ISA數據采集卡的WDM驅動(dòng)程序實(shí)現

摘要：ISA設計在WINOWS新的驅動(dòng)程序模型WDM（WINDOWS DRIVER MODEL）中沒(méi)有獲得很好的支持，使用WDM實(shí)現需要一些特殊處理。主要討論老式ISA設備的WDM驅動(dòng)程序的設計與實(shí)現。

關(guān)鍵詞：Windows驅動(dòng)程序模型（WDM） 工業(yè)標準結構（ISA） 數據采集

WDM作為微軟為WINDOWS 2000及以后版本準備的新驅動(dòng)模型，它可以在WINDOWS 98及以后的操作系統上共享。這種具有跨平臺性的設備驅動(dòng)模型可以大大簡(jiǎn)化驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)工作。WDM支持PNP（即插即用），為用戶(hù)的PNP設備驅動(dòng)完成了大量的底層工作。這也使得WDM對各種老設備，特別是那些不具有即插即用特性硬件的支持明顯的不足。在科研和工控中，最常用的數據采集卡通常都是基于PC總線(xiàn)的不能為PNP提供硬件支持的ISA設備。為這類(lèi)硬件編寫(xiě)非WDM驅動(dòng)程序只能局部支持PNP特性，而且需要做大量額外的工作如：必須檢測硬件，為硬件創(chuàng )建設備對象（用于代表硬件），配置并初始化硬件使其正常工作，這些工作非常復雜。利用WDM可以避免這些麻煩。

1 WDM的結構

WDM實(shí)際上是一個(gè)編寫(xiě)驅動(dòng)程序的規范。其驅動(dòng)程序結構的特點(diǎn)和WINDOWS程序設計的消息驅動(dòng)機制很相像，采用IRP驅動(dòng)機制。WINDOWS 98和WINDOWS 2000處理IRP的方式一樣，本質(zhì)卻完全不同。

WINDOWS 2000主要由I/O管理器來(lái)管理驅動(dòng)程序的行為，管理的方法就是給驅動(dòng)程序發(fā)送各種IRP，同時(shí)I/O管理器還負責傳遞這個(gè)設備的用戶(hù)請求給驅動(dòng)程序。驅動(dòng)程序不能直接操作硬件設備，而是通過(guò)一個(gè)叫做HAL（硬件設備抽象層）的層來(lái)訪(fǎng)問(wèn)底層設備。HAL完成對各種硬件差異的屏蔽。Windows 98內核與Windows 2000內核有很大的差別。Windows 98操作系統的內核稱(chēng)為虛擬機管理器（VMM）。虛擬設備驅動(dòng)程序（VxD）則使設備虛擬化，從而與虛擬機管理器形成虛擬機。Windows 9x的內核不支持IRP，它通過(guò)模擬的方法支持WDM和IRP。Windows 98包含了NTKERN.VXD（VMM32.VXD）系統模塊，該模塊含有大量Windows NT內核支持函數的Windows實(shí)現。NTKERN.VXD使用與Windows 2000相同的方式創(chuàng )建IRP并發(fā)送IRP到WDM驅動(dòng)程序。也就是說(shuō)，Windows 98是使用VxD技術(shù)實(shí)現WDM的。盡管Windows 98和Windows 2000的內核完全不同，但是WDM的結構在Windows 98和2000下可以認為是完全相同的。

WDM驅動(dòng)程序面對的主要內容是一系列內核驅動(dòng)對象。這些對象包括驅動(dòng)對象、設備對象，還有一系列的資源抽象對象如中斷對象、適配器對象（處理DMA操作）、內核模式派發(fā)器對象、控制器對象、推遲過(guò)程對象、定時(shí)器對象、設備隊列對象、回調對象等。其中驅動(dòng)對象由I/O管理器負責創(chuàng )建和管理。設備對象代表用戶(hù)需要操作的物理或者是邏輯設備。設備對象負責管理自己設備所需要的各種資源對象。這些資源對象有的代表真正的物理設備如中斷對象、適配器對象、定時(shí)器對象；有的對象則是邏輯對象，它們是操作系統實(shí)現自己的特性所必需的，如推遲過(guò)程調用就是與操作系統的搶占式多任務(wù)的實(shí)現有關(guān)。WDM驅動(dòng)程序利用IRP和這些對象完成硬件設備的抽象化，并對應用程序提供統一操作接口。這就是所謂的WDM規范。

WDM驅動(dòng)程序的結構很簡(jiǎn)單。它的主體是一個(gè)入口函數DriverEntry。DriverEntry的第一個(gè)參數是指針，指向一個(gè)剛被初始化的驅動(dòng)程序對象，該對象代表驅動(dòng)程序。WDM驅動(dòng)程序的DriverEntry例程完成這個(gè)對象的初始化并返回。WDM驅動(dòng)程序的DriverEntry例程的主要工作是把各種函數指針填入驅動(dòng)程序對象。這些指針對操作系統指明了驅動(dòng)程序容器中各種子例程的位置。它包括下面這些指針成員：

·DriverUnload指向驅動(dòng)程序的清除例程。I/O管理器會(huì )在卸載驅動(dòng)程序前調用該例程。通常WDM驅動(dòng)程序的DriverEntry例程一般不分配任何資源，所以DriverUnload例程也沒(méi)有什么清除工作要做。

·DriverExtension->AddDevice指向驅動(dòng)程序的AddDevice函數。AddDevice函數是WDM驅動(dòng)程序的一個(gè)特殊函數，PNP管理器為每個(gè)設備實(shí)例調用該函數。它創(chuàng )建一個(gè)設備對象并把它連接到該驅動(dòng)程序的設備堆棧中。在這個(gè)函數里，設備對象被創(chuàng )建，設備需要的中斷、DMA等資源被掛接到這個(gè)設備對象上，相應地處理函數，如中斷服務(wù)例程等也被指定。

·DriverStartIo，如果驅動(dòng)程序使用標準的串行IRP，則必須使用這個(gè)函數，使它指向驅動(dòng)程序的StarIo例程。

·MajorFunction是一個(gè)指針數組，它主要處理各種用戶(hù)的I/O請求IRP。默認情總況下，用戶(hù)的所有I/O請求都會(huì )由I/O管理器返回失敗。驅動(dòng)程序為要處理的IRP指定相應的派遣函數。

此外，還有一些重要的例程如用于處理中斷操作中斷服務(wù)例程，為了提高系統中斷處理效率的中斷服務(wù)推遲調用例程等。

驅動(dòng)程序的其余部分就是前面所指定的那些例程的實(shí)現。

2 為ISA設備分配資源

雖然WDM驅動(dòng)程序可以簡(jiǎn)化很多工作，但是給ISA設備編寫(xiě)WDM驅動(dòng)程序也有困難。這個(gè)困難是ISA設備所需資源的分配問(wèn)題。根據PNP的規范，支持PNP的設備如PCI總線(xiàn)設備有相應的寄存器標識自己和自己可以接受的資源，如中斷、端口范圍、內存范圍等，并且有相應的邏輯支持配置資源。這使得操作系統啟動(dòng)過(guò)程中可以動(dòng)態(tài)地規劃調整各個(gè)設備的資源而不需要用戶(hù)的干預。為了使ISA設備具有這種PNP的特性， 可以通過(guò)PNP管理器和INF文件完成ISA設備的自動(dòng)資源分配。PNP管理器（PNP AMNAGER）依賴(lài)INF文件完成PNP管理。INF文件為設備、設備驅動(dòng)程序、操作系統的安裝過(guò)程提供信息（包括PNP MANAGER）。為了兼容非PNP設備，INF文件支持幾個(gè)命令為設備分配資源。這些信息初提供給NPN管理器，并且被PNP管理器用來(lái)與系統其它部分協(xié)商以完成非PNP設備的自動(dòng)資源分配。LOGCONFIG為設備制定一個(gè)可選的資源設定。還有相應的IRQCONFIG、IOCONFIG、DMACONFIG、MEMCONFIG子命令，它們?yōu)樵O備指定具體的可選資源。語(yǔ)法如下：

[log-config-section-name>]

ConfigPririty=priority-value>

[DMAConfig=dma-list>]

[IOConfig=io-range-list]

[IRQConfig=irq-list>]

[MemConfig=mem-range-list>]

其中CONFIGPRIOITY命令指定這個(gè)LOGCONFIG項的優(yōu)先級。其余子命令表示設備選用的硬件資源。下面是一個(gè)例子：

[CX2590.Install]

……；其它命令

LogConfig=CX2590_DMA；指定配置項的名稱(chēng)

[CX2590_DMA]；配置項的名稱(chēng)

ConfigPriority=NORMAL；配置的優(yōu)先級

IOConfig=4@300-3ff%3ff(3ff::)；指定IO范圍

IRQConfig=4，5，9，10，11 ；指定可選的中斷

DMAConfig=0，1，2，3 ；指定可選的DMA

在INF文件中加入LOGCONFIG命令可以解決ISA總線(xiàn)設備資源的自動(dòng)分配問(wèn)題，就可以為ISA總線(xiàn)設備編寫(xiě)WDM驅動(dòng)程序。

3 一個(gè)ISA設備WDM驅動(dòng)程序的實(shí)現

使用Numega公司的開(kāi)發(fā)工具DriverStudio 2.01可以大大地簡(jiǎn)化驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程。DriverStudio開(kāi)發(fā)通用內核模式的開(kāi)發(fā)包是DriverWorks。DriverWorks是一個(gè)面向對象的工具包。它封裝了比較底層的繁復操作，提供給開(kāi)發(fā)者一個(gè)簡(jiǎn)潔的界面。同時(shí)，DriverWorks和Visual C++有很多的接口：DriverWorks專(zhuān)門(mén)為Visual C++提供了一個(gè)專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)WDM驅動(dòng)程序的WIZARD。在WIZARD指導下，開(kāi)發(fā)者可以很容易地生成一個(gè)驅動(dòng)程序的框架。開(kāi)發(fā)者要作的工作就是根據特定硬件編寫(xiě)相應的代碼。

WIZARD生成的框架不僅包括設定設備的資源如中斷、IO端口范圍、內存范圍；還包括自動(dòng)生成驅動(dòng)程序與應用程序的接口命令及處理這些命令的處理函數，生成標準驅動(dòng)程序的標準驅動(dòng)程序例程；包括DriverEntry驅動(dòng)程序入口例程、UnLoad卸載例程、Dispach標準派發(fā)器例程、StartIO標準I/O傳輸例程、中斷處理例程等。對于WDM驅動(dòng)程序，包括生成驅動(dòng)程序接口（WDM專(zhuān)有），設備的符號連接，I/O傳輸方式以及WDM電源管理和處理PNP請求的IRP處理子程序。WIZARD完成后的代碼主要包括兩類(lèi)，一類(lèi)是驅動(dòng)對象，它構成一個(gè)驅動(dòng)程序的框架；另一類(lèi)是驅動(dòng)程序的設備對象。驅動(dòng)程序對象負責創(chuàng )建并管理驅動(dòng)程序設備對象。設備對象負責管理硬件的各種資源如I/O、IRQ、DMA。它還負責處理各種IRP的例程。設備對象是系統所有I/O操作的基石，一個(gè)驅動(dòng)程序必須有一個(gè)或一個(gè)以上的設備對象才真正有意義。驅動(dòng)對象和設備對象的關(guān)系很象WINDOWS系統中進(jìn)程和線(xiàn)程的關(guān)系：進(jìn)程是可執行代碼（就是線(xiàn)程）的框架。如果說(shuō)驅動(dòng)對象是WINDOWS中的進(jìn)程，那么設備對象就像進(jìn)程中的線(xiàn)程，它們完成實(shí)現的I/O操作。設備對象使用保護成員變量來(lái)管理設備的資源，使用成員函數來(lái)處理各種IRP請求，并由這些函數完成實(shí)現的I/O操作。

筆者開(kāi)發(fā)的高速旋轉機械監控與故障診斷系統采用的是北京大恒公司的具有FIFO（隊列形式實(shí)現的緩存）的8路數據采集卡AC 1810。它的特點(diǎn)是由硬件自動(dòng)完成采用操作：當FIFO半滿(mǎn)的時(shí)候，系統產(chǎn)生中斷通知用戶(hù)取走數據；同時(shí)，硬件繼續自動(dòng)采樣FIFO的另一關(guān)。驅動(dòng)程序的主要工作包括設備I/O讀操作和中斷服務(wù)操作。下面是WIZARD生成的驅動(dòng)對換和設備對象的定義（只取主要部分）：

// 驅動(dòng)對象

class AC_1810 : public Kdriver

{

SAFE_DESTRUCTORS

public:

virtual NTSTATUS

DriverEntry(PUNICOE-STRING

RegistryPath);

//驅動(dòng)程序的入口函數

virtual NTSTATUS

AddDevice(PDEVICE_OBJECT Pdo)；

//完成設備對象和驅動(dòng)對象的連接

……

};

//設備對象

class AC_1810Device : public KpnpDevice

{

// Constructors

public;

AC-1810Device(PDEVICE_OBJECT Pdo,

ULONG Unit)；//構造函數完成資源配置

……

public:

AC_1810Device(PDEVICE_OBJECT Pdo,

ULONG Unit)；//構造函數完成資源配置

……

public:

BOOLEAN Isr_Irq(void)；// IRQ中斷服務(wù)例程

Virtual NTSTATUS Create(KIrp I);

//標準IRP處理函數

virtual NTSTATUS Close(KIrp I)；

// COMMENT_ONLY

virtual NTSTATUS Read(KIrp I)；

// COMMENT_ONLY

virtual VOID StarIo(KIrp I);

// 開(kāi)始I/O傳輸

VOID CancelQueuedIrp(KIrp I)；

// 判斷傳輸IPR是否被取消

VOID Invalidate(void)；

// 釋放資源例程

virtual NTSTATUS DefaultPnp(KIrp I)；

// 處理默認的PNP操作

virtual NTSTATUS DefaultPower(KIrp I)；

// 管理電源

void SerialRead(KIrp I);

//完成實(shí)際的I/O操作

NTSTATUS IOCTL_SETUP_Handler(KIrp I);

//采樣參數設定

NTSTATUS IOCTL_REW_Handler(KIrp I);

// 開(kāi)始/停止采樣

……

protected:

KioRange m_IoPotrRange0

// 管理I/O資源

Kinterrupt m_Irq；

// 管理中斷資源

……

};

在實(shí)際操作過(guò)程中，采用中斷讀數的方法。在驅動(dòng)程序中設置了兩個(gè)緩沖區，一個(gè)前臺緩沖區，一個(gè)后臺緩沖區（用作后備緩沖區），系統總是先使用前臺緩沖區。當前臺緩沖區已滿(mǎn)而仍然未被讀出，系統觸發(fā)中斷時(shí)，此時(shí)使用后臺緩沖區。讀數的方法很簡(jiǎn)單，系統先讀前臺緩沖區的數據，只有當前臺緩沖區未滿(mǎn)而后臺緩沖區滿(mǎn)的時(shí)候才讀后臺緩沖區。這樣可以保證采樣數據序列的時(shí)間順序。

具體實(shí)現如下：

// ISR例程，完成數據從FIFO中讀出

BOOLEAN AC_1810Device::Isr_Irq(void)

{

//是否觸發(fā)不斷？未觸發(fā)則返回，判斷兩個(gè)緩沖區情況，都滿(mǎn)則返回

……

// 前臺緩沖區未滿(mǎn)，使用前臺緩沖區

if(m_pBuffer->numused MAX_READ_BUF){

for(int i=0;iBLOCK_SIZE;i++){

m_pBuffer_>buff[m_pBuffer->numused+i]=READ_FIFO;

}

m_pBuffer->numused +=BLOCK_SIZE;

}

else

//完成其它情況的判斷

……

return TRUE;// 中斷成功返回

}

當應用程序使用標準Win32 API對設備進(jìn)行讀操作的時(shí)候，I/O管理器通知驅動(dòng)程序并觸發(fā)對Read函數的調用。對于通常的串行設備，在Read函數的最后排隊I(yíng)RP請求，此時(shí)系統就可以觸發(fā)StartIO例程，并且保證這個(gè)過(guò)程是串行處理的。

// 讀例程，處理IRP_MJ_READ

NTSTATUS AC_1810 Device::Read(KIrp I)

{

// 檢查輸入的合法性

if (I.ReadSize ()BLOCK_SIZE){

// 不合法返回錯誤代碼

I.Information()=0;

Return I.PnpComplete(this,STATUS_INVALID_PARAMETER);

}

// 讀0字節，永遠成功

if (I.ReadSize() = =0){

I.Information () = 0;

return

I.PnpComplete(this,STATUS_SUCCESS);

}

// 排隊這個(gè)IRP觸發(fā)StarIO,完成數據傳輸

return QueueIrp(I,LinkTo(CancelQueuedIrp));

}

// StartIo例程，完成I/O操作

VOID AC_1810 Device::StartIo(KIrp I)

{

// 檢測這個(gè)IRP是否被取消

if(!I.TestAndSetCancelRoutine(LinkTo(CancelQueuedIrp),NULL,CurrentIrp()) )

{

return;//取消則返回

}

switch (I.MajorFunction()) {

case IRP_MJ_READ:

//這個(gè)函數按邏輯完成讀操作

SerialRead(I);

Breadk

……

// 開(kāi)始處理下一個(gè)IRP

PnpNextIrp(I);

break;

}

}

ISA卡的WDM驅動(dòng)程序的主體部分就完成了。它具有PNP功能，可以方便地安裝卸載。在中斷到來(lái)的時(shí)候，系統使用兩個(gè)緩沖區完成數據的傳輸，可以避免數據丟失。

以上驅動(dòng)程序是使用Numega公司的DriverSutdio 2.01版,結合Visual C++ 6.0，Microsoft Windows 2000 sp1 DDk開(kāi)發(fā)調試通過(guò)，并且成功地應用到實(shí)驗室開(kāi)發(fā)的高速旋轉機械實(shí)時(shí)狀態(tài)監控與故障診斷系統中，該系統界面友好高度可靠。同時(shí)由于加入了PNP的支持，使得該系統的硬件安裝卸載非常簡(jiǎn)便。這種技術(shù)可取代傳統的以DOS為核心的工業(yè)用監控與故障診斷系統，具有廣闊的應用前景。