PCI規(guī)范及其開(kāi)發(fā):PCI設(shè)備WINDOWS驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)

摘要：本文主要介紹了在Windows9x操作系統(tǒng)下開(kāi)發(fā)PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的方法。
關(guān)鍵詞：PCI設(shè)備 驅(qū)動(dòng)程序

PCI設(shè)備概述
近幾年來(lái)，隨著諸如圖形處理、圖像處理、三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)與外設(shè)通信需要處理的數(shù)據(jù)量迅速增加，基于ISA總線的通信方式已經(jīng)不能滿(mǎn)足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅琍CI局部總線的引用就是為了打破高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i。PCI總線的英文全稱(chēng)是：Peripheral Component Interconnect Special Interest Group,簡(jiǎn)稱(chēng)PCISIG，即外部器件互連。PCI是先進(jìn)的高性能局部總線，可同時(shí)支持多組外圍設(shè)備，具體表現(xiàn)在：
（1） 以33MHz的時(shí)鐘頻率操作，（2） 采用32位數(shù)據(jù)總線，（3） 數(shù)據(jù)傳送率可高達(dá)132MB/s；
（4） 支持突發(fā)傳輸，（5） 即總線主控設(shè)備（6） 發(fā)出地址之后，（7） 可以連續(xù)進(jìn)行多次數(shù)據(jù)傳送；
（8） 提供了配置空間，（9） 能夠支持即插即用；
（10） 支持3.3V電壓，（11） 有利于降低系統(tǒng)功耗。

為了減少開(kāi)發(fā)難度，縮短開(kāi)發(fā)周期，我們建議選擇專(zhuān)用芯片。根據(jù)硬件要實(shí)現(xiàn)的功能，選擇芯片。
以PLX公司的產(chǎn)品為例，PCI9052提供了5個(gè)局部地址存儲(chǔ)空間、支持中斷、支持從模式數(shù)據(jù)傳輸；PCI9054和PCI9080在PCI9052的基礎(chǔ)上又增加了主模式數(shù)據(jù)傳輸、兩個(gè)獨(dú)立的DMA通道和八個(gè)郵箱寄存器等功能。

驅(qū)動(dòng)程序的模式和開(kāi)發(fā)工具的選擇
以上是對(duì)PCI設(shè)備硬件方面的介紹，為了實(shí)現(xiàn)PCI設(shè)備與計(jì)算機(jī)的通信，還需要開(kāi)發(fā)PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序是用來(lái)管理系統(tǒng)資源的可執(zhí)行二進(jìn)制代碼，與操作系統(tǒng)擁有相同的級(jí)別，不同的操作系統(tǒng)支持不同類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)程序。目前在市場(chǎng)上比較流行的操作系統(tǒng)是Windows9x和WindowsNT這兩種系列。Windows9x包括Windows95、Windows98、WindowsME；WindowsNT包括WindowsNT4.0、Windows2000。Windows95支持VXD類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)程序，而WindowsNT支持WDM類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)程序，Windows98兼容Windows95的VXD驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)它又推出一個(gè)新的Win32 Drivers Mode (WDM)驅(qū)動(dòng)類(lèi)型。這個(gè)新的類(lèi)型實(shí)際是在Windows NT的驅(qū)動(dòng)模型的基礎(chǔ)上增加了即插即用等內(nèi)容。WDM驅(qū)動(dòng)也可以用在Windows 2000（先前叫Windows NT5.0）中。一個(gè)完善的驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)至少開(kāi)發(fā)Windows 9X和Windows NT兩個(gè)版本。目前，雖然Windows 2000非常流行，但由于Windows98仍占有相當(dāng)規(guī)模的市場(chǎng)，而且它又兼容Windows95的VXD驅(qū)動(dòng)程序，因此VXD驅(qū)動(dòng)程序仍然實(shí)用。本文只介紹基于Windows9x系統(tǒng)下VXD驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)。
VXD是虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的簡(jiǎn)稱(chēng)，x 代表各種設(shè)備的名字，如虛擬鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序(vkd)，虛擬鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)程序(vmd)等等。開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序需要對(duì)硬件進(jìn)行操作，由于Intel 80386以上的微處理器有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)第0級(jí)上，而用戶(hù)程序運(yùn)行在第3級(jí)上，Windows9x操作系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)硬件采取了屏蔽的策略，限制了運(yùn)行于第3級(jí)的應(yīng)用程序?qū)ο到y(tǒng)資源（如中斷控制器、內(nèi)存等）的操作。但VXD運(yùn)行在最高級(jí)特權(quán)級(jí)——第0級(jí)，擁有操作系統(tǒng)的特權(quán)，可以超越這些屏蔽，直接進(jìn)行系統(tǒng)硬件的操作。
開(kāi)發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)采用的主要開(kāi)發(fā)工具是微軟為設(shè)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(shè)備開(kāi)發(fā)的文檔、編譯需要的頭文件和庫(kù)文件、調(diào)試工具和程序范例。在DDK中還定義了一些設(shè)備驅(qū)動(dòng)可以調(diào)用的系統(tǒng)底層服務(wù)，如DMA服務(wù)、中斷服務(wù)、內(nèi)存管理服務(wù)、可安裝文件系統(tǒng)服務(wù)等等。這些都是編寫(xiě)設(shè)備驅(qū)動(dòng)所必須的。但由于Windows 95的DDK主要使用匯編語(yǔ)言描述，代碼可讀性不強(qiáng)，開(kāi)發(fā)起來(lái)比較困難。因此，我們?cè)赪indows 9x操作系統(tǒng)中采用了Numega公司的產(chǎn)品VtoolsD。VtoolsD是基于C/C++的，支持Borland C++和Visual C++，代碼可讀性強(qiáng)，使用和維護(hù)都較Windows DDK容易。

驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)
編寫(xiě)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的目的是使被驅(qū)動(dòng)的硬件可以管理系統(tǒng)資源，與PC機(jī)系統(tǒng)兼容，正常工作，通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，多個(gè)進(jìn)程可以同時(shí)使用這些資源（如內(nèi)存、I/O、中斷源等），實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程并行運(yùn)行。驅(qū)動(dòng)程序是針對(duì)具體硬件設(shè)計(jì)的，不同硬件有不同的驅(qū)動(dòng)程序，下面僅討論開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序幾個(gè)必要的通用的步驟。
1、PCI配置空間簡(jiǎn)介
每個(gè)PCI設(shè)備都有自己的配置空間，用于支持即插即用，使之滿(mǎn)足現(xiàn)行的系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)。下面對(duì)PCI配置空間做一下簡(jiǎn)要介紹。
配置空間是一容量為256字節(jié)并具有特定結(jié)構(gòu)的地址空間。這個(gè)空間又分為頭標(biāo)區(qū)和設(shè)備有關(guān)區(qū)兩部分。頭標(biāo)區(qū)的長(zhǎng)度是64字節(jié)，每個(gè)設(shè)備都必須配置該區(qū)的寄存器。該區(qū)中的各個(gè)字段用來(lái)唯一地識(shí)別設(shè)備。其余的192字節(jié)因設(shè)備而異。配置空間的頭標(biāo)區(qū)64個(gè)字節(jié)的使用情況如圖1示。
為了實(shí)現(xiàn)即插即用，系統(tǒng)可根據(jù)硬件資源的使用情況，為PCI設(shè)備分配新的資源。因此編寫(xiě)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序重點(diǎn)是獲得基址寄存器（Base Address）和中斷干線寄存器的內(nèi)容。配置空間共有六個(gè)基址寄存器和一個(gè)中斷干線寄存器，具體用法如下：
PCI Base Address 0寄存器：系統(tǒng)利用此寄存器為PCI接口芯片的配置寄存器分配一段PCI地址空間，通過(guò)這段地址我們可以以?xún)?nèi)存映射的形式訪問(wèn)PCI接口芯片的配置寄存器。
PCI Base Address 1寄存器：系統(tǒng)利用此寄存器為PCI接口芯片的配置寄存器分配一段PCI地址空間，通過(guò)這段地址我們可以以I/O的形式訪問(wèn)PCI接口芯片的配置寄存器。
PCI Base Address 2、3、4、5寄存器：系統(tǒng)BIOS利用這些寄存器分配PCI地址空間以支持PCI接口芯片的局部配置寄存器0、1、2、3的訪問(wèn)。
在所有基址寄存器中，第0位均為只讀位，表示這段地址映射到存儲(chǔ)器空間還是I/O空間，如果是“1”表示映射到I/O空間，如果是“0”則表示映射到存儲(chǔ)器空間。
中斷干線寄存器（Interrupt Line）：用于說(shuō)明中斷線的連接情況，這個(gè)寄存器的值與標(biāo)準(zhǔn)8259的IRQ編號(hào)（0~15）對(duì)應(yīng)。

設(shè)備識(shí)別號(hào) 供應(yīng)商識(shí)別號(hào)
狀態(tài)寄存器 命令寄存器
分類(lèi)代碼 修改版本
自測(cè)試 頭標(biāo)類(lèi)型 延時(shí)計(jì)數(shù) Cache
基址寄存器
保留
保留
擴(kuò)展ROM基址寄存器
保留
保留
Max-Lat Min-Gnt中斷引腳 中斷干線

圖1 配置空間頭標(biāo)區(qū)

2、設(shè)備初始化
PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序要完成識(shí)別PCI器件、分配PCI硬件資源、響應(yīng)PCI器件中斷等功能，這就需要訪問(wèn)PCI配置空間來(lái)獲得必需的參數(shù)。實(shí)現(xiàn)在Windows9x操作系統(tǒng)下訪問(wèn)PCI配置空間可以利用PCI系統(tǒng)BIOS功能調(diào)用，通過(guò)供應(yīng)商識(shí)別號(hào)（VendorID）和設(shè)備識(shí)別號(hào) （DeviceID）直接訪問(wèn)設(shè)備，也可以利用配置管理器（Configuration Manager）封裝的功能函數(shù)，根據(jù)供應(yīng)商識(shí)別號(hào)（VendorID）和設(shè)備識(shí)別號(hào) （DeviceID）搜索設(shè)備結(jié)點(diǎn)樹(shù)，查詢(xún)PCI設(shè)備。由于編寫(xiě)PCI系統(tǒng)BIOS功能調(diào)用程序更為簡(jiǎn)捷，所以本文采用這種方法。
PCI系統(tǒng)BIOS功能提供了BIOS的訪問(wèn)與控制的具體方法，所有軟件（設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、擴(kuò)展ROM碼）將通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)中斷號(hào)1AH調(diào)用BIOS功能訪問(wèn)特殊部件。在驅(qū)動(dòng)程序中調(diào)用VtoolsD系統(tǒng)服務(wù)Exec_VxD_Int（）來(lái)實(shí)現(xiàn)PCI系統(tǒng)BIOS的1AH中斷。
首先，通過(guò)PCI設(shè)備的供應(yīng)商識(shí)別號(hào)（VendorID）、 設(shè)備識(shí)別號(hào) （DeviceID）和索引號(hào)（Index）查找特定設(shè)備所在的總線號(hào)（Bus Num）、設(shè)備號(hào)（Device NUM）、功能號(hào)（Function Num）和寄存器號(hào)（Register Num）。總線號(hào)是從0到255的數(shù)值，在一個(gè)系統(tǒng)中，可把多達(dá)256條的PCI總線用橋連接在一起。由于編號(hào)是從0開(kāi)始的，所以當(dāng)系統(tǒng)有N條總線時(shí)，總線號(hào)會(huì)達(dá)到N-1；設(shè)備號(hào)是在0到31之間分配的任意值，并不拘于從0開(kāi)始按順序分配；功能號(hào)分配從0到7的值。代碼如下：

ALLREGS* pRegisters; // pRegisters是指向寄存器結(jié)構(gòu)體的指針
pRegisters->REAX =0xb102; // 0xb102是功能號(hào)
pRegisters->RECX =0x1001; // 假設(shè)Device ID=0x1001
pRegisters->REDX=0x102b; // 假設(shè)Vendor ID=0x102b
Exec_VxD_Int(0x1a,pRegisters); // 調(diào)用1AH中斷

返回值是pRegisters->REBX。BH寄存器是總線號(hào)，BL寄存器的高5位是設(shè)備號(hào)，低3位是功能號(hào)。
然后，向配置空間地址寄存器CF8h寫(xiě)入總線號(hào)、設(shè)備號(hào)、功能號(hào)、索引號(hào)， 從配置空間數(shù)據(jù)寄存器CFCh讀出配置空間的內(nèi)容。
配置空間地址寄存器（CF8h）格式如下：
Bit31 30-24 23-16 15-11 10-8 7-2 10
使能位 保 留 總線號(hào) 設(shè)備號(hào) 功能號(hào) 寄存器號(hào) 00
使能位為“1”表示允許訪問(wèn)
配置空間數(shù)據(jù)寄存器(CFCh)存放要讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)。
代碼如下：
DWORD d=0;
d=pRegisters->REBX;
(d<<=8)|=0x80000000;
for (short i=0;i<16;i++) // 讀取64字節(jié)配置空間
{
_outpd(0xcf8,d+4*i); // 按DWORD類(lèi)型一次讀取四個(gè)字節(jié)
dprintf("%8x",_inpd(0xcfc)); // 打印輸出
}
3、內(nèi)存的讀寫(xiě)
Winsows工作在32位保護(hù)模式下，保護(hù)模式與實(shí)模式的根本區(qū)別在于CPU尋址方式上的不同，這也是Windows驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)中需要著重解決的問(wèn)題。Windows采用了分段、分頁(yè)機(jī)制，這樣使應(yīng)用程序產(chǎn)生一種錯(cuò)覺(jué)，好象程序中可以使用非常大的物理存儲(chǔ)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(nèi)存容量不一樣的、配置范圍差別很大的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，編程人員使用虛擬存儲(chǔ)器可以寫(xiě)出比任何實(shí)際配置的物理存儲(chǔ)器都大得多的程序。每個(gè)虛擬地址由16位的段選擇字和32位段偏移量組成。通過(guò)分段機(jī)制，系統(tǒng)由虛擬地址產(chǎn)生線性地址。再通過(guò)分頁(yè)機(jī)制，由線性地址產(chǎn)生物理地址(如圖2)。線性地址被分割成頁(yè)目錄(Page Directory)、頁(yè)表(Page Table)和頁(yè)偏移(Offset)三個(gè)部分。當(dāng)建立一個(gè)新的Win32進(jìn)程時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)為它分配一塊內(nèi)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(xiàn)場(chǎng)信息中。當(dāng)計(jì)算一個(gè)地址時(shí)，系統(tǒng)首先從CPU控制器CR3中讀出頁(yè)目錄所在的地址，然后根據(jù)頁(yè)目錄得到頁(yè)表所在的地址，再根據(jù)頁(yè)表得到實(shí)際代碼／數(shù)據(jù)頁(yè)的頁(yè)幀，最后再根據(jù)頁(yè)偏移訪問(wèn)特定的單元。硬件設(shè)備讀寫(xiě)的是物理內(nèi)存，但應(yīng)用程序讀寫(xiě)的是虛擬地址，所以存在著將物理內(nèi)存地址映射到用戶(hù)程序線性地址的問(wèn)題。
15 0 31 0 31 0 31 0
圖2 虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址
從物理地址到線性地址的轉(zhuǎn)換工作是由驅(qū)動(dòng)程序來(lái)完成的。驅(qū)動(dòng)程序的內(nèi)存映射部分主要是調(diào)用VxD的系統(tǒng)服務(wù)MapPhysToLinear。在VtoolsD中這個(gè)函數(shù)的定義如下：
PVOID MapPhysToLineag(CONST VOID * PhysAddr,DWORD nBytes,DWORD Flags);
其中第一個(gè)參數(shù)PhysAddr就是要映射的內(nèi)存的物理地址的起始位置，這個(gè)物理地址可以從PCI配置空間的基址寄存器中獲得，nBytes是內(nèi)存區(qū)域的長(zhǎng)度，F(xiàn)lags必須設(shè)置為0。這個(gè)函數(shù)返回的就是這段物理地址映射的線性?xún)?nèi)存地址。如果指定的內(nèi)存不能存取，函數(shù)將返回FFFFFFFFH。
如：PDWORD pBase = (PDWORD)MapPhysToLinear((PVOID)PhysAddress,PhysSize,0);
將pBase傳遞給調(diào)用驅(qū)動(dòng)的用戶(hù)程序，用戶(hù)程序就可以像使用指針一樣利用pBase訪問(wèn)內(nèi)存。
4、I/O端口的操作
在PC機(jī)上，I/O尋址方式與內(nèi)存尋址方式不同，所以處理方法也不同。I/O空間是一個(gè)64K字節(jié)的尋址空間，I/O尋址沒(méi)有實(shí)模式與保護(hù)模式之分，在各種模式下尋址方式相同。在Windows9x系統(tǒng)下，運(yùn)行于第3級(jí)的應(yīng)用程序也可以直接使用I/O指令訪問(wèn)I/O空間。在設(shè)備初始化訪問(wèn)配置空間時(shí)，已用到了I/O指令，在對(duì)硬件進(jìn)行配置時(shí)，也可以根據(jù)從配置空間基址寄存器PCI Base Address 1中返回的I/O端口基地址使用I/O指令。
5、響應(yīng)中斷
VTOOLSD提供了VHardwareInt類(lèi)，虛擬IRQ，處理硬件中斷。在Windows9x中，VPICD虛擬了物理可編程中斷控制器的端口，從而可以控制物理中斷控制器。虛擬IRQ的編程思路：首先從VHardwareInt類(lèi)中派生出一個(gè)類(lèi)，重載OnHardwareInt函數(shù)；然后，動(dòng)態(tài)創(chuàng)建一個(gè)派生類(lèi)對(duì)象實(shí)例；最后鉤掛處理程序，這就是需要編寫(xiě)的中斷服務(wù)程序。（關(guān)于VHardwareInt類(lèi)可參考VTOOLSD）
四、驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)用和封裝
編寫(xiě)設(shè)備驅(qū)動(dòng)并不是最終的目的，需要由用戶(hù)程序來(lái)調(diào)用驅(qū)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)一定的功能。一般調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)是使用CreateFile函數(shù)打開(kāi)設(shè)備文件，得到一個(gè)文件句柄。使用如下的語(yǔ)句就可以打開(kāi)文件。
HANDLE hVxD=CreateFile("\\\\.\\PCIDEVICE.VXD",0,0,0, OPEN_EXISTING,
FILE_FLAG_DELETE_ON_CLOSE,
0);
打開(kāi)設(shè)備文件后，調(diào)用DeviceIoControl函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的通信。完成硬件操作之后，可以調(diào)用函數(shù)CloseHandle(hVxD)；關(guān)閉設(shè)備驅(qū)動(dòng)。（關(guān)于這三個(gè)函數(shù)的詳細(xì)說(shuō)明請(qǐng)參考MSDN）
至此，我們完成了對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的初步設(shè)計(jì)，考慮到有的函數(shù)（如DeviceIoControl）調(diào)用起來(lái)非常復(fù)雜，為了提高程序的通用性，要對(duì)部分函數(shù)進(jìn)行封裝。因?yàn)閯?dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLL）可以在多數(shù)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)中調(diào)用，所以常用DLL封裝形式。另外需要注意的是由于驅(qū)動(dòng)程序具有與操作系統(tǒng)相同的特權(quán)，并且直接操作硬件，如果程序工作不穩(wěn)定，會(huì)造成死機(jī)甚至系統(tǒng)崩潰，所以要對(duì)驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行全面細(xì)致的測(cè)試。
參考文獻(xiàn)
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