田 娜，錢光弟，李 力

（電子科技大學(xué)自動化工程學(xué)院，四川 成都 611731）

0 引 言

自動測試系統(tǒng)中，因同一個(gè)系統(tǒng)的不同板卡有不同的PID和VID，所以設(shè)備驅(qū)動通常使用PID和VID來識別設(shè)備。但這種方法會導(dǎo)致硬件使用過程復(fù)雜化，同時(shí)也不利于硬件升級。該文提出了一種通過對板卡的位置信息來識別同類硬件設(shè)備的識別技術(shù)。同類設(shè)備具有相同的PID和VID，可以在設(shè)備管理器中查詢硬件的位置信息（如總線號、功能號和設(shè)備號等）。通過這3個(gè)位置信息可以區(qū)分同類板卡，這種方法利于硬件的升級和簡化了板卡使用的過程。以PCI板卡為例說明硬件在PC機(jī)的加載識別過程，介紹軟件識別的概念及驅(qū)動和應(yīng)用程序的編寫。

1 PCI板卡加載過程

以PCI板卡設(shè)備為例，對硬件在PC機(jī)的加載識別過程加以說明。PCI板卡設(shè)備插入機(jī)箱后，CPU在系統(tǒng)初始化階段（POST）為各個(gè)PCI設(shè)備進(jìn)行資源分配。資源分配完畢后，PCI設(shè)備的驅(qū)動程序根據(jù)PCI Vendor Id和 Device Id以及 Revison Id進(jìn)行PCI總線搜索，查看是否存在符合本驅(qū)動的設(shè)備。找到設(shè)備后，驅(qū)動程序根據(jù)板卡的硬件設(shè)計(jì)情況，進(jìn)行相應(yīng)的寄存器初始化和中斷掛載工作。

因?yàn)镻CI總線的資源分配是在POST過程中動態(tài)分配的，所以根據(jù)系統(tǒng)配置不同，各板卡所分配的資源也不相同（即所謂PnP-即插即用）。

PCI總線搜索通常是按深度優(yōu)先的順序進(jìn)行搜索。如果有同種型號的PCI設(shè)備存在于PCI總線上，設(shè)備驅(qū)動應(yīng)依次對板卡設(shè)備進(jìn)行初始化。而當(dāng)多個(gè)板卡實(shí)例采用同一驅(qū)動時(shí)，驅(qū)動程序?qū)Ω鱾€(gè)板卡的區(qū)分僅僅是對其總線位置信息的區(qū)分。通過驅(qū)動程序可以獲取以下信息：（1）驅(qū)動程序可以驅(qū)動的PCI設(shè)備數(shù)量（在總線上找Id符合的PCI設(shè)備數(shù)量）；（2）PCI設(shè)備占用的系統(tǒng)資源（包括IO，MEM地址，IRQ及這些設(shè)備所在的總線位置信息－PCI總線x，Device y，F(xiàn)unction z）。由此可見，雖然系統(tǒng)資源分配不固定，但是PCI設(shè)備位置固定。該文所述驅(qū)動通過PCI板卡的位置信息來訪問同類板卡設(shè)備。

2 識別

識別就是獲得硬件的設(shè)備句柄。設(shè)備句柄是用于標(biāo)識設(shè)備的一個(gè)標(biāo)識符，是在Windows操作系統(tǒng)中用來標(biāo)識被應(yīng)用程序所建立或使用的硬件對象的唯一整數(shù)。

應(yīng)用程序通過調(diào)用一個(gè)API函數(shù)CreateFile來獲得一個(gè)設(shè)備句柄，之后其他的函數(shù)就可以使用該設(shè)備句柄來訪問設(shè)備。

由于同一個(gè)PC機(jī)每個(gè)硬件的句柄不同，在Windows操作系統(tǒng)中，用戶需要獲得硬件設(shè)備的句柄，才能調(diào)用驅(qū)動程序。驅(qū)動程序是一個(gè)獨(dú)立的黑盒，在操作系統(tǒng)中扮演著特殊的角色，它是應(yīng)用程序和硬件之間通信的橋梁。

3 WDM驅(qū)動模型

該驅(qū)動基于微軟提出全新的WDM驅(qū)動模型開發(fā)，支持即插即用、電源管理和WMI驅(qū)動。WDM驅(qū)動主要例程如圖1所示。

圖1 WDM主要例程

WDM驅(qū)動程序就是一些例程的集合體，它們被動地存在，等待主機(jī)系統(tǒng)軟件來調(diào)用或激活。不同的驅(qū)動程序完成的功能不同，其所包含的例程也不同，下面介紹WDM驅(qū)動程序中常用的6個(gè)例程[1]：

（1）入口例程。內(nèi)核模式驅(qū)動程序入口點(diǎn)，I/O管理程序在驅(qū)動程序首次裝入時(shí)調(diào)用該例程。入口例程執(zhí)行所有的第1次初始化任務(wù)。

（2）即插即用例程。處理PnP設(shè)備的添加、刪除和停止，它將自動在系統(tǒng)中找到一個(gè)未被占用或沒有沖突的中斷地址分配給新添加的硬件設(shè)備，而不需要人工干預(yù)。

（3）AddDevice例程。對于參與即插即用的WDM驅(qū)動程序來講，完成硬件分配。

（4）分發(fā)例程。處理用戶應(yīng)用程序發(fā)出的各種I/O請求，分發(fā)例程處理IRP，或者通過判斷IRP來調(diào)用相應(yīng)的例程。

（5）電源管理例程。處理電源管理請求。

（6）Unload卸載例程。處理驅(qū)動程序的卸載。

4 多卡識別驅(qū)動編寫

4.1 AddDevice例程

在WDM的驅(qū)動中，每個(gè)硬件板卡對應(yīng)一個(gè)設(shè)備實(shí)例，PnP管理器為每個(gè)設(shè)備實(shí)例調(diào)用AddDevice例程，并創(chuàng)建一個(gè)設(shè)備對象把它連接到以Pdo為（物理設(shè)備）底的設(shè)備堆棧中[2]。

AddDevice例程有一個(gè)輸入?yún)?shù)Pdo，是由底層驅(qū)動創(chuàng)建的的物理設(shè)備對象。在這個(gè)例程中調(diào)用DDK函數(shù)IoGetDeviceProperty，通過改變此函數(shù)的第2個(gè)參數(shù)，即可返回設(shè)備的總線號、設(shè)備號和功能號。典型代碼如下：

將得到的板卡設(shè)備、功能號，保存在m_ulUINumber變量中，其中高16位是設(shè)備號，低16位是功能號。將 IoGetDeviceProperty（Pdo，

得到板卡的總線號，保存在m_ulUINumber變量中。把讀回來的設(shè)備號、功能號和總線號放在全局變量中，以便以后識別使用。

4.2 分發(fā)例程

分發(fā)例程主要指“打開”、“創(chuàng)建”、“讀”、“寫”、“IOCTL”、“關(guān)閉”等處理程序，它可以執(zhí)行對IRP的初始化，并檢查參數(shù)的合法性。模塊中內(nèi)核模式驅(qū)動程序需要處理的IRP主要有寫例程向硬件發(fā)送命令、讀例程讀取硬件寄存器、IOCTL例程用作多卡識別。

在驅(qū)動層創(chuàng)建一個(gè)控制碼為READ_SLOT的IOCTL例程，專門用于傳遞板卡的位置信息。驅(qū)動層通過應(yīng)用層發(fā)下來的控制碼來識別上層需要進(jìn)行的操作。在控制碼為READ_SLOT的IOCTL例程中，把AddDevice讀取的放在全局變量中的板卡總線號、設(shè)備號和功能號，通過METHOD_BUFFERED的方式傳給應(yīng)用層。

5 多卡識別應(yīng)用層編寫

5.1 驅(qū)動層與應(yīng)用層的接口

用戶模式驅(qū)動程序通過Win32應(yīng)用程序與內(nèi)核進(jìn)行通信，為保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)和方便程序的升級與維護(hù)，用戶模式驅(qū)動程序通常用“DLL”的方式實(shí)現(xiàn)。由于運(yùn)行在用戶態(tài)，它和內(nèi)核模式驅(qū)動程序的通信過程實(shí)質(zhì)上是應(yīng)用程序和WDM驅(qū)動程序的通信過程[3]。

在Windows系統(tǒng)中，應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)與WDM驅(qū)動程序的通信過程如下：首先應(yīng)用程序用CreateFile函數(shù)打開設(shè)備，然后調(diào)用ReadFile從驅(qū)動程序中讀數(shù)據(jù)或用WriteFile寫數(shù)據(jù)給驅(qū)動程序，也可以用DeviceIoControl和驅(qū)動程序進(jìn)行通信。當(dāng)應(yīng)用程序退出時(shí)，調(diào)用CloseHandle關(guān)閉設(shè)備[4]。這將產(chǎn)生對應(yīng)于此設(shè)備對象相應(yīng)的IRP，見表1所示。

表1 Win32函數(shù)與IRP的對應(yīng)關(guān)系

5.2 多卡設(shè)備句柄的獲得

Win32API對設(shè)備進(jìn)行“打開”和“關(guān)閉”操作，在其打開設(shè)備時(shí)，必須先獲得設(shè)備句柄。

在Windows系統(tǒng)中，使用對象管理器集中管理系統(tǒng)中大量的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括驅(qū)動程序?qū)ο蠛驮O(shè)備對象。因?qū)ο蟮拿Q不同，為了便于區(qū)別對象，對象管理器通過一個(gè)層次化的命名空間來管理這些對象名稱。通常設(shè)備對象都把自己的名字放到Device目錄中。在DriverWorks工程創(chuàng)建時(shí)可以指定應(yīng)用程序打開設(shè)備的方式為GUID接口或符號鏈接名，獲得設(shè)備句柄。

5.2.1 GUID接口

這是微軟在設(shè)計(jì)WDM框架時(shí)引入的一個(gè)新的命名方案，該方案與任何自然語言無關(guān)，且易于擴(kuò)展和歸檔。一個(gè)設(shè)備接口由唯一的128位的GUID標(biāo)識。由于采用了獨(dú)特的生成算法，永遠(yuǎn)也不用擔(dān)心重復(fù)出現(xiàn)GUID的情況，這樣一個(gè)GUID就唯一標(biāo)識了一種設(shè)備接口。但這種操作方式增加了代碼量，同時(shí)操作比較復(fù)雜，不易采用這種方式[5]。

5.2.2 符號鏈接

應(yīng)用程序要訪問該設(shè)備必須事先知道它的名字，否則不能訪問。這在測試用的設(shè)備或私有設(shè)備上是可以的。這種方式操作簡單，只適合特定的平臺[6]。

用連接名在應(yīng)用層用CreateFile打開設(shè)備時(shí)，每個(gè)連接名的后綴從零開始表示打開某類設(shè)備的第幾個(gè)實(shí)例，一個(gè)實(shí)例代表一個(gè)板卡。例如，板卡的符號連接為xxxDevice，第1個(gè)實(shí)例叫xxxDevice0，第2個(gè)實(shí)例叫xxxDevice1，以此類推，典型代碼如下：

第0個(gè)例程后綴為0：

hDevice是返回的硬件設(shè)備句柄。柄之后通過句參數(shù)hDevice調(diào)用控制碼為READ_SLOT的IOCTL例程，獲得硬件位置信息，主要代碼如下：

圖2 獲取句柄流程圖

把驅(qū)動加載過程中得到總線號、設(shè)備號和功能號來傳給應(yīng)用層，返回的值放在BufOutput中。在應(yīng)用層與用戶所指定的板卡參數(shù)相比較，確定板卡的位置，如果符合就返回句柄，不符合關(guān)閉句柄繼續(xù)往下找，直到找到指定的板卡為止，流程如圖2所示。得到每個(gè)板卡的句柄以后，就可以分別對板卡進(jìn)行操作，之間不會相互影響。

6 調(diào) 試

編寫驅(qū)動，調(diào)試是一個(gè)棘手的問題。因?yàn)轵?qū)動程序運(yùn)行在內(nèi)核模式下，很難像一般有集成的開發(fā)環(huán)境的Win32程序一樣進(jìn)行單步調(diào)試。一般來說，驅(qū)動的調(diào)試主要有2個(gè)途徑：（1）在關(guān)鍵的地方打印出調(diào)試信息，用DriverMoniter來查看；（2）內(nèi)核調(diào)試工具。在該文中采用第（1）種方法調(diào)試[7]。

7 結(jié)束語

該文介紹的板卡識別方法，在原有PID和VID識別的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了硬件識別方法，通過位置信息尋找硬件，簡化了硬件的操作過程，在驅(qū)動和應(yīng)用程序方面做了改進(jìn)，開發(fā)出適合多板卡公用的驅(qū)動程序，為硬件和驅(qū)動的設(shè)計(jì)帶來了很大的方便。

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