基于PCI總線的實時測頻卡WDM驅(qū)動程序設計方案

PCI總線是一種與CPU無關的32／64位地址數(shù)據(jù)復用總線，工作頻率為33 MHz／66 MHz，它支持突發(fā)傳輸，具有即插即用、電源管理等功能。PCI總線以其優(yōu)良性能和可適應性成為現(xiàn)代微機的主流總線。在開發(fā)PCI設備的過程中，需要為PCI設備寫驅(qū)動程序。Windows驅(qū)動程序模型(WDM)是Microsoft公司力推的全新驅(qū)動程序模式，它支持PhP、電源管理和WMI等技術。在Windows操作平臺上，WDM已成為主流的驅(qū)動模型。這里主要介紹根據(jù)工程背景開發(fā)的基于PCI總線的實時測頻卡的WDM驅(qū)動程序設計。

1實時測頻卡硬件系統(tǒng)結(jié)構

實時測頻卡的主要功能是實時測定信號頻率，實時識別信號調(diào)制方式。系統(tǒng)的電路框圖如圖1所示。外部待測信號通過SMA接口進入實時測頻卡的ADC。ADC輸出的數(shù)字信號在FPGA中緩存后進入DSP。在DSP內(nèi)對信號進行粗估，然后通過EMIF接口把轉(zhuǎn)化為頻率和相位控制字的粗估結(jié)果發(fā)給DDC。DDC做出調(diào)整后，通過FPGA把移頻和降采樣后的信號輸入給DSP。 DSP依據(jù)粗估結(jié)果和DDC的數(shù)據(jù)進行實時測頻。測頻完畢后，通過PCI總線向PC機發(fā)出中斷信號。PC機響應中斷，讀取DSP內(nèi)指定位置內(nèi)存處的測頻數(shù)據(jù)。為簡化PCI接口電路設計，選用帶有PCI接口電路的DSP芯片TMS320C6416。



2 TMS320C6416的PCI接口介紹

實時測頻卡通過TMS320C6416的PCI接口和主機進行通信。該接口符合PCI 2.2規(guī)范，能提供33 MHz總線時鐘，32 b數(shù)據(jù)寬度，可達到峰值132 MB／s的數(shù)據(jù)帶寬。PCI接口包括配置寄存器、I／O寄存器和存儲器映射寄存器。圖2給出了部分PCI配置寄存器。配置寄存器的主要功能如下：

(1)設備的識別、控制和狀態(tài)指示。將供應商ID域、設備ID域、版本域、配置頭類型域、分類代碼域這五個域用于識別設備。所有的PCI設備必須設置這些域，配置軟件可利用它們來確定系統(tǒng)中可用的PCI總線設備。對于TMS320C6416芯片而言，供應商ID為104CH；設備ID為A106H；其他三個域隨不同的應用會有所改變。命令寄存器為發(fā)出和響應PCI總線命令提供粗略的控制。狀態(tài)寄存器用于記錄PCI總線有關操作的狀態(tài)信息。

(2)中斷引腳寄存器的功能。01H～04H值對應于PCI中斷請求引腳INTA#～INTD#。

(3)基地址寄存器的功能。其功能是為PCI設備指定存儲空間。PCI存儲空間分為獨立尋址的Memory空間和I／O空間兩類。Memory空間適用于設備功能寄存器較多或數(shù)據(jù)流量較大的場合，I／O空間適用于設備功能寄存器較少或數(shù)據(jù)流量較小的場合。PCI接口擁有3個基地址寄存器BAR用于保存指向PCI存儲空間的指針。圖2為部分PCI配置寄存器。



①Base 0基地址寄存器(BAR0)。確定一個4 MB可預取的PC機內(nèi)存地址空間。將DSP存儲空間中不同的4 MB空間都映射到PC機內(nèi)存相同的4 MB空間中。由DSP頁寄存器(DSPP)設置該區(qū)域在。DSP存儲空間中的映射位置；用BAR0訪問DSP內(nèi)部的RAM和外掛的通過EMIFA和EMIFB訪問的存儲器空間。訪問時每次最多只能讀取DSP存儲空間的4 MB內(nèi)容，并且需要定義DSPP寄存器，以指定訪問空間的起始地址。訪問支持數(shù)據(jù)突發(fā)傳輸模式。這種映射方式只適用于DSP處于從模式。

②Base 1基地址寄存器(BAR1)：確定一個8 MB不可預取的訪問區(qū)間。對DSP芯片而言，其訪問地址固定在0180000H～0200000H的范圍內(nèi)。用BARl來訪問DSP內(nèi)部所有的操作命令控制寄存器。

③Base 2基地址寄存器(BAR2)：定義一個16 B的PC機I／O空間，用于訪問PCI的I／O寄存器。BAR2加偏移00H，訪問主機狀態(tài)寄存器HSR；BAR2加偏移04H，訪問主機對DSP控制寄存器HDCR；BAR2加偏移08H，訪問DSP頁寄存器DSPP。

3 WDM概述

WDM(Windows Driver Model)是一種遵循即插即用協(xié)議的內(nèi)核模式驅(qū)動程序，它是微軟的全新驅(qū)動程序模式，旨在通過提供一種靈活的方式來簡化驅(qū)動程序的開發(fā)，在實現(xiàn)對新硬件支持的基礎上，減少并降低必須開發(fā)的驅(qū)動程序數(shù)量和復雜性。在WDM中，采用圖3所示的分層驅(qū)動程序體系結(jié)構。



在WDM模型中，每個硬件設備至少有兩個驅(qū)動程序：總線驅(qū)動程序和功能驅(qū)動程序。總線驅(qū)動程序由操作系統(tǒng)實現(xiàn)，它在最底層直接與設備打交道，負責管理硬件與計算機的連接；負責發(fā)現(xiàn)總線上所有的設備，并檢測設備何時添加到總線上或何時從總線上刪除。設備功能驅(qū)動程序在上層通過與低層驅(qū)動程序打交道，進行硬件操作，以實現(xiàn)PCI設備的功能。中間還可以有類過濾驅(qū)動程序或設備過濾驅(qū)動程序用于修改和監(jiān)視IRP(I／O請求包)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的過濾或轉(zhuǎn)換。一般在特殊的情況下才需要編寫。在實際開發(fā)中，只需要開發(fā)一個設備功能驅(qū)動程序即可。

WDM還引入了功能設備對象(Functional DeviceObject，F(xiàn)DO)與物理設備對象(Physical Device Object，PDO)來描述硬件。一個PDO對應一個真實的硬件，一個硬件只允許有一個PDO，卻可以有多個FDO。在驅(qū)動程序中直接操作的不是硬件而是相應的PDO與FDO。當應用程序與WDM驅(qū)動程序進行通信時，系統(tǒng)為每一個用戶請求打包，形成一個I／O請求包(IRP)結(jié)構，將其發(fā)送到驅(qū)動程序，并通過識別IRP中的PDO來區(qū)別是發(fā)送給哪一個設備。IRP從驅(qū)動程序堆棧棧頂進入，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，最底層的驅(qū)動程序在收到IRP后，通過硬件抽象層HAL與硬件發(fā)生作用，從而完成I／O請求工作。內(nèi)核通常通過發(fā)送IRP來運行驅(qū)動程序中的代碼。