PCI設備Windows通用驅動(dòng)程序設計
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下面從這幾方面討論解決這些問(wèn)題的途徑：
(1)設備初始化
PCI設備驅動(dòng)程序要實(shí)現識別PCI器件、尋址PCI器件的資源和對PCI器件中斷的服務(wù)。PCI系統BIOS功能提供了BIOS的訪(fǎng)問(wèn)與控制的具體特征，所有軟件(設備驅動(dòng)程序、擴展ROM碼)將通過(guò)標準中斷號1AH調用BIOS功能訪(fǎng)問(wèn)特殊部件。PCI BIOS規范有完整的有關(guān)PCI BIOS功能的描述[3]。
在PCI設備驅動(dòng)程序的初始化過(guò)程中，利用指定器件識別號(device_id)、廠(chǎng)商識別號(vendor_id)、檢索號(index)搜索PCI器件，通過(guò)調用PCI BIOS確認其存在，并確定其物理位置：總線(xiàn)號、器件號和功能號，這是該器件/功能在系統中的唯一尋址標志。利用總線(xiàn)號、器件號和功能號可以尋址該器件/功能的PCI配置空間(configuration space)。
接下來(lái)，設備驅動(dòng)就需要從配置空間獲得硬件的參數。PCI設備的許多參數，包括所用的中斷號，端口地址的范圍(I/O)方式、存儲器的地址(存儲器映射方式)等，都可以從PCI配置空間的各基址所對應的尋址空間中得到。讀寫(xiě)配置空間可以調用BIOS中斷1AH，
也可以先向配置空間地址寄存器(0CF8H)寫(xiě)入總線(xiàn)和設備號(在前面搜索PCI器件時(shí)得到的)和寄存器號，再對配置空間數據寄存器(0CFCH)進(jìn)行讀寫(xiě)。對設備驅動(dòng)來(lái)說(shuō)，最重要的是獲得基址寄存器(BADR)，不能認為PCI器件資源總是設計設備時(shí)設置的初值，系統可能會(huì )根據硬件情況為PCI設備分配新的資源。我們所設計的PCI設備使用的基址1－3都是按I/O空間映射的，而基址4是按內存方式映射的。確定一個(gè)端口是按什么方式映射的，可以讀對應端口的配置寄存器(Configuration Register)。讀出后，判斷其0位，如果0位為數值0，表示其是按內存方式設置的，否則為I/O方式設置的。內存方式和I/O方式的配置寄存器的含義參見(jiàn)文獻[3]。如果要獲得基址的大小，可以向基址寄存器寫(xiě)入FFFFH，然后讀基址寄存器，如果是內存方式，從第4位開(kāi)始的0的數目表示基址的大小，如果是I/O方式，則從第2位開(kāi)始的0的數目表示基址的大小。
在Windows NT下，查找PCI設備的工作是由HalGetBusData完成的，也可以使用前述的辦法讀取配置寄存器，但DDK推薦使用HaiGetBusDataOffset函數。
(2)端口操作
在PC機上，I/O端口尋址空間和內存尋址空間是不同的，所以處理方法也不同。I/O空間是一個(gè)64K字節的尋址空間，它不象內存有實(shí)模式和保護模式之分，在各種模式下尋址方式相同。在Windows 9x下，用戶(hù)程序可以直接使用I/O指令，而不一定非通過(guò)專(zhuān)門(mén)的驅動(dòng)程序來(lái)完成，所以如果軟件對硬件的操作完全是通過(guò)I/O端口操作來(lái)完成的，甚至可以不用專(zhuān)門(mén)設計驅動(dòng)程序，直接由應用程序來(lái)完成對硬件的控制。由于PCI總線(xiàn)是32位的總線(xiàn)標準，在進(jìn)行I/O操作時(shí)通常要進(jìn)行雙字(DWORD)操作，而且以前大多數C/C++編譯軟件都沒(méi)有提供雙字的函數，所以需要構造雙字操作讀寫(xiě)函數inpd/outpd。
在Windows NT下，系統不允許處于優(yōu)先級3級的用戶(hù)程序和用戶(hù)模式驅動(dòng)程序直接使用I/O指令，如果使用了I/O指令將會(huì )導致特權指令意外(privileged instruction exception)。所以任何對I/O的操作都需要借助內核模式驅動(dòng)來(lái)完成。具體的做法有兩種：一是在驅動(dòng)程序中使用IoReportResourceUsage報告資源占用，然后使用READ_PORT_XXX、WRITE_PORT_XXX函數讀寫(xiě)，最后使用IoReportResourceUsage取消資源占用；另一種是驅動(dòng)程序修改NT的I/OPermissions Map (IOPM)，以使系統允許用戶(hù)程序對指定的I/O端口進(jìn)行操作，這時(shí)用戶(hù)程序采用通常的I/O指令進(jìn)行操作。后者的優(yōu)點(diǎn)是速度快、用戶(hù)程序設計簡(jiǎn)單，但犧牲了移植性，程序不能移植到非Intel的系統中，而且如果多個(gè)程序同時(shí)讀寫(xiě)同一端口容易導致沖突。
(3)內存的讀寫(xiě)
Windows工作在32位保護模式下，保護模式與實(shí)模式的根本區別在于CPU尋址方式上的不同，這也是Windows驅動(dòng)程序設計中需要著(zhù)重解決的問(wèn)題。Windows采用了分段、分頁(yè)機制(圖1)，這樣使應用程序產(chǎn)生一種錯覺(jué)，好象程序中可以使用非常大的物理存儲空間。這樣做最大的好處就是一個(gè)程序可以很容易地在物理內存容量不一樣的、配置范圍差別很大的計算機上運行，編程人員使用虛擬存儲器可以寫(xiě)出比任何實(shí)際配置的物理存儲器都大得多的程序。每個(gè)虛擬地址由16位的段選擇子和32位段偏移量組成。通過(guò)分段機制，系統由虛擬地址產(chǎn)生線(xiàn)性地址。再通過(guò)分頁(yè)機制，由線(xiàn)性地址產(chǎn)生物理地址。線(xiàn)性地址被分割成頁(yè)目錄(Page Directory)、頁(yè)表(Page Table)和頁(yè)偏移(Offset)三個(gè)部分。當建立一個(gè)新的Win32進(jìn)程時(shí)，操作系統會(huì )為它分配一塊內存，并建立它自己的頁(yè)目錄、頁(yè)表，頁(yè)目錄的地址也同時(shí)放入進(jìn)程的現場(chǎng)信息中。當計算一個(gè)地址時(shí)，系統首先從CPU控制器CR3中讀出頁(yè)目錄所在的地址，然后根據頁(yè)目錄得到頁(yè)表所在的地址，再根據頁(yè)表得到實(shí)際代碼/數據頁(yè)的頁(yè)幀，最后再根據頁(yè)偏移訪(fǎng)問(wèn)特定的單元。硬件設備讀寫(xiě)的是物理內存，但應用程序讀寫(xiě)的是虛擬地址，所以存在著(zhù)將物理內存地址映射到用戶(hù)程序線(xiàn)性地址的問(wèn)題。
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