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13.4??PCI卡的驅動程序設計
13.4.1??WDM驅動程序模型
設計完成的信號采集設備在插入計算機后，在對其進行控制之前，需要編寫基于操作系統(tǒng)平臺上的驅動程序。設備驅動程序是一個包含了許多操作系統(tǒng)可調用例程的容器，這些例程可以使硬件設備執(zhí)行相應的動作，它是硬件與上層軟件之間溝通的橋梁。
在本案例中，我們針對最常使用的操作系統(tǒng)Windows?98/2000/XP系統(tǒng)，使用了WDM（Windows?Driver?Model）驅動程序模型進行程序開發(fā)。
WDM模型是從WinNT?3.51和WinNT?4的內核模式設備驅動程序發(fā)展而來的。WDM主要的變化是增加了對即插即用、電源管理、Windows?Management?Interface(WMI)、設備接口的支持。WDM模型的主要目標是實現(xiàn)能夠跨平臺使用、更安全、更靈活、編制更簡單的Windows設備驅動程序。
WDM采用了“基于對象”的技術，建立了一個分層的驅動程序結構。通過WDM模型的引入，可以減輕設備驅動程序的開發(fā)難度和周期，逐漸規(guī)范設備驅動程序的開發(fā)，應該說，WDM是當前基于Windows平臺的設備驅動程序的主流。
WDM模型主要采用分層的方法，模仿面向對象的技術，先進行邏輯上的“分層”，然后將標準的實現(xiàn)和低層細節(jié)“封裝”起來，形成“基類”，客戶程序通過“繼承”的方式來擴展“基類”的功能，完成所需要的實現(xiàn)。
13.4.2??設備和驅動程序的層次結構
在WDM模型中，每個硬件設備至少有兩個驅動程序：一個功能驅動程序（function?driver）和一個總線驅動程序（bus?driver）。
如圖13.14所示為WDM中設備對象和驅動程序的層次結構。
圖13.14??WDM中設備對象和驅動程序的層次結構
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1．過濾驅動程序
過濾驅動程序是一個可選項，當一個用戶需要改變或新添一些功能到一個設備、一類設備或一種總線時，就可以編寫一個過濾驅動程序。在設備棧里，過濾驅動程序安裝在一個或幾個設備驅動程序的上面或下面。
過濾驅動程序攔截對具體設備、類設備、總線的請求，做相應的處理，以改變設備的行為或添加新的功能。但過濾驅動程序只處理那些它所關心的I/O請求，對于其他的請求可以交給其他的驅動程序來處理，這樣可以非常靈活地改變設備的行為。
2．功能驅動程序
功能驅動程序是物理設備的主要驅動程序，它實現(xiàn)設備的具體功能，一般由設備的生產(chǎn)商來編寫。功能驅動程序的主要功能是：提供對設備的操作接口、操作對設備的讀寫、管理設備的電源策略等。
功能驅動程序由類驅動程序和微型驅動程序組成。類驅動程序實現(xiàn)了某一類設備的常用操作，驅動程序的開發(fā)者可以只編寫非常小的微型驅動程序，去處理具體設備特殊的操作，而對于其他大量的常規(guī)操作，可以調用該類的類驅動程序，這也是WDM驅動程序的優(yōu)點之一。
微軟公司提供的類驅動程序處理常用的系統(tǒng)任務，比如，即插即用功能和電源管理。類驅動程序保證了操作系統(tǒng)在處理類似的任務時的一致性，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。?
設備生產(chǎn)商提供微型驅動程序，以實現(xiàn)自己設備的特殊功能，同時調用合適的類驅動程序完成其他的通用工作。將大量的標準操作的代碼通過各種類驅動程序來實現(xiàn)，并集成在操作系統(tǒng)中，這樣的方式可以有效地減少具體設備的微型驅動程序的大小，也就減小了程序出錯的可能。
如果某一類設備存在著工業(yè)標準，微軟公司就會提供一個該類設備的WDM類驅動程序。這個類驅動程序實現(xiàn)了該類設備所有必須的任務，但不實現(xiàn)任何具體設備所特有的東西。
3．總線驅動程序
總線驅動程序為實際的I/O總線服務。在WDM的定義中，總線是用來連接其他的物理的、邏輯的、虛擬的設備?？偩€包括傳統(tǒng)的總線SCSI和PCI，也包括并口、串口以及i8042端口。微軟公司已經(jīng)為Windows操作系統(tǒng)提供了總線驅動程序?？偩€驅動程序已經(jīng)包含在操作系統(tǒng)里了，用戶不必安裝。
一個總線驅動程序負責以下的工作：枚舉總線上的設備，向操作系統(tǒng)報告總線上的動態(tài)事件，響應即插即用和電源管理的I/O請求，提供總線的多路存取，管理總線上的設備等。
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13.4.3??PCI設備驅動程序例程
PCI設備的WDM驅動程序一般需要使用Windows?DDK（Drivers?Develop?Kits）及C語言進行開發(fā)。下面介紹一些PCI設備最常見的例程，這些例程將告訴我們如何對PCI設備進行控制。
1．DriverEntry例程
每個WDM驅動程序，不管它的用途是什么，都要對外界顯示一個名字為DriverEntry的例程。該例程初始化各種驅動程序數(shù)據(jù)結構，并為所有其他驅動程序組件準備好執(zhí)行環(huán)境。主要的工作是在傳遞的DriverObject中存儲一系列的回調例程指針。DRIVER_OBJECT結構有操作系統(tǒng)用于存儲與驅動程序有關的任何信息。
在DriverEntry例程中通常要完成如下步驟。
·??DriverEntry?找到它將要控制的硬件。那個硬件是經(jīng)過分配的，即被標志為由該驅動程序控制。
·??通過聲明另一個驅動程序入口點，初始化驅動程序對象。通過把函數(shù)指針直接保存到驅動程序對象中完成聲明工作。
·??如果成功，DriverEntry應該把STATUS_SUCCESS返回給I/O管理程序。
DriverEntry的函數(shù)原型為：
NTSTATUS?DriverEntry?(
PDRIVER_OBJECT?pDriverObject,?
PUNICODE_STRING?pRegistryPath
)
它接收一個指向它本身的驅動程序對象的指針，DriverEntry例程必須對它（指針）初始化。它還接收一個UNICODE_STRING，它包含注冊表中驅動程序服務鍵的路徑。內核模式驅動程序根據(jù)該字符串從系統(tǒng)注冊表中提取任何驅動程序專有的參數(shù)。注冊表字符串采用如下形式：
HKEY_LOCAL_MACHINESystemCurrentControlSetServicesDriverName
下面是驅動程序的DriverEntry例程的部分代碼，里面定義了將要用到的回調函數(shù)。
NTSTATUS?DriverEntry?(
????PDRIVER_OBJECT???pDriverObject,
????PUNICODE_STRING???pRegistryPath
????)
{ …
????//?回調函數(shù)
????pDriverObject->DriverUnload????????????????????????? =?DriverUnload;
????pDriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CREATE]????????? =Dispatch_Create;
????pDriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CLOSE]????????? =Dispatch_Close;
????pDriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_READ]??????????? =Dispatch_Read;
????pDriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_WRITE]?????????? =Dispatch_Write;
????pDriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CLEANUP]??????? =Dispatch_Cleanup;
????pDriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_DEVICE_CONTROL]?
???????????????????????????????? ??=Dispatch_IoControl;
????pDriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_PNP]????????????? =?Dispatch_Pnp;
????pDriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_POWER]?????????? =Dispatch_Power;
????pDriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_SYSTEM_CONTROL]
? ??=Dispatch_System?? ????????????Control;
????pDriverObject->DriverExtension->AddDevice????????? ??=?AddDevice;
????…
????return?STATUS_SUCCESS;
}
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2．AddDevice例程
大多數(shù)的WDM?PDO?都是在PnP管理器調用該程序入口點時被創(chuàng)建的。插入新設備后，系統(tǒng)啟動時，總線枚舉器會發(fā)現(xiàn)總線上的所有設備會自動尋找并安裝設備的驅動程序，并由驅動程序中的處理PnP功能模塊自動處理AddDevice例程及其他的PnP消息。
AddDevice例程使用IoCreateDevice函數(shù)創(chuàng)建設備對象，再使用IoCreateSymbolicLink函數(shù)將設備組成為一個特定的設備接口，供Win32使用。
其函數(shù)原型為：
NTSTATUS?AddDevice?(PDRIVER_OBJECT?pDriverObject,?PDEVICE_OBJECT?pdo)
必須在DriverEntry入口函數(shù)中進行聲明，下面是該函數(shù)的部分代碼：
NTSTATUS?AddDevice?(
????PDRIVER_OBJECT?pDriverObject,
????PDEVICE_OBJECT?pdo
????)
{…
????//?建立設備名稱并創(chuàng)建它
????for?(i=0;?i?<?20;?i++)
????{
????//轉成String格式
????????Swprintf?(DeviceName,?L"\Device\"?PLX_DRIVER_NAME_UNICODE?L"-%d",?i);
????//初始化DeviceName_Unicode
????????RtlInitUnicodeString?(&DeviceName_Unicode,?DeviceName);
????//?創(chuàng)建設備
????????status?=?IoCreateDevice(
????????????????pDriverObject,
????????????????sizeof(DEVICE_EXTENSION),
????????????????&DeviceName_Unicode,
????????????????FILE_DEVICE_UNKNOWN,
????????????????0,
????????????????FALSE,?
????????????????&fdo
????????????????);
????…
?????//為用戶應用程序創(chuàng)建Win32關聯(lián)名
????//轉成String格式
????swprintf?(DeviceLinkName,?L"\DosDevices\"?PLX_DRIVER_NAME_UNICODE?L"-%d",?i);
????//初始化DeviceLinkName_Unicode
????RtlInitUnicodeString?(
????????&DeviceLinkName_Unicode,
????????DeviceLinkName
????????);
????//建立設備關聯(lián)符號
????status?=?IoCreateSymbolicLink?(
????????????&DeviceLinkName_Unicode,
????????????&DeviceName_Unicode
????????????);
????…
????return?STATUS_SUCCESS;
}
3．DispatchPnp例程
支持即插即用主要是指實現(xiàn)一個AddDevice例程和一個IRP_MJ_PNP處理程序。這個PnP?IRP有8個主要次功能代碼，大多數(shù)的WDM驅動程序需要支持這些次功能代碼。
·??IRP_MN_START_DEVICE。
·??IRP_MN_QUERY_REMOVE_DEVICE。
·??IRP_MN_REMOVE_DEVICE。
·??IRP_MN_CANCLE_REMOVE_DEVICE。
·??IRP_MN_STOP_DEVICE。
·??IRP_MN_QUERY_STOP_DEVICE。
·??IRP_MN_CANCLE_STOP_DEVICE。
·??IRP_MN_QUERY_CAPABILITIES。
還有一些不太常用的IRP，這里就不再一一介紹，下面是這部分驅動的部分代碼。
NTSTATUS?Dispatch_Pnp(
????PDEVICE_OBJECT?fdo,
????PIRP???????????pIrp
????)
{ …
????//?檢查次功能代碼
????switch?(stack?->?MinorFunction)
????{
????????case?IRP_MN_START_DEVICE:????????????????????? //配置并初始化設備
????????????status?=?HandleStartDevice(fdo,?pIrp);
????????????break;
????????case?IRP_MN_STOP_DEVICE: ????????????????????? //關閉設備
????????????status?=?HandleStopDevice(fdo,?pIrp);
????????????break;
????????case?IRP_MN_REMOVE_DEVICE:????????????????? //關閉并刪除設備
????????????Unlock?=?FALSE;
????????????status?=?HandleRemoveDevice(fdo,?pIrp);
????????????break;
????????case?IRP_MN_QUERY_REMOVE_DEVICE: ??????????? //查詢設備是否可被安全刪除
????????????status?=?DefaultPnpHandler(fdo,?pIrp);
????????????break;
????????case?IRP_MN_CANCEL_REMOVE_DEVICE:?????????? //忽略以前的QUERY_REMOVE
????????????status?=?DefaultPnpHandler(fdo,?pIrp);
????????????break;
????????case?IRP_MN_QUERY_STOP_DEVICE:?????????????? //查詢設備是否可被安全關閉
????????????status?=?DefaultPnpHandler(fdo,?pIrp);
????????????break;
????????case?IRP_MN_CANCEL_STOP_DEVICE:???????????? //忽略以前的QUERY_STOP
????????????status?=?DefaultPnpHandler(fdo,?pIrp);
????????????break;
????????case?IRP_MN_QUERY_CAPABILITIES:???????????? //取設備能力
????????????status?=?DefaultPnpHandler(fdo,?pIrp);
????????????break;
????…?}
????return?status;
}
這些功能代碼函數(shù)都在DriverEntry（）入口函數(shù)中進行了聲明。?
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4．DispatchPower例程
WDM設備驅動程序支持電源管理，一個設備可以改變它的電源使用來響應系統(tǒng)電源狀態(tài)變化，且在處于空閑狀態(tài)時可以減少它自己的電源使用。一個休眠的設備可以喚醒系統(tǒng)，如當調制解調器收到到達的呼叫時。
驅動程序的電源管理例程圍繞電源IRP_MJ_POWER?IRP?進行處理，這些例程處理這個IRP，并在需要時產(chǎn)生這個IRP。這個IRP有4個電源管理次功能代碼。
·??IRP_MN_WAIT_WAKE。
·??IRP_MN_POWER_SEQUENCE。
·??IRP_MN_SET_POWER。
·??IRP_MN_QUERY_POWER。
這部分的代碼如下：
NTSTATUS?Dispatch_Power(
????PDEVICE_OBJECT?fdo,
????PIRP???????????pIrp
????)
{
????NTSTATUS???????????status;
????PIO_STACK_LOCATION?stack;
//獲取指向被調用的Irp的棧位置的指針
????stack?=?IoGetCurrentIrpStackLocation(pIrp);
????switch?(stack->MinorFunction)
????{
????????case?IRP_MN_WAIT_WAKE:??????????????? //喚醒計算機，響應一個外部事件
????????????status?=?DefaultPowerHandler(fdo,?pIrp);
????????????break;
????????case?IRP_MN_POWER_SEQUENCE:????????? //確定設備是否真正進入特定的電源狀態(tài)
????????????status?=?DefaultPowerHandler(fdo,?pIrp);
????????????break;
????????case?IRP_MN_SET_POWER:??????????????? //設置系統(tǒng)或設備電源狀態(tài)
????????????status?=?HandleSetPower(fdo,?pIrp);
????????????break;
????????case?IRP_MN_QUERY_POWER:???????????? //查詢系統(tǒng)或設備狀態(tài)變化是否可行
????????????status?=?HandleQueryPower(fdo,?pIrp);
????????????break;
????????default:??????????????????????????????? //確定設備是否真正進入特定的電源狀態(tài)
????????????status?=?DefaultPowerHandler(fdo,?pIrp);
????????????break;
????}
????return?status;
}
5．Unload例程
在默認情況下，驅動程序裝入之后，在重新引導之前就一直保持在系統(tǒng)中。要使系統(tǒng)可卸載，必須有一個Unload例程。Uload例程在DriverEntry期間聲明，然后，每當驅動程序被手動或自動卸載時，I/O管理程序就調用該例程。
該例程函數(shù)原型為：
VOID?Unload?(?PDRIVER_OBJECT?pDriverObject?)
通常一個Uload例程執(zhí)行如下工作。
·??對于某些種類的硬件，設備狀態(tài)應當保存在注冊表中。那樣，在DriverEntry下一次執(zhí)行時，設備能夠恢復到最近已知的狀態(tài)。
·??如果啟動了設備中斷，Unload例程必須僅用它們，并斷開它們與中斷對象的連接。
·??必須釋放屬于驅動程式的硬件。
·??必須從Win32名字空間中刪除符號鏈接名字，這可以用IoDeleteSymbolicLink完成。
·??必須用IoDeleteDevice刪除設備對象自身。
·??釋放驅動程序占據(jù)的任何池內存。
驅動中的部分代碼如下：
VOID?DriverUnload(PDRIVER_OBJECT?pDriverObject)
{
????//?釋放公共緩沖區(qū)
????if?(Gbl_CommonBuffer.PciMem.PhysicalAddr?!=?(U32)NULL)
????{
????????//?釋放內存描述列表（MDL）
????????if?(Gbl_CommonBuffer.pMdl?!=?NULL)
????????{
????????????IoFreeMdl(Gbl_CommonBuffer.pMdl);
????????????Gbl_CommonBuffer.pMdl?=?NULL;
????????}
????????//?釋放公共緩沖區(qū)
????????if?(Gbl_CommonBuffer.pKernelVa?!=?NULL)
????????{
????????????MmFreeContiguousMemory(Gbl_CommonBuffer.pKernelVa);
????????????Gbl_CommonBuffer.pKernelVa?=?NULL;
????????}
????}
//釋放DMA使用的緩沖區(qū)
#if?defined(DMA_SUPPORT)
????DriverBufferTerminate();
#endif
}
?
6．Dispatch例程
驅動程序裝載是第一步工作，但是最終驅動程序的作業(yè)是響應I/O請求——來自用戶模式應用程序的請求或者來自系統(tǒng)其他地方的請求。Windows?2000驅動程序通過Dispatch例程來處理這些請求。I/O管理程序調用這些例程以響應請求。
要啟用特定的I/O函數(shù)代碼，驅動函數(shù)必須首先“聲明”響應這樣一個請求的Dispatch例程。聲明機制是DriverEntry執(zhí)行的工作，它把Dispatch例程函數(shù)地址保存在驅動程序對象的MajorFunction表的合適位置上。
I/O函數(shù)代碼是用于表的索引。其中，每個I/O函數(shù)代碼（表索引）由一個IRP_MJ_XXX形式的惟一符號標示，在NTDDK.h（或WDM.h）包含文件中定義。
所有驅動程序必須支持函數(shù)代碼IRP_MJ_CREATE，因為編寫此代碼的目的是響應Win32?CreateFile調用。如果不支持該代碼，Win32應用程序將無法獲取設備的句柄。同樣也必須支持IRP_MJ_CLOSE，以處理Win32?CloserHandle調用。
驅動程序應當支持的其他函數(shù)代碼取決它控制的設備的本質。表13.3將用到的I/O函數(shù)代碼與產(chǎn)生它們的Win32調用相關聯(lián)。
表13.3 Dispatch例程表
|
Win32函數(shù) |
IRP主功能代碼 |
驅動程序例程的名稱 |
說????明 |
|
CreateFile |
IRP_MJ_CREATE |
Dispatch_Create |
請求一個句柄 |
|
CloseHandle |
IRP_MJ_CLEANUP |
Dispatch_Cleanup |
關閉句柄 |
|
CloseHandle |
IRP_MJ_CLOSE |
Dispatch_Close |
取消掛起的IRP |
|
ReadFile |
IRP_MJ_READ |
Dispatch_Read |
從設備獲取數(shù)據(jù) |
|
WriteFile |
IRP_MJ_WRITE |
Dispatch_Write |
將數(shù)據(jù)發(fā)送到設備 |
|
DeviceIoControl |
IRP_MJ_DEVICE_CONTROL |
Dispatch_IoControl |
控制操作 |
