PCI設(shè)備Windows通用驅(qū)動(dòng)軌范設(shè)計(jì)

我們開發(fā)了一套通用的PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)軌范，它可以完成一般PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)所需的功能，可以作為其它PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)的框架。

　　1 驅(qū)動(dòng)軌范的模式和開發(fā)工具的選擇

　　設(shè)備驅(qū)動(dòng)軌范是指打點(diǎn)某個(gè)外圍設(shè)備的一段代碼。驅(qū)動(dòng)軌范不會(huì)獨(dú)登時(shí)存在，而是操作系統(tǒng)的一部門。經(jīng)由過程設(shè)備驅(qū)動(dòng)軌范，多個(gè)歷程可以同時(shí)使用這些資本，從而可以實(shí)現(xiàn)多歷程并走運(yùn)行。不才文中，將挪用設(shè)備驅(qū)動(dòng)軌范的PC機(jī)軌范稱為用戶軌范。

　　Windows 95和Windows NT采用的驅(qū)動(dòng)軌范系統(tǒng)分歧，所以年夜年夜都情形下驅(qū)動(dòng)軌范也不能通用。若是設(shè)備需要在Windows 9x/NT下使用，一般至少要設(shè)計(jì)Windows 9x和Windows NT兩個(gè)驅(qū)動(dòng)軌范版本。Windows 98 可以兼容Windows 95的驅(qū)動(dòng)軌范，同時(shí)它又推出一個(gè)新的Win32 Drivers Mode(WDM)驅(qū)動(dòng)類型。Windows 98中有些設(shè)備(如USB設(shè)備)的驅(qū)動(dòng)軌范必需為WDM模式。這個(gè)新的類型現(xiàn)實(shí)是在Windows NT的驅(qū)動(dòng)模子的基本上增添了即插即用等內(nèi)容。WDM驅(qū)動(dòng)也可以用在Windows 2000(先前叫Windows NT 5.0)中。從久遠(yuǎn)的角度看。此后開發(fā)人員只要開發(fā)WDM驅(qū)動(dòng)就可以了，但從今朝的市場(chǎng)情形來看，Windows 95是無法拋卻的，所以WDM在近一兩年還無法替代其它類型的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

　　Intel 80386以上的微措置器有4個(gè)優(yōu)先級(jí)別：0級(jí)、1級(jí)、2級(jí)和3級(jí)，一般操作系統(tǒng)運(yùn)行于優(yōu)先級(jí)0級(jí)上，而用戶軌范運(yùn)行在3級(jí)上，在對(duì)硬件操作上有一些限制(具體的限制在分歧的操作系統(tǒng)中是分歧的)。Windows 95撐持的驅(qū)動(dòng)類型良多，但針對(duì)一般硬件設(shè)備而言，主若是VxD和打印機(jī)驅(qū)動(dòng)兩類。VxD指的是Virtual Device Drivers。VxD運(yùn)行在Intel系統(tǒng)的0級(jí)上，可以執(zhí)行特權(quán)級(jí)指令，對(duì)任何I/O設(shè)備有全數(shù)訪謁權(quán)，所以年夜年夜都硬件驅(qū)動(dòng)軌范都是VxD。VxD驅(qū)動(dòng)凡是以.vxd為擴(kuò)展名，放在WindowsSystem目錄下，可以在Windows 95啟動(dòng)時(shí)裝入，也可以在軌范運(yùn)行時(shí)按照需要?jiǎng)討B(tài)地載入。動(dòng)態(tài)加載有助于節(jié)約系統(tǒng)內(nèi)存和資本。但打印機(jī)驅(qū)動(dòng)軌范不是VxD，它運(yùn)行在3級(jí)上。同Windows 95近似，Windows NT的驅(qū)動(dòng)也有可以運(yùn)行在0級(jí)的內(nèi)核模式(Kernel Mode)和運(yùn)行在3極的用戶模式(User Mode)之分。因?yàn)閃indows NT禁止用戶模式的軌范訪謁I/O端口(Windows 95/98則許可用戶軌范直接訪謁I/O端口)，直接節(jié)制物理設(shè)備的驅(qū)動(dòng)軌范都是內(nèi)核模式的。而我們設(shè)計(jì)的PCI通用驅(qū)動(dòng)軌范要求對(duì)各類硬件資本訪謁，所以應(yīng)該選擇工作在0級(jí)的驅(qū)動(dòng)軌范模式。

　　開發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)采用的首要開發(fā)工具是微軟為設(shè)備開發(fā)者供給的軟件包Device Driver Kit(DDK)。這個(gè)軟件包搜羅有關(guān)設(shè)備開發(fā)的文檔、編譯需要的頭文件和庫文件、調(diào)試工具和軌范典型。在DDK中還界說了一些設(shè)備驅(qū)動(dòng)可以挪用的系統(tǒng)底層處事，象DMA處事、間斷處事、內(nèi)存打點(diǎn)處事、可安裝文件系統(tǒng)處事等等。這些都是編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)所必需的。但Windows 95的DDK因?yàn)槭滓褂脜R編說話描述。開倡議來斗勁堅(jiān)苦。是以，我們?cè)赪indows 95操作系統(tǒng)中同時(shí)采用了Numega公司的產(chǎn)物VtoolsD。VtoolsD是基于C/C++的，撐持Borland C++和Visual C++，使用和維護(hù)都較Windows 95 DDK輕易。

　　2 PCI驅(qū)動(dòng)軌范的特點(diǎn)

　　在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)軌范之前，首先要對(duì)欲節(jié)制的硬件設(shè)備進(jìn)行詳盡地剖析，更需要具體體味硬件設(shè)備的特征。硬件設(shè)備的特征會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)軌范設(shè)計(jì)發(fā)生重年夜的影響。需要體味的最首要的硬件特征搜羅：

　　(1)設(shè)備的總線結(jié)構(gòu)

　　設(shè)備采用什么總線結(jié)構(gòu)很是關(guān)頭，因?yàn)榉制绲目偩€類型(如ISA和PCI)在良多硬件工作機(jī)制上是分歧的，所以驅(qū)動(dòng)軌范設(shè)計(jì)也分歧。

　　(2)寄放器

　　要體味設(shè)置的節(jié)制寄放器、數(shù)據(jù)寄放器和狀況寄放器，以及這些寄放器工作的特征。

　　(3)設(shè)備錯(cuò)誤和狀況

　　要體味若何判定設(shè)備的狀況和錯(cuò)誤旌旗燈號(hào)，這些旌旗燈號(hào)要經(jīng)由過程驅(qū)動(dòng)軌范返回給用戶。

　　(4)間斷行為

　　要體味設(shè)備發(fā)生間斷的前提和使用間斷的數(shù)目。

　　(5)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制

　　最常見的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制是經(jīng)由過程I/O端口(port)，也就是經(jīng)由過程CPU的IN/OUT指令進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。PC的另一種主要的傳輸機(jī)制是DMA，但PCI規(guī)范不搜羅隸屬DMA的聲名。

　　(6)設(shè)備內(nèi)存

　　良多設(shè)備自身帶有內(nèi)存，PCI設(shè)備年夜多是采用映射的體例映射到PC系統(tǒng)的物理內(nèi)存。有的設(shè)備還要經(jīng)由過程驅(qū)動(dòng)軌范設(shè)置設(shè)備的接口寄放器。

　　有關(guān)驅(qū)動(dòng)軌范的加載和響應(yīng)用戶請(qǐng)求的內(nèi)容，在DDK文檔中有劃定，所以設(shè)計(jì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)軌范首要的面臨問題是若何進(jìn)行硬件操作，這是按照設(shè)備的分歧而分歧的。而硬件驅(qū)動(dòng)軌范的功能雖然千差萬別，但根基功能就是完成設(shè)備的初始化、對(duì)端口的讀寫操作、間斷的設(shè)置、響應(yīng)和挪用以及對(duì)內(nèi)存的直接讀寫。如前面所說，Windows 9x和Windows NT的操作系統(tǒng)模子分歧，但驅(qū)動(dòng)軌范所要完成的工作卻是不異的，所以下面以Windows 9x為主進(jìn)行介紹，僅在需要的處所指出兩個(gè)操作系統(tǒng)的分歧。下面從這幾方面談判解決這些問題的路子#e#下面從這幾方面談判解決這些問題的路子：

　　(1)設(shè)備初始化

　　PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)軌范要實(shí)現(xiàn)識(shí)別PCI器件、尋址PCI器件的資本和對(duì)PCI器件間斷的處事。PCI系統(tǒng)BIOS功能供給了BIOS的訪謁與節(jié)制的具體特征，所有軟件(設(shè)備驅(qū)動(dòng)軌范、擴(kuò)展ROM碼)將經(jīng)由過程尺度間斷號(hào)1AH挪用BIOS功能訪謁非凡部件。PCI BIOS規(guī)范有完整的有關(guān)PCI BIOS功能的描述[3]。

　　在PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)軌范的初始化過程中，操作指定器件識(shí)別號(hào)(device_id)、廠商識(shí)別號(hào)(vendor_id)、檢索號(hào)(index)搜索PCI器件，經(jīng)由過程挪用PCI BIOS確認(rèn)其存在，并確定其物理位置：總線號(hào)、器件號(hào)和功能號(hào)，這是該器件/功能在系統(tǒng)中的獨(dú)一尋址標(biāo)識(shí)表記標(biāo)幟。操作總線號(hào)、器件號(hào)和功能號(hào)可以尋址該器件/功能的PCI設(shè)置裝備擺設(shè)空間(configuration space)。

　　接下來，設(shè)備驅(qū)動(dòng)就需要從設(shè)置裝備擺設(shè)空間獲得硬件的參數(shù)。PCI設(shè)備的良多參數(shù)，搜羅所用的間斷號(hào)，端口地址的規(guī)模(I/O)體例、存儲(chǔ)器的地址(存儲(chǔ)器映射體例)等，都可以從PCI設(shè)置裝備擺設(shè)空間的各基址所對(duì)應(yīng)的尋址空間中獲得。讀寫設(shè)置裝備擺設(shè)空間可以挪用BIOS間斷1AH，

　　也可以先向設(shè)置裝備擺設(shè)空間地址寄放器(0CF8H)寫入總線和設(shè)備號(hào)(在前面搜索PCI器件時(shí)獲得的)和寄放器號(hào)，再對(duì)設(shè)置裝備擺設(shè)空間數(shù)據(jù)寄放器(0CFCH)進(jìn)行讀寫。對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)來說，最主要的是獲得基址寄放器(BADR)，不能認(rèn)為PCI器件資本老是設(shè)計(jì)設(shè)備時(shí)設(shè)置的初值，系統(tǒng)可能會(huì)按照硬件情形為PCI設(shè)備分配新的資本。我們所設(shè)計(jì)的PCI設(shè)備使用的基址1－3都是按I/O空間映射的，而基址4是按內(nèi)存體例映射的。確定一個(gè)端口是按什么體例映射的，可以讀對(duì)應(yīng)端口的設(shè)置裝備擺設(shè)寄放器(Configuration Register)。讀出后，判定其0位，若是0位為數(shù)值0，暗示其是按內(nèi)存體例設(shè)置的，否則為I/O體例設(shè)置的。內(nèi)存體例和I/O體例的設(shè)置裝備擺設(shè)寄放器的寄義參見文獻(xiàn)[3]。若是要獲得基址的巨細(xì)，可以向基址寄放器寫入FFFFH，然后讀基址寄放器，若是是內(nèi)存體例，從第4位起頭的0的數(shù)目暗示基址的巨細(xì)，若是是I/O體例，則從第2位起頭的0的數(shù)目暗示基址的巨細(xì)。

　　在Windows NT下，查找PCI設(shè)備的工作是由HalGetBusData完成的，也可以使用前述的法子讀取設(shè)置裝備擺設(shè)寄放器，但DDK舉薦使用HaiGetBusDataOffset函數(shù)。

　　(2)端口操作

　　在PC機(jī)上，I/O端口尋址空間和內(nèi)存尋址空間是分歧的，所以措置體例也分歧。I/O空間是一個(gè)64K字節(jié)的尋址空間，它不象內(nèi)存有實(shí)模式和呵護(hù)模式之分，在各類模式下尋址體例不異。在Windows 9x下，用戶軌范可以直接使用I/O指令，而不必然非經(jīng)由過程專門的驅(qū)動(dòng)軌范來完成，所以若是軟件對(duì)硬件的操作美全是經(jīng)由過程I/O端口操作來完成的，甚至可以不用專門設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)軌范，直接由應(yīng)用軌范來完成對(duì)硬件的節(jié)制。因?yàn)镻CI總線是32位的總線尺度，在進(jìn)行I/O操作時(shí)凡是要進(jìn)行雙字(DWORD)操作，而且以前年夜年夜都C/C++編譯軟件都沒有供給雙字的函數(shù)，所以需要機(jī)關(guān)雙字操作讀寫函數(shù)inpd/outpd。

　　在Windows NT下，系統(tǒng)不許可處于優(yōu)先級(jí)3級(jí)的用戶軌范和用戶模式驅(qū)動(dòng)軌范直接使用I/O指令，若是使用了I/O指令將會(huì)導(dǎo)致特權(quán)指令意外(privileged instruction exception)。所以任何對(duì)I/O的操作都需要借助內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)來完成。具體的做法有兩種：一是在驅(qū)動(dòng)軌范中使用IoReportResourceUsage陳述資本占用，然后使用READ_PORT_XXX、WRITE_PORT_XXX函數(shù)讀寫，最后使用IoReportResourceUsage打消資本占用；另一種是驅(qū)動(dòng)軌范改削NT的I/OPermissions Map (IOPM)，以使系統(tǒng)許可用戶軌范對(duì)指定的I/O端口進(jìn)行操作，這時(shí)用戶軌范采用凡是的I/O指令進(jìn)行操作。后者的利益是速度快、用戶軌范設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但犧牲了移植性，軌范不能移植到非Intel的系統(tǒng)中，而且若是多個(gè)軌范同時(shí)讀寫統(tǒng)一端口輕易導(dǎo)致沖突。

　　(3)內(nèi)存的讀寫

　　Windows工作在32位呵護(hù)模式下，呵護(hù)模式與實(shí)模式的根柢區(qū)別在于CPU尋址體例上的分歧，這也是Windows驅(qū)動(dòng)軌范設(shè)計(jì)中需要著重解決的問題。Windows采用了分段、分頁機(jī)制(圖1)，這樣使應(yīng)用軌范發(fā)生一種錯(cuò)覺，好象軌范中可以使用很是年夜的物理存儲(chǔ)空間。這樣做最年夜的益處就是一個(gè)軌范可以很輕易地在物理內(nèi)存容量紛歧樣的、設(shè)置裝備擺設(shè)規(guī)模分歧很年夜的計(jì)較機(jī)上運(yùn)行，編程人員使用虛擬存儲(chǔ)器可以寫出比任何現(xiàn)實(shí)設(shè)置裝備擺設(shè)的物理存儲(chǔ)器都年夜得多的軌范。