PCI設備Windows通用驅動(dòng)程序設計

在設計和使用PCI設備時(shí)，經(jīng)常要在PC機的軟件中訪(fǎng)問(wèn)和控制硬件設備，但Windows操作系統(包括Windows 95/98、Windows NT、Windows 2000)為了保證系統的安全性、穩定性和可移植性，對應用程序訪(fǎng)問(wèn)硬件資源加以限制，這就要求設計設備驅動(dòng)程序以實(shí)現PC機的軟件對PCI設備的訪(fǎng)問(wèn)。
　　Windows下的驅動(dòng)程序不僅僅包括物理設備的驅動(dòng)程序，也包括為文件系統等非物理設備編寫(xiě)的虛擬設備驅動(dòng)程序。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，下面只討論硬件物理設備的驅動(dòng)程序。本文將以“通用高速PCI總線(xiàn)目標模塊”[1]的驅動(dòng)設計為例，探討PCI設備的驅動(dòng)程序設計方案。我們開(kāi)發(fā)了一套通用的PCI設備驅動(dòng)程序，它可以完成一般PCI設備驅動(dòng)所需的功能，可以作為其它PCI設備驅動(dòng)開(kāi)發(fā)的框架。
1 驅動(dòng)程序的模式和開(kāi)發(fā)工具的選擇
　　設備驅動(dòng)程序是指管理某個(gè)外圍設備的一段代碼。驅動(dòng)程序不會(huì )獨立地存在，而是操作系統的一部分。通過(guò)設備驅動(dòng)程序，多個(gè)進(jìn)程可以同時(shí)使用這些資源，從而可以實(shí)現多進(jìn)程并行運行。在下文中，將調用設備驅動(dòng)程序的PC機程序稱(chēng)為用戶(hù)程序。
　　Windows 95和Windows NT采用的驅動(dòng)程序體系不同，所以大多數情況下驅動(dòng)程序也不能通用。如果設備需要在Windows 9x/NT下使用，一般至少要設計Windows 9x和Windows NT兩個(gè)驅動(dòng)程序版本。Windows 98 可以兼容Windows 95的驅動(dòng)程序，同時(shí)它又推出一個(gè)新的Win32 Drivers Mode(WDM)驅動(dòng)類(lèi)型。Windows 98中有些設備(如USB設備)的驅動(dòng)程序必須為WDM模式。這個(gè)新的類(lèi)型實(shí)際是在Windows NT的驅動(dòng)模型的基礎上增加了即插即用等內容。WDM驅動(dòng)也可以用在Windows 2000(先前叫Windows NT 5.0)中。從長(cháng)遠的角度看。今后開(kāi)發(fā)人員只要開(kāi)發(fā)WDM驅動(dòng)就可以了，但從目前的市場(chǎng)情況來(lái)看，Windows 95是無(wú)法放棄的，所以WDM在近一兩年還無(wú)法替代其它類(lèi)型的設備驅動(dòng)。
　　Intel 80386以上的微處理器有4個(gè)優(yōu)先級別：0級、1級、2級和3級，一般操作系統運行于優(yōu)先級0級上，而用戶(hù)程序運行在3級上，在對硬件操作上有一些限制(具體的限制在不同的操作系統中是不同的)。Windows 95支持的驅動(dòng)類(lèi)型很多，但針對一般硬件設備而言，主要是VxD和打印機驅動(dòng)兩類(lèi)。VxD指的是Virtual Device Drivers。VxD運行在Intel系統的0級上，可以執行特權級指令，對任何I/O設備有全部訪(fǎng)問(wèn)權，所以大多數硬件驅動(dòng)程序都是VxD。VxD驅動(dòng)通常以.vxd為擴展名，放在WindowsSystem目錄下，可以在Windows 95啟動(dòng)時(shí)裝入，也可以在程序運行時(shí)根據需要動(dòng)態(tài)地載入。動(dòng)態(tài)加載有助于節約系統內存和資源。但打印機驅動(dòng)程序不是VxD，它運行在3級上。同Windows 95類(lèi)似，Windows NT的驅動(dòng)也有可以運行在0級的內核模式(Kernel Mode)和運行在3極的用戶(hù)模式(User Mode)之分。由于Windows NT禁止用戶(hù)模式的程序訪(fǎng)問(wèn)I/O端口(Windows 95/98則允許用戶(hù)程序直接訪(fǎng)問(wèn)I/O端口)，直接控制物理設備的驅動(dòng)程序都是內核模式的。而我們設計的PCI通用驅動(dòng)程序要求對各種硬件資源訪(fǎng)問(wèn)，所以應該選擇工作在0級的驅動(dòng)程序模式。
　　開(kāi)發(fā)設備驅動(dòng)采用的主要開(kāi)發(fā)工具是微軟為設備開(kāi)發(fā)者提供的軟件包Device Driver Kit(DDK)。這個(gè)軟件包包括有關(guān)設備開(kāi)發(fā)的文檔、編譯需要的頭文件和庫文件、調試工具和程序范例。在DDK中還定義了一些設備驅動(dòng)可以調用的系統底層服務(wù)，象DMA服務(wù)、中斷服務(wù)、內存管理服務(wù)、可安裝文件系統服務(wù)等等。這些都是編寫(xiě)設備驅動(dòng)所必須的。但Windows 95的DDK由于主要使用匯編語(yǔ)言描述。開(kāi)發(fā)起來(lái)比較困難。因此，我們在Windows 95操作系統中同時(shí)采用了Numega公司的產(chǎn)品VtoolsD。VtoolsD是基于C/C++的，支持Borland C++和Visual C++，使用和維護都較Windows 95 DDK容易。
2 PCI驅動(dòng)程序的特點(diǎn)
　　在設計驅動(dòng)程序之前，首先要對欲控制的硬件設備進(jìn)行細致地分析，更需要詳細了解硬件設備的特性。硬件設備的特性會(huì )對驅動(dòng)程序設計產(chǎn)生重大的影響。需要了解的最主要的硬件特性包括：
　　(1)設備的總線(xiàn)結構
　　設備采用什么總線(xiàn)結構非常關(guān)鍵，因為不同的總線(xiàn)類(lèi)型(如ISA和PCI)在許多硬件工作機制上是不同的，所以驅動(dòng)程序設計也不同。
　　(2)寄存器
　　要了解設置的控制寄存器、數據寄存器和狀態(tài)寄存器，以及這些寄存器工作的特性。
　　(3)設備錯誤和狀態(tài)
　　要了解如何判斷設備的狀態(tài)和錯誤信號，這些信號要通過(guò)驅動(dòng)程序返回給用戶(hù)。
　　(4)中斷行為
　　要了解設備產(chǎn)生中斷的條件和使用中斷的數量。
　　(5)數據傳輸機制
　　最常見(jiàn)的數據傳輸機制是通過(guò)I/O端口(port)，也就是通過(guò)CPU的IN/OUT指令進(jìn)行數據讀寫(xiě)。PC的另一種重要的傳輸機制是DMA，但PCI規范不包括從屬DMA的說(shuō)明。
　　(6)設備內存
　　許多設備自身帶有內存，PCI設備大多是采用映射的方式映射到PC系統的物理內存。有的設備還要通過(guò)驅動(dòng)程序設置設備的接口寄存器。
　　有關(guān)驅動(dòng)程序的加載和響應用戶(hù)請求的內容，在DDK文檔中有規定，所以設計設備驅動(dòng)程序主要的面臨問(wèn)題是如何進(jìn)行硬件操作，這是根據設備的不同而不同的。而硬件驅動(dòng)程序的功能雖然千差萬(wàn)別，但基本功能就是完成設備的初始化、對端口的讀寫(xiě)操作、中斷的設置、響應和調用以及對內存的直接讀寫(xiě)。如前面所說(shuō)，Windows 9x和Windows NT的操作系統模型不同，但驅動(dòng)程序所要完成的工作卻是相同的，所以下面以Windows 9x為主進(jìn)行介紹，僅在需要的地方指出兩個(gè)操作系統的不同。