序的设计中必须设定AMCC S5933读写地址寄存器（MWAR/MRAR）以及读写传输数据计数器（MWTC/MRTC）的值。AMCC S5933的DMA中断有下列几种情况：读传输计数器计到 0，写传输计数到0，或在DMA传输过程中PCI总线上发生错误。

2、 内核式驱动程序的基本结构和编程技术
    驱动程序与应用程序的最大差别之一是驱动程序的控制结构，应用程序一直用main或WinMain函数控制运行。而驱动程序没有main或WinMain函数。它是由I/O（输入输出）管理器在下列情况下调用一个程序例程：
1） 驱动程序被装入时。
2） 驱动程序被卸出或系统被关闭时。
3） 用户程序发出I/O系统服务调用时。
4） 共享硬件资源对驱动程序可用时。
5） 设备操作过程中的任何时候。
任何设备驱动程序都必须拥有一个DriverEntry例程为每个驱动程序的入口点。下面简要说明驱动程序的分类。
1）驱动程序初始化和清理例程：在任何时候开始处理I/O请求之前，它必须执行一些初始化任务。DriverEntry例程、Reinitialize例程、Unload例程、Shutdown例程和错误回调例程一般用来执行这些操作。
2) I/O系统服务Dispatch（分发）例程：I/O管理器得到一个请求时，它使用请求的函数代码调用驱动程序中几个Dispatch例程中的一个。
3）数据传输例程：根据设备的不同设备操作涉及到一些不同的例程，一般有Start I/O例程、中断服务（ISR）例程、延迟过程调用（DPC）例程
4）资源同步回调：I/O管理器提供使用各种同步回调例程，使驱动程序更容易处理这些问题。当驱动程序需要访问某个共享资源时，它为该资源排队一个请求。当资源变得可用时，I/O管理器激活与该请求关联的一个驱动程序例程。驱动程序可以调用3种同步回调例程：ControllerControl回调例程、AdapterControl例程、SynchCritSection例程。
5）其他的驱动例程：驱动程序可以包括下面的一些例程。Timer例程，在设备操作过程中跟踪时间的例程。Cancel I/O很长时间持有等待请求的任何驱动程序必须把一个Cancel I/O例程挂到该请求。如果请求被取消，I/O管理器调用Cancel I/O例程执行必要的清理操作。

3 基于包的总线控制器DMA方式对DriverEntry例程的要求
为了使设备能在WINDOWS NT操作系统下工作，我们必须编写设备驱动程序，在驱动程序中实现DMA的传输功能。我们采用基于包的总线控制器DMA方式进行数据传输。在这种工作模式下设计DriverEntry例程需要除了DriverEntry拥有通常的工作以外，DriverEntry例程还需要有下列额外的工作：
1) 找到设备使用的DMA通道，这可以来自注册表（Registry）中的自动检测硬件信息，或者是硬件驱动程序的服务键Parameters子键中的硬编码。
2) DriverEntry例程使用他的硬件信息构造DEVICE_DECRIPTION结构，并调用HalGetAdapter,找到与设备关联的Adapter对象。
3) 保存由HalGetAdapter返回的Adapter对象的地址和映射寄存器的数目，以便在以后使用，通常把这些值放在Device Extension中。
4) 设置所创建的任何Device对象的Flags域中的DO_DIRECT_IO位。引起I/O管理器锁定内存中的用户缓冲区，并为它们创建内存描述符（MDL）。下面部分代码为设备驱动程序DriverEntry例程的子程序，主要创建DMA对象的设备描述（DeviceDescription）。
NTSTATUS1
AmccCreateDevice (
IN PDRIVER_OBJECT DriverObject,
IN ULONG DeviceNumber,
IN AMCC_PCI_Device_Info* device,
IN PUNICODE_STRING RegistryPath
){ ••• •••
// Create a Device object for this device...
status = IoCreateDevice(DriverObject, sizeof( AMCC_DEVICE_EXTENSION ),
&deviceName, FILE_DEVICE_UNKNOWN,0,FALSE, &pDeviceObject );
if( !NT_SUCCESS( status )) {
return status;
} // end if
••• •••
// Now register the PCI DMA controller with NT
// First create a Device Description for the Busmastering capability
DeviceDescription=ExAllocatePool(PagedPool, sizeof(DEVICE_DESCRIPTION));
RtlZeroMemory(DeviceDescription,sizeof(DEVICE_DESCRIPTION));
// the description for DMA
DeviceDescription->Version=DEVICE_DESCRIPTION_VERSION;
DeviceDescription->Master=TRUE;//bus master mode
DeviceDescription->ScatterGather=TRUE;// for scatterGather mode
DeviceDescription->Dma32BitAddresses=TRUE;// 32-bit address bus transfer
DeviceDescription->IgnoreCount=FALSE;
DeviceDescription->BusNumber=device->bus_number;//get bus number
DeviceDescription->InterfaceType=PCIBus;// transfer in pci_bus
DeviceDescription->DmaWidth=Width32Bits;// 32-bit data
DeviceDescription->MaximumLength= MAX_TRANSFER_SIZE; //the max transfer 2^26
// Now pass this description to NT for both the read and the write adapters
pDeviceExt->ReadTransfer.NumberOfMapRegisters=160000;//map's register
pDeviceExt->ReadTransfer.Adapter=HalGetAdapter(DeviceDescription, &pDeviceExt->ReadTransfer.NumberOfMapRegisters);
pDeviceExt->WriteTransfer.NumberOfMapRegisters=160000;
pDeviceExt->WriteTransfer.Adapter=HalGetAdapter(DeviceDescription, &pDeviceExt->WriteTransfer.NumberOfMapRegisters);
ExFreePool(DeviceDescription);
if(pDeviceExt->WriteTransfer.Adapter==NULL||pDeviceExt->ReadTransfer.Adapter==NULL) { IoDeleteSymbolicLink( &linkName );
IoDeleteDevice( pDeviceObject );
return STATUS_ADAPTER_HARDWARE_ERROR;
}
return status;
}//end amccCreateDevice

4 基于包的总线控制器DMA方式对AdapterControl例程的要求
为了实现DMA的传输，这里不采用ReadFile和WriteFile来实现，而采用在分发例程中通过IOCTL的宏定义来实现DMA的读、写功能。当传输一个（I/O请求包）IRP的请求包到达驱动程序时，分发例程首先判断IRP堆中的控制代码的信息是否为DMA读和写的功能，如果为DMA的读写功能，判断在IRP堆中的输出缓存为零或Irp->MdlAddress中描述缓冲区的MDL的指针为空，返回错误的状态信息。否则驱动程序进入StartIo例程，在StartIo例程中判断是DMA的读还是写的方式。在这两种方式下，分别通过IoAllocateAdapterChannel传递到驱动程序的AdapterControl例程的MapRegisterBase句柄。
AdapterControl例程应做以下一些工作：
1）调用MmGetMdlVirtualAddress,调用它以得到进入MDL的索引，被要求作为MapTransfer的一个参数，MapTransfer调用它使得返还到IRP的缓冲区的系统物理内存变得可以访问。
2）调用MmGetMdlByteCount得到MDL请求传输数据的字节数，在DpcForIsr例程中利用这个参数与当前传输的字节相减得到当前传输的信息。
3） 保存DEVICE_EXTENSION中关于MDL的信息，保存必要的上下文信息
4） 调用IoMapTransfer以映射IRP缓冲区的系统物理地址范围到总线控制器适配器的逻辑地址，驱动程序能为传输操作创建适配器。
5） 启动设备，开始DMA传输。
6） 返回DeallocateObjectKeepRegister,当每个DMA传输操作被完成时，另一个驱动程序例程（如DpcForIsr）必须调用 FlushAdaperBuffer清仓Adapter对象的Cache中的任何剩余的数据。
通过对DEVICE_EXTENSION中PCI基地址信息和AMCC S5933中寄存器相应的偏移地址设置寄存器的值。它所包含的信息有：中断的设置，FIFO管理表、控制状态寄存器（MCSR）的设置、清写传输计数器（MWTC）和读传输计数器（MRTC）。当通过IoMapTransfer成功获取映射的物理地址，设置MWTC或MRTC，以及相应的映射的物理地址的起始地址，这样将成功启动DMA的传输。驱动程序运行Isr例程，
Isr执行在高于DISPATCH_LEVEL的IRQL上。因此ISR中使用的所有代码和数据必须存在于非分页内存中，此外，ISR能调用的内核模式函数十分有限。
因为ISR执行在提升的IRQL上，所以它冻结了其CPU上所有低于或等于该IRQL的其它活动。为了提高系统性能，你的ISR应该尽可能快地执行。基本上，只做服务硬件所需的最小量的工作，然后立即返回。如果有额外的工作需要做(例如完成一个IRP)，应该交给DPC来完成。
尽管ISR的代码应该尽可能地短，但你不要把这个想法运用到极端。例如，如果某设备的中断是表明它已经为接收下一个字节而准备就绪，你就应该在ISR中直接发出这个字节。为了传输一个字节而调用DPC是愚蠢的。在DMA传输时必须调用DPC例程。读者可以阅读参考文献1第225页有关的例程。

5 驱动程序以及I/O管理器的后处理
内核的DPC分发器最终调用DPC例程,执行驱动程序的后处理。在DMA的操作中，有更多的数据需要传输，它设置DMA硬件传输下一块数据，启动设备。如果有错误或超时，在系统的日志中看到它。释放驱动程序占用的任何DMA和控制资源，把传输的大小和最后的信息放进IRP中，最后告诉I/O管理器完成当前的请求。
一旦驱动程序的DPC例程释放了一个IRP，I/O执行各种设备无关的清理工作：在缓冲I/O操作时，释放在传输过程中使用的非分页池缓冲区;在直接I/O操作中，它解开用户缓冲区的页的锁。

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