張小磊，孟李林，崔晨琪

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710061)

設(shè)備驅(qū)動(dòng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)里軟硬件交互的接口，是計(jì)算機(jī)操縱硬件的基礎(chǔ)，它的性能在很大程度上影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能。KMDF是微軟推出的下一代驅(qū)動(dòng)模型WDF中的內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)程序框架，意在取代從WINDOWS2000就開始使用的WDM模型。其旨在為開發(fā)者提供一個(gè)面向?qū)ο蟮氖录?qū)動(dòng)開發(fā)框架，并封裝了驅(qū)動(dòng)與操作系統(tǒng)的接口使開發(fā)者可以更關(guān)注驅(qū)動(dòng)需要操控的硬件，以改變長久以來驅(qū)動(dòng)程序作為硬件和操作系統(tǒng)的連接，既要處理硬件行為，又要與操作系統(tǒng)內(nèi)核交互而導(dǎo)致的開發(fā)難度大，開發(fā)門檻高等問題。KMDF是WINDOWS 7/8首先的驅(qū)動(dòng)模型。

PCI Express是一種應(yīng)用于各種計(jì)算與通信平臺(tái)的高性能、通用、串行 I/O 互連協(xié)議。它采用包交換技術(shù)、Ack/Nak協(xié)議以及流量控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)報(bào)文的高速高可靠傳輸。此外，PCI Express協(xié)議保持與現(xiàn)有 PCI 設(shè)備的軟件兼容性，而且可以用較低的開銷提升現(xiàn)有 PCI 系統(tǒng)的性能，在 PC 機(jī)及嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。因此研究基于KMDF驅(qū)動(dòng)框架的PCI Express驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)意義。

本文介紹KMDF的對(duì)象模型和I/O模型，并介紹一種基于KMDF的PCI Express設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。

1 KMDF模型

1.1 KMDF對(duì)象模型

KMDF是內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)開發(fā)的框架，它定義了基于對(duì)象的編程模型，可以通過一系列層次化組織的對(duì)象以及與對(duì)象相關(guān)聯(lián)的方法和屬性來表示設(shè)備、驅(qū)動(dòng)、隊(duì)列等信息。KMDF對(duì)象模型中定義的主要的對(duì)象以及其層次如圖1所示：

圖1 KMDF中的主要對(duì)象及其層次

圖1中KMDF框架定義的主要對(duì)象有：

(1)WDFDRIVER：WDF驅(qū)動(dòng)對(duì)象，所有對(duì)象的根對(duì)象，描述一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序在內(nèi)存的實(shí)例，維護(hù)驅(qū)動(dòng)程序的相關(guān)信息，如驅(qū)動(dòng)的入口點(diǎn)，加載位置，可以管理的設(shè)備等。每一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序在內(nèi)存中有且僅有一個(gè)WDFDRIVER對(duì)象。

(2)WDFDEVICE：WDF設(shè)備對(duì)象，系統(tǒng)中具體硬件的抽象，代表驅(qū)動(dòng)程序可以控制的硬件設(shè)備，用戶程序可以通過定義的設(shè)備接口訪問設(shè)備。WDFDEVICE也可以是虛擬設(shè)備。

(3)WDFQUEUE：WDF隊(duì)列對(duì)象，一個(gè)特殊的I/O請(qǐng)求隊(duì)列，它定義了一系列回調(diào)函數(shù)，當(dāng)I/O請(qǐng)求進(jìn)入隊(duì)列時(shí)，框架將自動(dòng)調(diào)用對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)處理。

(4)WDFINTERRUPT：WDF中斷對(duì)象，定義了設(shè)備中斷使能，禁止回調(diào)函數(shù)和設(shè)備中斷的服務(wù)程序和DPC例程。

1.2 KMDF I/O模型

KMDF建立了自己的I/O模型，可以截獲發(fā)送給本設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的所有IRP。當(dāng)IRP到達(dá)時(shí)，分發(fā)器根據(jù)IRP的主功能碼把IRP分發(fā)到I/O請(qǐng)求隊(duì)列或者電源管理隊(duì)列，框架會(huì)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間自動(dòng)的調(diào)用已經(jīng)注冊(cè)的回調(diào)函數(shù)。I/O流程如圖2所示：

圖2 I/O通過KMDF庫和驅(qū)動(dòng)程序流程

KMDF的I/O隊(duì)列管理那些針對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的請(qǐng)求。驅(qū)動(dòng)程序通常創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)隊(duì)列，每個(gè)隊(duì)列可以接受一種或多種類型的請(qǐng)求。調(diào)度方法決定給定時(shí)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)程序可服務(wù)的請(qǐng)求數(shù)量。

2 PCI Express高速數(shù)據(jù)處理卡

PCI Express作為高速串行I/O技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)行的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，本文涉及的PCI Express板卡是自行研發(fā)的基于Altera公司PCI Express硬核設(shè)計(jì)的高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)的框架圖如圖3所示：

系統(tǒng)采用Altera 公司的Cyclone IV GX 系列FPGA芯片作為核心，使用FPGA中的硬件電路完成對(duì)下發(fā)數(shù)據(jù)的處理。FPGA主要模塊功能介紹：

圖3 系統(tǒng)框架圖

PCI-E IP硬核：實(shí)現(xiàn)PCI Express 1.1版本協(xié)議，完成PC機(jī)地址域與設(shè)備內(nèi)部地址域轉(zhuǎn)換，DMA通過IP硬核接口與PC機(jī)通信。IP硬核是完成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理卡系統(tǒng)通信的橋梁。

CPU：采用Altera公司NIOS II軟核實(shí)現(xiàn)，作為PCI Expess設(shè)備的主控模塊，根據(jù)RAM緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)包頭，啟動(dòng)相應(yīng)的算法模塊；或者根據(jù)算法模塊的結(jié)束信號(hào)啟動(dòng)一次DMA傳輸。

DMA以及RAM：DMA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸，提高系統(tǒng)的效率；RAM數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，在每次運(yùn)算過程緩存帶運(yùn)算數(shù)據(jù)以及運(yùn)算結(jié)果。

數(shù)據(jù)處理：系統(tǒng)的功能模塊，實(shí)現(xiàn)具體的數(shù)據(jù)處理算法，由CPU調(diào)度。

3 PCI Express高速處理卡驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

PCI Express是與PCI軟件兼容的系統(tǒng)總線，PCI Express具有與PCI總線相同的軟件訪問接口，因此可以使用與PCI相同的軟件流程。

本文介紹的PCI Express高速處理卡的驅(qū)動(dòng)流程如圖4所示。

3.1 驅(qū)動(dòng)程序初始化

KMDF設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序初始化與WDM初始化入口相同，均為NTSTATSU DriverEntry(INPDRIVER_OBJECT DriverObject, IN PUNICODE_STRING RegistryPath)函數(shù)[7]，但是函數(shù)主要完成的功能并不相同，在WDM中主要完成驅(qū)動(dòng)的回調(diào)函數(shù)設(shè)置，而在KMDF中則主要完成驅(qū)動(dòng)對(duì)象的創(chuàng)建，即WDFDRIVER對(duì)象的創(chuàng)建，WDFDRIVER對(duì)象是對(duì)WDM中DRIVER_OBJECT對(duì)象的封裝，創(chuàng)建WDFDRIVER對(duì)象時(shí)需要提供創(chuàng)建WDFDEVICE對(duì)象的回調(diào)函數(shù)和驅(qū)動(dòng)的卸載例程的回調(diào)函數(shù)，以及屬于驅(qū)動(dòng)對(duì)象的屬性。在KMDF中并不允許直接對(duì)框架創(chuàng)建的對(duì)象賦值，需要由專門的對(duì)象配置來實(shí)現(xiàn)。

圖4 驅(qū)動(dòng)流程圖

對(duì)于KMDF中涉及的所有內(nèi)核對(duì)象都可以在創(chuàng)建時(shí)指定一個(gè)屬于對(duì)象的環(huán)境變量結(jié)構(gòu)，和獲得環(huán)境變量的方法名字，該環(huán)境變量的信息存儲(chǔ)在對(duì)象屬性結(jié)構(gòu)里，由框架在對(duì)象創(chuàng)建時(shí)使用。主要代碼如下：

WDF_DRIVER_CONFIG_INIT

(&config，UsbDataTransAdd);

//配置參數(shù)初始化，主要用來設(shè)置添加設(shè)備函數(shù)UsbDataTransAdd，此函數(shù)由框架在每次枚舉屬于驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)備時(shí)調(diào)用。

status = WdfDriverCreate(DriverObject，

RegistryPath，

WDF_NO_OBJECT_ATTRIBUTES，

&config，

WDF_NO_HANDLE);

//創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)對(duì)象，其中DriverObject由框架傳遞來的WDM驅(qū)動(dòng)對(duì)象，RegistryPath是注冊(cè)表中的服務(wù)鍵路徑,config為已經(jīng)初始化的對(duì)象配置。

3.2 設(shè)備對(duì)象的創(chuàng)建

在驅(qū)動(dòng)初始化以后，或者設(shè)備被首次枚舉，系統(tǒng)都會(huì)調(diào)用驅(qū)動(dòng)對(duì)象中設(shè)置的添加設(shè)備程序，設(shè)備添加例程主要的職責(zé)是：創(chuàng)建設(shè)備對(duì)象、一個(gè)或多個(gè)I/O隊(duì)列和設(shè)備GUID接口，設(shè)置各種事件回調(diào)函數(shù)，以及創(chuàng)建中斷對(duì)象。主要函數(shù)如下：

WDF_PNPPOWER_EVENT_CALLBACKS_INIT(&pnpPowerCallbacks);

//初始化即插即用和電源管理例程配置結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)只有在初始化后才在可以使用，并且該結(jié)構(gòu)的初始化必須在設(shè)備對(duì)象創(chuàng)建之前完成。

WdfDeviceCreate(&DeviceInit, &deviceAttributes, &device);

//創(chuàng)建設(shè)備對(duì)象。

WDF_INTERRUPT_CONFIG_INIT(

&interruptConfig,

PCISample_EvtInterruptIsr,

PCISample_EvtInterruptDpc);

//設(shè)置中斷例程和延時(shí)過程函數(shù)

WdfInterruptCreate(

device,

&interruptConfig,

WDF_NO_OBJECT_ATTRIBUTES,

&pDeviceContext->Interrupt);

//創(chuàng)建中斷對(duì)象。

WdfDeviceCreateDeviceInterface(

device, (LPGUID)&PCI_DEVINTERFACE_GUID, NULL);

//設(shè)置內(nèi)核驅(qū)動(dòng)與應(yīng)用態(tài)的接口其中PCI_DEVINTERFACE_GUID是應(yīng)用程序?qū)ふ因?qū)動(dòng)的標(biāo)識(shí)碼，可使用Visual Studio中自帶的GUID生成器生成。

3.3 訪問PCI Express卡硬件寄存器

KMDF設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型為分層模型，最底層為PCI Express總線驅(qū)動(dòng)由操作系統(tǒng)提供，總線驅(qū)動(dòng)上層才是我們提供的特定設(shè)備的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。在PCI Express設(shè)備驅(qū)動(dòng)初始化時(shí)，由總線驅(qū)動(dòng)通過IO端口CONFIG_ADDRESS(地址0CF8～0CFB)，CONFIG_DATA(地址0CFC～0CFF)獲取配置空間設(shè)備資源信息[8]，將資源信息記錄到設(shè)備對(duì)象的設(shè)備環(huán)境中，并且映射PCI Express配置空間BAR寄存器里描述的PCI Express內(nèi)存到PC機(jī)內(nèi)存空間，以使得驅(qū)動(dòng)程序可以使用簡單的內(nèi)存訪問函數(shù)直接訪問設(shè)備空間。

在創(chuàng)建設(shè)備對(duì)象時(shí)注冊(cè)的例程PcieDevicePrepareHardware會(huì)在設(shè)備進(jìn)入工作狀態(tài)之前由框架調(diào)用完成對(duì)硬件資源的獲取，并且會(huì)在即將進(jìn)入D0時(shí)對(duì)硬件進(jìn)行一些配置，相關(guān)的主要代碼：

case CmResourceTypeMemory:

{

momeryflag = TRUE;

pDevicecontext->MemBaseAdd=

MmMapIoSpace(

escriptor->u.Memory.Start,

descriptor->u.Memory.Length,

MmNonCached);

pDevicecontext->MemLength =

descriptor->u.Memory.Length;

pDevicecontext->PhysicalAdd=

descriptor->u.Memory.Start;

break;

}

//獲取PCI Express設(shè)備在PC內(nèi)存空間的地址并使用MmMapIoSpace函數(shù)將其轉(zhuǎn)換成可被直接訪問的內(nèi)核態(tài)虛擬地址。

case CmResourceTypeInterrupt:

{ASSERT(descriptor->Flags!=

CM_RESOURCE_INTERRUPT_MESSAGE)break;}

在本設(shè)計(jì)中主要獲取兩種資源：

(1)CmResourceTypeMemory內(nèi)存映射地址空間：PCI Express協(xié)議通過BAR映射FPGA電路控制寄存器到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件地址空間，使得我們可以使用內(nèi)存訪問的方式直接訪問FPGA硬件。

(2)中斷資源：在WDM模型中，我們?cè)诒仨毇@得分配給此設(shè)備的中斷號(hào)以及此設(shè)備支持的中斷方式等中斷資源，以此為信息注冊(cè)本設(shè)備的中斷。但是在KMDF中這些已經(jīng)被框架所實(shí)現(xiàn)，所以中斷資源變得可有可無。

訪問內(nèi)存映射地址空間時(shí)可以用KMDF提供的專用函數(shù)WRITE_RESISTER_xx、READ_RESISTER_xx系列函數(shù)讀寫該空間對(duì)應(yīng)的虛擬地址或者使用一般的內(nèi)存訪問函數(shù)直接訪問該空間對(duì)應(yīng)的虛擬地址。

3.4 數(shù)據(jù)的傳輸控制

本系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸主要采用DMA實(shí)現(xiàn)，通過兩個(gè)DMA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上行和下行，在本系統(tǒng)主要要求傳輸速度的前提下，本設(shè)計(jì)采用了把DMA控制和緩沖區(qū)映射到應(yīng)用層，由應(yīng)用程序直接控制DMA傳輸過程，以減少程序在狀態(tài)切換上的開銷。涉及的主要代碼如下：

pDevicecontext->mdlcard=IoAllocateMdl(

pDevicecontext->UserMemBase1, pDevicecontext->UserMemLength1,

FALSE, FALSE, NULL);

MmBuildMdlForNonPagedPool(dx->mdlcard);//分配MDL結(jié)構(gòu)，其中dx->UserMemBase1為在PcieDevicePrepareHardware例程得到的硬件資源。

pDevicecontext->usercard= MmMapLockedPagesSpecifyCache

(pDevicecontext->MemBaseAdd,

UserMode,

MmNonCached,

NULL, FALSE,

NormalPagePriority);

//映射硬件資源到應(yīng)用態(tài)空間，pDevicecontext->MemBaseAdd存儲(chǔ)DMA控制寄存器空間基地址；pDevicecontext->usercard為得到的用戶空間地址，在合適的時(shí)機(jī)傳回應(yīng)用態(tài)。

pDevicecontext->mdldma=

IoAllocateMdl(pDevicecontext->vaCom

monBuffer,

SJY0601_MAXTRANSFER,

FALSE,FALSE, NULL);

MmProbeAndLockPages

(pDevicecontext->mdldma,

KernelMode,

IoModifyAccess);

pDevicecontext->userdma= MmMapLockedPagesSpecifyCache

(pDevicecontext->mdldma,

UserMode,

MmNonCached,

NULL,FALSE,

NormalPagePriority);

//其中pDevicecontext->mdldma為DMA緩沖區(qū)基地址，由應(yīng)用程序直接讀寫。

3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)測(cè)試，本文所述的基于KMDF模型的PCI Express 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)在DMA 傳輸模式下處理數(shù)據(jù)速度可達(dá) 3024 Mbits/s(包括下發(fā)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)簡單處理，數(shù)據(jù)上發(fā))，且在壓力測(cè)試的100小時(shí)里程序能穩(wěn)定、可靠地工作。

4 結(jié)語

本文所述的PCI Express設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，使用了KMDF模型，該模型提供了面向?qū)ο?、事件?qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)框架，由框架負(fù)責(zé)管理與操作系統(tǒng)內(nèi)核相關(guān)的功能，不但使得驅(qū)動(dòng)程序的編寫簡單方便而且可靠性和穩(wěn)定性提高。同時(shí)本文所述的驅(qū)動(dòng)使用了內(nèi)核態(tài)到應(yīng)用態(tài)地址映射的技術(shù)，所有數(shù)據(jù)均由應(yīng)用程序直接寫入設(shè)備，大幅度減少CPU狀態(tài)轉(zhuǎn)換帶來的開銷，提高系統(tǒng)的整體速度。綜上所述這樣的設(shè)計(jì)具有較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)更優(yōu)的性能。

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