基于WinDriver的多路串行設備驅動開發

摘要：工業控制計算機中廣泛使用串行接口UART與外圍設備進行通信，同時，Windows操作系統以其友好的UI界面被廣泛采用。文中闡述了UART設備的工作原理，并利用Jungo公司的WinDriver軟件實現了Windows操作系統下一種PCI轉多路UART設備的驅動開發。

0 引言

XR17D158是在工業控制計算機中被廣泛使用的一種PCI轉8路UART接口芯片。本文首先介紹Window操作系統驅動程序和開發工具Win Driv er軟件，并通過該軟件完成XR17D158在Windows系統下驅動程序的開發。并以此為基礎，提出了一種利用WinDrive工具開發PCI總線設備驅動程序的軟件架構。

1 Windows操作系統驅動開發

Windows操作系統以其友好的用戶圖形界面和強大的功能在工業控制計算機領域廣泛使用。但是Windows對系統底層操作進行了屏蔽，限制應用程序直接訪問硬件資源，應用程序需要調用設備的驅動程序訪問硬件資源，而開發Windows環境下的驅動程序，需要對操作系統內核的運行機制有深入的了解。

美國Jungo公司的WinDriver驅動程序工具包使程序設計人員不需要掌握Windows操作系統內核的相關內容，只需要調用WinDriver提供的接口函數就可以直接訪問系統硬件資源，減輕了設計人員的開發難度。WinDriver同時支持PCI/CardBus/ISA/ISAPnP/EISA/CompactPCI和USB等多種總線結構。

WinDriver驅動程序的體系結構如圖1所示。

利用WinDriver開發驅動，可以使用內核插入模式和用戶模式。內核插入模式效率高，但編寫復雜，需要編寫者對操作系統內核和微軟提供的DDK(Device Driver Kits)都有深入的了解。用戶模式下，開發人員通過WinDriver Wizard圖形化界面的引導：首先，生成所要開發設備的.inf文件，其次，生成設備驅動程序源代碼模板。該模板由三部分組成：1)WinDriver提供給用戶的設備訪問庫函數WDC Lib;2)Win Driv er所產生的設備操作例程，用以檢查設備的硬件功能是否正常;3)用戶開發環境，包括：Visual Studio、Delphi等。

2 XR17D158工作原理

2.1 XR17D158簡介

XR17D158是EXAR公司生產的一款PCI總線UART芯片，符合PCI2，3規范。XR17D158擁有8路獨立的UART接口，每路UART接口兼容16C550的配置寄存器和64字節的發送/接收FIFO。XR17D158每路UART接口的數據傳輸速率可進行設置，最高速率可達921.6kbps。

XR17D158內部的寄存器用來實現PCI設備的配置、芯片自身的狀態監控和串行數據的接收和發送。X86體系結構下，系統上電后，BIOS將讀取XR17D158的PCI信息，根據系統的硬件架構為XR17D158分配存儲地址、端口地址和中斷號等信息。并將信息寫入PCI配置寄存器中，例如系統會將XR17D158的UART配置寄存器基地址寫入BAR0(10H)中。

2.2 XR17D158芯片配置

2.2.1 波特率設置

XR17D158的8路UART接口可以配置不同的波特率，波特率計算公式為：

式(1)中，MCR[7]代表域分頻系數，分頻系數由每路UART接口的DLM和DLL寄存器控制，對一路UART接口的波特率配置步驟如下：

(1)LCR[7]置1，使能DLM、DLL寄存器;

(2)EFR[4]置1，使能MCR[7：5];

(3)設置MCR[7]，MCR[7]=0，預分頻系數為1，MCR[7]=1，預分頻系數為4;

(4)設定分頻系數，根據所要設定的波特率，利用式(1)計算分頻系數，并將分頻系數寫入DLM、DLL寄存器中;

(5)EFR[4]清0，鎖存MCR[7]。

2.2.2 UART接口數據接收

UART接口的數據接收部分由接收移位寄存器(RSR)和接收保持寄存器(RHR)組成，RSR檢測接收到的每一位數據的有效性，當檢測到停止位時，表明一個字符接收完畢，RSR將數據裝入RHR中。數據準備好中斷(ISR[2]=1)會在數據裝入RHR，或者在接收FIFO使能并且接收數據達到設定的FIFO觸發條件時產生。處理器可以利用查詢方式和中斷方式讀取XR17D158接收FIFO的數據。兩種方式實現的步驟為：

(1)查詢方式：1)設置UART通道的波特率;2)中斷使能寄存器[IER]清0，禁止所有中斷;3)讀取線路狀態寄存器(LSR);4)如果LSR[0]=0，表示RHR或者接收FIFO中沒有數據，等待一定時間后，重復第3)步;5)如果LSR[0]=1，表示RHR或者接收FIFO中已經保存有接收到的數據，此時讀取RHR中的數據，并重復第3)步。

(2)中斷方式：1)設置UART通道的波特率;2)IER[0]置1，使能RHR中斷;3)當PCI總線上產生中斷時，讀取INT0寄存器，確定產生中斷的通道號;4)讀取INT1、INT2、INT3寄存器，確定產生中斷的UART接口序號和中斷源;5)讀取RHR中的數據。

2.2.3 UART通道數據發送

發送數據過程，有效數據由主機寫入UART接口中的發送FIFO寄存器，當發送保持寄存器(THR)清空標志位ISR[1]=1，表示發送FIFO中的數據減少到滿足設定的觸發中斷條件而引起中斷，在輸出移位寄存器(TSR)中，由發送控制邏輯在待發送數據加上起始位、奇偶校驗位和終止位，并按設定的時鐘頻率逐位移出數據。

3 開發實例

使用WinDriver用戶模式開發的驅動程序，實則是為上層的應用程序提供一組訪問設備的接口函數，實現應用程序對設備的初始化、讀操作、寫操作和設置等。

XR17D158的驅動程包含：UART接口打開函數XR17D158_Open()、UART接口讀函數XR17D158_Read()、UART寫函數XR17D158 Write()和UART接口關閉函數XR17D158 Close()。為了提高驅動效率，可以在內存中分別開辟一個接收緩沖區和一個發送緩沖區，XR17D158 Read()和XR17 D158 Write()不直接訪問硬件設備，而是通過對內存緩_區的讀寫，實現對XR17D158的讀操作和寫操作。本文提出的驅動程序架構如圖2所示。

圖2中，XR17D158 Open()中注冊的中斷服務程序XR17D158 Handle()完成XR17158的數據接收與發送;XR17D158 Read()和XR17D158 Write()為應用層提供讀/寫接口，通過內存緩_區接收XR17D158_Handle()的數據或向XR17D158_Handle()發送數據。

XR17D158_Open()使用WDC_PciReadCfg()和WDC_PciWriteCfg()實現對XR17D158PCI配置空間的訪問，使用WDC_ReadAddr8()和WDC_Write Addr80實現對XR17D158中設備配置寄存器和UART配置寄存器的操作，如UART接口波特率的配置：

UAR了接口數據的讀取可以使用查詢方式或者接口方式，但是查詢方式要求處理器周期地對XR17D158的狀態進行檢測，處理器的效率較低。因此本文使用中斷的方式完成UART接口數據的接收和發送。中斷服務程序XR17D158 Handle()的工作過程過程如下：

XR17D158_Handle()實現UART接口和內存緩沖區之間的數據交換，從內存緩沖區中讀取XR17D158_Write()寫入的數據實現數據的發送，向內存緩沖區中寫入UART接口接收的數據，再由XR17D158_Read()讀取實現數據的接收。在XR17D158_Open()使用WDC_XR17D158_IntEnable()注冊XR17D158_Handle()。

4 結果驗證

使用外部設備向XR17D158子卡發送RS232數據，發送數據波特率為9600 bps，發送周期為1 Hz，通過示波器觀察XR17D158的接收數據波形。

圖3(a)為XR17D158接收到RS232數據的波形，圖3(b)為XR17D158所產生的中斷信號波形，中斷信號為低電平時，驅動程序處理XR17D158所接收到的數據。試驗中，RS232數據為周期發送，每幀數據為90字節，圖3中可以看出驅動程序處理每幀數據的時間約為0.1ms，如果8路UART接口同時接收數據，且波特率為921.6kbps，此時驅動程序處理數據的時間約為100ms，不會出現丟數現象。

5 結束語

文中簡單地介紹了WinDriver軟件工具的特點和驅動產生的過程，并針對一種PCI轉UART設備XR17D158，提出了使用WinDriver開發PCI設備驅動的軟件架構。此時Windows驅動設備的開發更像是Windows應用程序的開發，僅在一個驅動函數中使用WinDriVer提供的接口函數，而無需觸及Windows內核。此外該驅動架構不僅適用于XR17D158設備，還可應用于其它PCⅡ設備，如PCI9056等。