楊再明，崔恒武，曹洪龍

（1.92001 部隊，青島266000；2.蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院，蘇州215006）

0 引言

在現(xiàn)代航空航天和航海領(lǐng)域，通常需要同時監(jiān)測多個信號并根據(jù)各個信號的狀態(tài)和時序進(jìn)行工作狀態(tài)監(jiān)測，從而為整體系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)提供保障。例如，采用便攜式多路開關(guān)量信號檢測儀同時對多路電磁繼電器通斷信號進(jìn)行檢測，很好的解決了多路開關(guān)量信號的并行實時檢測和計時問題[1]。在這類儀器設(shè)計中主要采用上位機+下位機的系統(tǒng)模式，其中上位機通常采用Windows 系統(tǒng)的計算機，下位機為定制的信號采集板卡，考慮通信速率和實時性要求上位機和下位機采用PCI 協(xié)議通信的方式被廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)的軟件開發(fā)主要分為上位機Windows 應(yīng)用程序開發(fā)、下位機嵌入式軟件開發(fā)和Windows 驅(qū)動開發(fā)三部分。對于Win?dows XP 或Windows 7 系統(tǒng)，微軟公司（Microsoft）提供Windows 驅(qū)動程序開發(fā)包WDK（Windows Driver Kit）簡化了Windows 驅(qū)動程序開發(fā)過程，可用于開發(fā)支持即插即用功能的WDM（Windows Driver Mode）驅(qū)動程序，實現(xiàn)上位機Windows 應(yīng)用程序基于PCI 協(xié)議通過驅(qū)動訪問下位機的功能[2-4]。

1 基于DSP的信號采集PCI設(shè)備

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

為滿足信號采集、處理等功能的實時性要求，數(shù)字信號處理器（DSP，Digital Signal Processor）被廣泛應(yīng)用在實時數(shù)字信號處理領(lǐng)域，TI TMS320C54x DSP 憑借其低功耗、高性價比的優(yōu)點在信號采集PCI 設(shè)備領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。圖1 是基于TMS320C54x DSP 的信號采集PCI 設(shè)備系統(tǒng)架構(gòu)框圖，主要由上位機和下位機兩部分組成，上位機和下位機PCI 協(xié)議進(jìn)行通信，實現(xiàn)信號采集、實時分析、處理、存儲和顯示等功能。其中下位機為信號采集卡，其核心處理器可以選用TMS320C54x DSP，主要完成信號采集、實時分析處理。由于TMS320C54x DSP 本身不支持PCI 協(xié)議，需要協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片PCI2040 實現(xiàn)DSP 的HPI 接口與上位機（計算機）的PCI 接口之間相互轉(zhuǎn)換。信號采集卡采用PCI金手指方式插入上位機主板上的PCI 插槽實現(xiàn)上位機和下位機的互聯(lián)互通。

如圖1 所示，上位機運行Windows 系統(tǒng)，具有可擴展性，支持新的硬件。為確保Windows 系統(tǒng)的健壯性和可靠性，Windows 系統(tǒng)從總體上分為內(nèi)核模式和用戶模式。Windows 系統(tǒng)內(nèi)核工作在內(nèi)核模式，可以訪問底層硬件（訪問物理映射內(nèi)存、設(shè)備端口等），因此要增加新硬件則必須增加Windows 內(nèi)核內(nèi)容，模塊化的驅(qū)動程序相當(dāng)于Windows 內(nèi)核的“積木”件，通過安裝驅(qū)動程序可以實現(xiàn)Windows 內(nèi)核對新硬件（例如圖1的信號采集卡）的操作訪問。用戶應(yīng)用程序（本例中為信號采集應(yīng)用程序）工作在用戶模式，無法直接訪問底層硬件（本例為PCI 型的信號采集卡），需要安裝驅(qū)動后通過驅(qū)動實現(xiàn)訪問。

圖1 基于DSP的信號采集PCI設(shè)備系統(tǒng)架構(gòu)框圖

1.2 驅(qū)動程序的工作方案

由圖1 可見信號采集卡驅(qū)動程序在整個系統(tǒng)中起到聯(lián)通作用，實現(xiàn)了運行在Windows 系統(tǒng)下的應(yīng)用程序與信號采集卡（PCI 插卡）之間的通信，其具體的工作方案如圖2 所示。在系統(tǒng)上電后驅(qū)動受限對其進(jìn)行枚舉識別，上位機用戶應(yīng)用程序啟動后通過驅(qū)動可以查詢有效的信號采集卡并獲得訪問句柄。由于TI TMS320C54x DSP 內(nèi)部沒有可固化用戶DSP 程序的存儲器，從節(jié)約成本和低功耗方面考慮選用HPI 自舉模式由上位機在啟用信號采集卡時灌DSP 程序，因此圖2 驅(qū)動工作方案中主要分為初始化信號采集卡和數(shù)據(jù)采集2 部分。

當(dāng)上位機用戶應(yīng)用程序要采集數(shù)據(jù)時，必須先通過驅(qū)動灌DSP 程序到信號采集卡。驅(qū)動在接收到灌DSP 程序的信息后，首先通過控制DSP 復(fù)位管腳電平觸發(fā)DSP 硬件復(fù)位中斷，通過查詢DSP 復(fù)位管腳電平來確認(rèn)信號采集卡是否成功進(jìn)入HPI 自舉模式；確認(rèn)DSP 進(jìn)入HPI 自舉模式后，驅(qū)動通知上位機用戶程序可以灌DSP 程序，并在接收到DSP 程序自舉列表后按地址加載到DSP 的程序空間和數(shù)據(jù)空間；信號采集卡HPI 自舉成功后將運行加載的DSP 程序采用中斷方式通知驅(qū)動，驅(qū)動處理中斷事務(wù)通過讀取信號采集卡工作狀態(tài)確認(rèn)其初始化是否成功，記錄且同時通知上位機用戶應(yīng)用程序。

用戶應(yīng)用程序接收到驅(qū)動通知確認(rèn)信號采集卡正常工作后，可以發(fā)送采集命令通過驅(qū)動通知信號采集卡開啟采集功能。為提高信號采集、處理和顯示、存儲的實時性，用戶應(yīng)用程序?qū)⒂檬录‥vent）監(jiān)聽線程，通過WaitForSingleObject 函數(shù)或WaitForMultipleOb?jects 函數(shù)監(jiān)聽與驅(qū)動共享的Event 狀態(tài)實現(xiàn)實時處理；PCI 驅(qū)動程序在接收到采集命令后，通過中斷服務(wù)函數(shù)（ISR）實時響應(yīng)信號采集卡向驅(qū)動發(fā)送的中斷，利用內(nèi)核函數(shù)KeInitializeDpc 啟用延遲過程調(diào)用例程（DPC）搬移數(shù)據(jù)提高ISR 響應(yīng)的實時性；信號采集卡連續(xù)采集信號，且每完成一幀信號采集、分析、處理將發(fā)送中斷通知驅(qū)動搬移數(shù)據(jù)。當(dāng)驅(qū)動接收到停止采集命令后，通知信號采集卡停止數(shù)據(jù)采集進(jìn)入低功耗狀態(tài)。

圖2 PCI驅(qū)動程序工作方案

2 基于WDM的PCI設(shè)備Windows驅(qū)動設(shè)計

2.1 基于WDM的Windows驅(qū)動程序基本框架

PCI 設(shè)備一般選用WDM（Windows Driver Mode）驅(qū)動程序類型支持即插即用，其入口函數(shù)為DriverEntry函數(shù)。Windows 內(nèi)核中的I/O 管理器調(diào)用DriverEntry函數(shù)并通過形參pDO 傳入驅(qū)動對象，形參RegistryPath為驅(qū)動在注冊表中的鍵值[5]，具體示例代碼如下。代碼中用Extern"C"修飾DriverEntry 函數(shù)是為了指示編譯器該函數(shù)按C 語言的方式進(jìn)行編譯。

●AddDevice 回調(diào)函數(shù)，本例設(shè)置Pci2040AddDe?vice 為回調(diào)函數(shù)，主要負(fù)責(zé)創(chuàng)建設(shè)備對象、初始化設(shè)備擴展數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、創(chuàng)建符號鏈接和初始化DPC 處理函數(shù)，等等。

●DriverUnload 回調(diào)函數(shù)，本例設(shè)置Pci2040Un?load 為回調(diào)函數(shù)，即注冊卸載例程，但在WDM 中卸載處理工作一般放在PNP 相關(guān)的回調(diào)函數(shù)中處理。

●IRP（I/O Request Packet）派遣函數(shù)，Windows 系統(tǒng)中I/O 管理器是用戶模式和內(nèi)核模式之間通信的橋梁，即工作在用戶模式的應(yīng)用程序發(fā)出I/O 請求時，由I/O 管理器捕獲并轉(zhuǎn)化為IRP 請求發(fā)送給驅(qū)動，驅(qū)動即調(diào)用對應(yīng)的派遣函數(shù)進(jìn)行處理。表1 中列出了一些主要IRP 派遣函數(shù)。

表1 WDM 驅(qū)動主要的IRP 回調(diào)函數(shù)

2.2 PCI設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計

開發(fā)基于WDM 的PCI 驅(qū)動程序主要是在WDM框架上實現(xiàn)IRP 派遣函數(shù)，實現(xiàn)應(yīng)用程序、驅(qū)動和采集卡之間的相互通信。其中，應(yīng)用程序可以通過Creat?File、ReadFile、WriteFile、DeviceIoCtrol 等函數(shù)與驅(qū)動程序進(jìn)行交互，其對應(yīng)的IRP 類型見表1。實現(xiàn)PCI 設(shè)備驅(qū)動程序的難點是驅(qū)動程序與采集卡之間的交互，重點是資源訪問操作和中斷處理，這需要在了解板卡硬件原理圖的基礎(chǔ)上實現(xiàn)。

以圖1 為例，驅(qū)動對設(shè)備的訪問相當(dāng)于借助PCI2040 芯片轉(zhuǎn)換進(jìn)行HPI 訪問，訪問HPI 映射的物理存儲空間需要調(diào)用內(nèi)核函數(shù)READE_REGIS?TER_ULONG 和WRITE_REGISTER_ULONG 該系列函數(shù)，主要通過控制C54x DSP 的管腳狀態(tài)實現(xiàn)表2 所示4 種模式的HPI 寄存器訪問操作，進(jìn)而封裝成對HPI映射的物理存儲空間的4 種訪問方法[6]。

●DspMemReadNoInc 驅(qū)動函數(shù)，功能是讀取指定C54x DSP 的RAM 地址的1 個16 位數(shù)據(jù)，具體操作方法是采用表2 中模式2 先向HPIA 寄存器寫入地址，然后采用表2 中的模式3 讀取HPID 的數(shù)據(jù)。

●DspMemWriteNoInc 驅(qū)動函數(shù)，功能是向C54x DSP 的RAM 地址寫入1 個數(shù)據(jù)，具體操作方法是采用表2 中模式2 先向HPIA 寄存器寫入地址，然后采用表2 中的模式3 向HPID 寫入數(shù)據(jù)。

●DspMemReadInc 驅(qū)動函數(shù)，功能是讀取指定C54x DSP 的RAM 地址的連續(xù)N（N≥1）個16 位數(shù)據(jù)，具體操作方法是采用表2 中模式1 先向HPIA 寄存器寫入地址，然后采用表2 中的模式1 連續(xù)執(zhí)行N 次HPID 讀操作，可以讀取從HPIA 中的地址開始的連續(xù)N 個16 位數(shù)據(jù)。

●DspMemWriteInc 驅(qū)動函數(shù)，功能是向C54x DSP的RAM 地址連續(xù)寫入N（N≥1）個16 位數(shù)據(jù)，具體操作方法是采用表2 中模式1 先向HPIA 寄存器寫入初始地址（目標(biāo)地址-1），然后采用表2 中的模式1 連續(xù)執(zhí)行N 次HPID 寫操作，實現(xiàn)以目標(biāo)地址為起始地址連續(xù)寫入N 個16 位數(shù)據(jù)。

表2 C54x DSP HPI 訪問方式

此外，可以通過調(diào)用內(nèi)核函數(shù)WRITE_REGIS?TER_ULONG 該系列函數(shù)運用表2 中的工作模式0 向HPIC 寄存器寫入數(shù)據(jù)，實現(xiàn)驅(qū)動觸發(fā)DSP 的主機中斷、配置HPI 通信方式等功能。

采集卡亦可以發(fā)送中斷信號，WDM 驅(qū)動程序采用如下步驟處理中斷事件：

（1）在IRP_MJ_PNP 的派遣函數(shù)Pci2040Pnp 中處理次級的IRP_MN_START_DEVICE 類型時，調(diào)用內(nèi)核函數(shù)IoConnectInterrupt 將中斷注冊到系統(tǒng)，并指定中斷服務(wù)函數(shù)（例如OnInterrupt）。

（2）自定義中斷服務(wù)函數(shù)（例如OnInterrupt）實時處理中斷，主要方法是讀取中斷標(biāo)志，清除中斷標(biāo)志位，根據(jù)讀取到的中斷標(biāo)志進(jìn)行相應(yīng)的處理。

（3）由于中斷服務(wù)程序運行在高的設(shè)備中斷請求級（DIRQL），執(zhí)行時間不易過長，因此通常代碼量盡量少，必要情況將不重要的代碼放置DPC 函數(shù)中執(zhí)行。DPC 函數(shù)運行在在相對較低的DISPATCH_LEVEL 級別，調(diào)用方法是在中斷服務(wù)函數(shù)中利用內(nèi)核函數(shù)IoRe?questDpc 調(diào)用在AddDevice 回調(diào)函數(shù)中初始化的DPC函數(shù)處理。

2.3 基于WDK的驅(qū)動實現(xiàn)

微軟提供Windows 驅(qū)動開發(fā)套件（WDK，Windows Driver Kit），包括了WDM 驅(qū)動開發(fā)工具、例程和幫助文檔，可用于用戶開發(fā)Windows 驅(qū)動程序，其官方提供的最新版本為7.1，安裝后可以編譯鏈接C 源程序生成驅(qū)動。利用WDK 生成驅(qū)動程序的步驟如下：

（1）編寫MAKEFILE 文件（無擴展名），內(nèi)容固定不變，詳細(xì)內(nèi)容見WDK 例程。

（2）編寫Sources 文件（無擴展名），定義驅(qū)動名稱、類型和源程序文件，例如：

注意：MAKEFILE、Sources 和源程序文件在同一文件夾下。

（1）在開始菜單的“所有程序”中選擇WDK 下的“Build Environments”，選擇操作系統(tǒng)版本（例如Win?dows XP）下X86 Checked Build Environment 快捷方式進(jìn)入命令行形式的工具窗口。

（2）利用CD 命令進(jìn)入Sources 等文件所在目錄（英文路徑），然后執(zhí)行build 命令，若無誤將生成驅(qū)動程序pci2040Examples.sys。

3 PCI設(shè)備驅(qū)動測試程序

采用VC++開發(fā)測試程序如圖3 所示，基于DSP的信號采集PCI 設(shè)備實現(xiàn)了對多路開關(guān)量信號的采集和狀態(tài)變化判斷。設(shè)計的驅(qū)動使Windows 系統(tǒng)可以識別該設(shè)備，并為測試程序提供了對該設(shè)備的讀、寫和中斷響應(yīng)等接口。設(shè)計圖3 所示測試程序時，主要采用以下方法：

圖3 基于DSP的信號采集PCI設(shè)備測試程序界面

●利用Windows API 函數(shù)SetupDiGetClassDevs 對該PCI 設(shè)備進(jìn)行枚舉。

●利用Windows API 函數(shù)DeviceIoControl 發(fā)起IRP 與驅(qū)動交互。

●利用Windows API 函數(shù)ReadFile 和WriteHan?dle 函數(shù)與驅(qū)動交互。

●開啟獨立線程采用Windows API 函數(shù)WaitForS?ingleObject 或WaitForMultipleObjects 接收驅(qū)動發(fā)送的事件中斷，提高上位機的響應(yīng)實時性。

4 結(jié)語

本文給出了基于WDM 的Windows 驅(qū)動程序設(shè)計方法，以基于DSP 的信號采集PCI 設(shè)備為例主要介紹了WDM 驅(qū)動程序設(shè)計框架、PCI 驅(qū)動程序設(shè)計過程和基于WDK 的驅(qū)動程序生成方法，并給出了進(jìn)行開關(guān)量信號采集的PCI 設(shè)備測試程序?qū)嵗?，為開發(fā)基于WDM的PCI 驅(qū)動程序提供了參考。