隨著在線高清電影以及實時視頻會議等應用的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸呈現(xiàn)速率高、實時性強，數(shù)據(jù)量大的趨勢,由此產(chǎn)生了高速實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。在眾多高速實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計方案中，PCI/PCI-E總線不可比擬的傳輸速率優(yōu)勢成為設(shè)計高速傳輸設(shè)備時的首選總線[1-2]。

    為了能夠正常使用PCI/PCI-E總線進行高速數(shù)據(jù)傳輸，必須開發(fā)相應平臺下的設(shè)備驅(qū)動程序。本文以自主研發(fā)的BCS5731芯片為例，介紹了在Windows NT環(huán)境下基于WDM模型的PCI/PCI-E總線設(shè)備驅(qū)動開發(fā)方案，著重分析了高速實時傳輸系統(tǒng)中驅(qū)動部分的設(shè)計與實現(xiàn)。
1 WDM驅(qū)動程序設(shè)計
1.1    WDM驅(qū)動模型介紹[3]
    WDM模型是微軟針對Windows 2000及后續(xù)操作系統(tǒng)制定的驅(qū)動開發(fā)模型,具有即插即用和電源管理等方便用戶使用的特性。目前微軟正力推新一代的WDF驅(qū)動開發(fā)模型，但從本質(zhì)上來說WDF是對WDM進行封裝后的模型；而且WDM模型的驅(qū)動開發(fā)實例眾多，極大地方便了驅(qū)動的開發(fā)，所以本文采用了WDM驅(qū)動開發(fā)模型。
    WDM驅(qū)動基于分層的模式實現(xiàn)。完成一個設(shè)備的操作至少需要兩個驅(qū)動設(shè)備共同完成[4]。其中與系統(tǒng)連接最緊密的是底層總線驅(qū)動，而總線驅(qū)動也是最為復雜的部分。目前總線驅(qū)動通常由操作系統(tǒng)提供，驅(qū)動開發(fā)者只需要開發(fā)設(shè)備驅(qū)動以及可能需要的過濾驅(qū)動。圖1所示為WDM驅(qū)動模型層次結(jié)構(gòu)圖。

1.2 驅(qū)動實例設(shè)計
    對于WDM驅(qū)動而言，主要的函數(shù)是DriverEntry例程、AddDevice例程、PnP例程以及各個IRP的派遣例程。對應于應用程序的main入口函數(shù)，Windows驅(qū)動程序相應的入口函數(shù)為DriverEntry[5]。
    DriverEntry例程由內(nèi)核中的I/O管理器負責調(diào)用，是驅(qū)動第一個執(zhí)行的例程。在本設(shè)計中，根據(jù)需要在DriverEntry例子中注冊了以下例程：
    pDriverObject->DriverExtension->AddDevice = AddDeviceRoutine
    pDriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_PNP] = PnpRoutine
    pDriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_DEVICE_CONTROL] = ControlRoutine
    pDriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_WRITE] = WriteRoutine
    pDriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_READ] = ReadRoutine
    pDriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CLOSE] = faultRoutine
    pDriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CREATE] = DefaultRoutine
    下面對上述例程進行分析。
    (1) AddDeviceRoutine函數(shù)
    AddDerice Routine函數(shù)只出現(xiàn)在WDM驅(qū)動程序中，在NT式驅(qū)動中沒有此回調(diào)函數(shù)。此函數(shù)用于創(chuàng)建設(shè)備對象，并由PnP管理器調(diào)用。具體操作包括：創(chuàng)建設(shè)備對象，創(chuàng)建并注冊設(shè)備接口(為兼容也可創(chuàng)建符號連接)，將創(chuàng)建的設(shè)備掛載到設(shè)備堆棧中，最后設(shè)置相關(guān)標志。值得注意的是，標志位中的讀寫方式在創(chuàng)建后不能在程序其他方面進行修改，且不同的讀寫標志位在編寫讀寫部分代碼時具有著不同的實現(xiàn)方式。
    (2) PnPRoutine函數(shù)
    PnPRoutine函數(shù)執(zhí)行即插即用功能，一個功能完整的PnP函數(shù)需要處理眾多的子IRP, 如IRP_MN_START_
DEVICE、 IRP_MN_STOP_DEVICE、IRP_MN_REMOVE_DE-
VICE等20多個子類IRP。在實際的接口驅(qū)動開發(fā)中，大部分PnPRoutine的子類IRP不需進行逐一編寫，驅(qū)動開發(fā)者只需處理必要的子IRP，其余的子類IRP可以統(tǒng)一傳遞給總線驅(qū)動處理即可。通常IRP_MN_START_DEVICE和IRP_MN_REMOVE_DEVICE和兩個子類IRP是WDM驅(qū)動必需單獨處理的IRP。
    (3) ControlRoutine函數(shù)
    ControlRoutine函數(shù)常用于應用程序與驅(qū)動程序之間的通信。程序設(shè)計者首先定義一種I/O控制碼，然后用函數(shù)DeviceIoControl將控制碼和請求一起傳遞給驅(qū)動程序。驅(qū)動程序則在ControlRoutine中實現(xiàn)這些控制碼。
    控制碼的實現(xiàn)往往采用Switch(){case:}的形式。在本設(shè)計中，采用ControlRoutine進行DMA分配和寄存器配置。因此需要定義數(shù)種不同的控制碼。
    (4) ReadRoutine和WriteRoutine函數(shù)
    兩個函數(shù)分別用于target讀寫操作，當應用層調(diào)用ReadFile和WriteFile時,I/O管理器生成相應的IRP并發(fā)送到對應的函數(shù)中。驅(qū)動程序創(chuàng)建的設(shè)備通常有三種讀寫方式：緩沖區(qū)方式、直接方式和其他方式。ReadRoutine和WriteRoutine中使用的讀寫方式是由AddDeviceRoutine中設(shè)置的標志位決定。因此在驅(qū)動創(chuàng)建設(shè)備對象時，需要確定采用哪種讀寫方式。在實際的開發(fā)過程中，為了保證數(shù)據(jù)的安全盡量不采用第三種實現(xiàn)讀寫方式(其他方式)。
    (5) DefaultRoutine函數(shù)
    設(shè)置的默認處理例程，程序中簡單地略過當前IRP，然后調(diào)用底層總線驅(qū)動?？偩€驅(qū)動處理傳遞來的IRP_MJ_CLOSE和IRP_MJ_CREATE子類IRP。
1.3 高速連續(xù)DMA傳輸設(shè)計[6]
    本設(shè)計需要解決的一個難題是高速實時數(shù)據(jù)的傳輸。整個傳輸系統(tǒng)如圖2所示。

    系統(tǒng)傳輸流程為：基帶芯片通過有線或無線方式接收到大量高速實時數(shù)據(jù)，傳遞到PCI Local端。PCI local端將數(shù)據(jù)傳遞到PCI Core與主機連接端，將數(shù)據(jù)通過PCI接口寫入主機分配的DMA內(nèi)存中；或者設(shè)備從DMA內(nèi)存中讀取主機數(shù)據(jù)。在傳輸過程中采用設(shè)備主控DMA方式。
    由于硬件基帶的傳輸速率高達300 Mb/s，且主機只能分配規(guī)模有限的DMA內(nèi)存，所以在主機數(shù)據(jù)接收時，若主機PCI接口端無法設(shè)計一種高效的數(shù)據(jù)讀取方式以及主機與硬件實時的信息交互渠道，將會造成大量數(shù)據(jù)的丟失和數(shù)據(jù)讀取的錯誤。
    本文設(shè)計了一種高效的同步機制，該機制采用DMA傳輸數(shù)據(jù)，從而保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝?。此外在?qū)動層和PCI接口層進行同步驗證，保證了數(shù)據(jù)的一致性,如圖3所示。設(shè)計思路如下：

    (1) 驅(qū)動采用公共內(nèi)存編寫方式。根據(jù)應用層輸入信息分配相應大小的DMA內(nèi)存，將該內(nèi)存抽象為1～N個長度為M字節(jié)的DMA寄存器,并將分配的DMA首地址傳輸給硬件。設(shè)內(nèi)存首地址用指針DMAmemory表示。
    (2) 驅(qū)動設(shè)備擴展中申明一個整型變量，用于保存上次硬件操作完畢時的DMA寄存器編號，命名為RegNumber，在驅(qū)動初始化階段初始化為0值。
    (3) PCI接口中分配一個長度為N bit的寄存器稱為寄存器R,寄存器R的位數(shù)與DMA寄存器個數(shù)一一對應。將寄存器R初始化為全0。
    (4) 硬件實時查詢寄存器R，若不為全1,則FPGA向主機寫入數(shù)據(jù); 若為全1,則暫停數(shù)據(jù)寫入。
    (5) 當數(shù)據(jù)從基帶傳輸?shù)街鳈C端的PCI接口時，硬件首先填充DMA內(nèi)存的第一個寄存器，填充完畢后將寄存器R的首位設(shè)置為1。后續(xù)數(shù)據(jù)依次填充DMA寄存器，并置位寄存器R對應的位為1。硬件填充完一個寄存器后，向主機發(fā)送一個電平中斷。
    (6) 主機端驅(qū)動檢測到硬件中斷,中斷例程中簡單清除電平中斷后,啟動DPC例程。
    (7) DPC例程中首先判斷寄存器R是否為全0，若為全0,則表示數(shù)據(jù)未寫入DMA內(nèi)存中。DPC例程直接返回，等待下個中斷。
    (8) 若寄存器R不為全0，則表示已有數(shù)據(jù)寫入。檢查RegNumber值,并從RegNumber+1編號的DMA寄存器開始讀數(shù)。讀取完一個寄存器后，向該DMA寄存器對應的寄存器R中的bit位發(fā)出寫1命令,將硬件接收PC機下發(fā)的操作命令對應為0。
    (9) 更新RegNumber，if(RegNumber < N) {RegNumber++；} else{RegNumber = 0;}。
    (10) DPC執(zhí)行完畢，函數(shù)返回。等待下一個中斷。
2 控制程序設(shè)計
    本文設(shè)計的驅(qū)動實現(xiàn)了數(shù)據(jù)收發(fā)完整功能，能提供用戶層進行可變大小DMA內(nèi)存分配，使能數(shù)據(jù)收發(fā)、接收數(shù)據(jù)校驗及提取數(shù)據(jù)幀頭信息等操作。
    本設(shè)計基于MFC實現(xiàn)了一個控制界面程序，通過界面操作可實現(xiàn)用戶定義DMA大小分配，數(shù)據(jù)收發(fā)控制命令、接收數(shù)據(jù)量顯示及幀頭信息顯示等功能，如圖4所示。控制界面與驅(qū)動通信采用IOCTL控制碼，步驟如下：

    (1) 使用CTL_CODE宏定義控制碼。本例定義的控制碼可簡單歸類為讀/寫寄存器。數(shù)據(jù)在應用層進行組裝。
    (2) 驅(qū)動程序中的ControlRoutine例程實現(xiàn)相應控制碼功能。
    (3) 編寫一個DLL，實現(xiàn)驅(qū)動與界面的交互接口。DLL內(nèi)部實現(xiàn)打開設(shè)備驅(qū)動,調(diào)用DeviceIoControl發(fā)送命令等操作。在外部向應用層提供用于發(fā)送命令的接口函數(shù)。如分配DMA、寫入DMA首地址、使能數(shù)據(jù)收發(fā)等。
    (4) 應用程序調(diào)用DLL提供的接口函數(shù),實現(xiàn)對設(shè)備的控制。
    本文分析了一般PCI/PCI-E設(shè)備驅(qū)動的設(shè)計要求與設(shè)計方式，詳細介紹了重要例程的設(shè)計需求,重點分析了高速實時DMA傳輸系統(tǒng)的設(shè)計方法,給出了驅(qū)動設(shè)計的詳細步驟,最后介紹了控制程序的設(shè)計。提出的高速實時DMA傳輸系統(tǒng)的設(shè)計方法，實現(xiàn)了高速實時數(shù)據(jù)傳輸功能，解決了當基帶與PC機傳輸速率不一致時。經(jīng)常出現(xiàn)的數(shù)據(jù)丟失和無法高速傳輸?shù)膯栴}。
參考文獻
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