基于WDF的PCI-E驅動設計和實現(xiàn)

保定中力電力科技發(fā)展有限公司 石美傳

1.引言

PCI-Express是一種最具發(fā)展前景的總線和接口標準，早在2001年的春季英特爾開發(fā)者論壇（IDF）上，Intel公布了第三代I/O互聯(lián)技術（3GIO），用以取代PCI總線和多種芯片的內部連接。2001年底，包括Intel、AMD、Dell、IBM等20多家業(yè)界主導公司起草了新技術的規(guī)范，對其正式命名為PCI Express，簡稱PCI-E，代表著下一代I/O接口標準。PCI-E采用與全雙工通信技術類似的雙通道傳輸模式，具有速度快、點對點串行傳輸，是兩端設備可以獨享帶寬，擴展靈活方便，支持熱插拔以及服務質量（QoS）的優(yōu)點。PCI-E總線具有極高的傳輸速率，規(guī)格從x1通道到x32通道，其中x1通道雙向傳輸速度為5Gbps，而PCI-E 3.0規(guī)范中x32通道雙向傳輸速度可達320Gbps，滿足目前絕大部分場合的需要。PCI-E設備連接到計算機系統(tǒng)必須有相應的驅動程序才能在計算機系統(tǒng)上正常工作。PCI-E驅動程序的優(yōu)劣直接關系到整個系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性，因此，設計和開發(fā)穩(wěn)定高效的PCI-E驅動程序具有重要意義。

2.硬件系統(tǒng)

在設計PCI-E驅動程序之前，先對要控制的硬件系統(tǒng)和工作流程做簡要的分析介紹。硬件系統(tǒng)的基本結構框圖如圖1所示。這是一套自行開發(fā)的基于PCI-E接口的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要實現(xiàn)了分布式高速數(shù)據(jù)采集及傳輸。

圖1左側是基于FPGA的數(shù)據(jù)采集單元，采集單元不間斷采集實際運行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)同步單元將多個采集單元的數(shù)據(jù)匯總打包，然后通過PCI-E傳送到PC后臺服務器。數(shù)據(jù)同步單元與采集單元、PC后臺服務之間均采用PCI-E連接，傳輸介質為光纖。采集系統(tǒng)的核心是基于PowerPC處理器的數(shù)據(jù)同步單元，數(shù)據(jù)同步單元選用了FreeScale公司的MPC8536處理器，該處理器內部集成PCI-E、USB、以太網(wǎng)、內存等部件。用MPC8536配置與PC后臺服務器相連接的PCI-E總線接口，包括PCI-E接口寄存器、基地址寄存器、Memory空間。為了實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，本設計把MPC8536作為DMA主控制器，MPC8536自帶PCI-E有四路DMA通道，通過MPC8536來實現(xiàn)采集同步后的數(shù)據(jù)向PC后臺服務器的高速傳輸。

3.驅動開發(fā)工具選擇

Jungo公司開發(fā)的WinDriver驅動程序開發(fā)軟件包，易于使用，不需要熟悉操作系統(tǒng)的內核知識及系統(tǒng)相關底層的東西，整個驅動程序中的所有函數(shù)都工作在用戶態(tài)，所以該軟件包開發(fā)的驅動程序靈活和工作效率都很低。

NuMega公司開發(fā)的DriverStudio驅動程序開發(fā)軟件包，采用面向對象的方式，將驅動程序編寫所需的與內核訪問及對硬件的訪問封裝成類，加上驅動程序代碼生成向導DriverWizard等工具，簡化了驅動程序開發(fā)的難度，減少了工作量，靈活性也很好。但該軟件目前已經停止開發(fā)，不支持Windows7、8等新版本的操作系統(tǒng)。

WDK（Windows Driver Kit）是Microsoft公司開發(fā)一種完全集成的驅動程序開發(fā)系統(tǒng)，包括WDF、頭文件重構（Windows Vista和更高版本）、驗證程序和靜態(tài)分析工具。極大地簡化Windows驅動程序的開發(fā)，利用WDF開發(fā)驅動程序具有代碼簡單，結構清晰，效率高，而且對整個體系結構有很好的理解和把握。本文采用WDK進行PCI-E的驅動程序開發(fā)。

4.WDF對象模型

WDF（Windows Driver Foundation）是微軟提出的下一代全新的驅動程序模型，是以WDM（Windows Driver Model）為基礎進行建模和封裝，完全基于面向對象技術實現(xiàn)，支持屬性、方法和事件。提供了高度靈活、可擴展、可診斷的驅動程序框架。WDF框架管理了大部分與操作系統(tǒng)相關的交互，實現(xiàn)了公共的驅動程序功能，如電源管理、即插即用pnp等，降低了驅動程序開發(fā)的難度。WDF提供了兩個框架：KMDF內核模式驅動程序框架和UMDF用戶模式驅動程序框架。本文介紹的PCI-E驅動程序屬于KMDF內核模式。KMDF框架支持面向對象、事件驅動的驅動程序模型。它定義了一系列的對象用來表示設備、驅動、中斷等，每個對象有對應的屬性、方法和事件。驅動程序利用這些方法創(chuàng)建對象、設置屬性和響應事件。

WDF的對象模型是層次化的模型。WDFDRIVER對象是根對象，其他對象都是它的子對象。對于大多數(shù)對象，驅動程序在創(chuàng)建它們的時候可以指定父對象，如果沒有指定，則框架默認其父對象為WDFDRIVER對象。

WDF大大簡化了WDM中的pnp和電源管理的開發(fā)。WDF框架為設備停止、設備刪除、電源狀態(tài)切換等事件提供了適合的缺省行為，驅動程序本身不再糾纏于復雜的pnp和電源管理事件處理。此外，WDF還集成了請求隊列的支持，一個設備可以有多個請求隊列，每個請求隊列可以有一種模式。

表1 DeviceIoControl功能碼及用途簡介

圖1 采集系統(tǒng)結構圖

圖2 驅動程序整體框圖

最簡單的是WdfIoQueueDispatchSerial模式，在這種模式下，請求隊列將請求串行化后再處理；而WdfIoQueueDispatchParallel模式則自動在每個請求到來時調用相應的回調函數(shù)；最后WdfIoQueueDispatchManual模式允許驅動程序手工分發(fā)請求，類似于WDM的工作方式。

5.PCI-E驅動程序設計

5.1 驅動程序初始化

第一次加載驅動程序時調用DriverEntry例程，DriverEntry是WDF驅動程序的標準入口函數(shù)，DriverEntry例程負責驅動程序和框架的初始化。在DriverEntry例程中主要創(chuàng)建驅動程序對象WDFDRIVER和設置EvtDeviceAdd例程地址，驅動程序對象WDFDRIVER代表PCI-E驅動程序。

PCI-E驅動程序整體框體如圖2所示，驅動程序初始化后，當PnP管理器檢測到新的PCI-E硬件設備時，PnP管理器根據(jù)安裝驅動程序時inf文件中的設備識別號和廠商識別號找到相應的設備驅動，然后調用在DriverEntry例程中設置的EvtDeviceAdd對應的回調例程。完成PCI-E設備驅動程序的初始化。初始化過程主要完成創(chuàng)建設備對象、創(chuàng)建I/O隊列、設備GUID接口、初始化中斷處理、創(chuàng)建DMA操作對象，并設置各種事件的回調處理例程，如即插即用、電源管理、I/O處理等等。在該例程中創(chuàng)建設備對象作為目標I/O設備，并將該設備對象附著到設備堆棧中。驅動程序還將完成設備內存空間的獲取及轉換，這點非常重要，因為這將直接影響驅動程序工作時的正確性和穩(wěn)定性，具體過程是通過調用EvtDevicePrepareHardware例程獲取設備的內存的物理地址和長度，部分代碼如下：

用WdfCmResourceListGetCount函數(shù)獲取配置資源的個數(shù)，用WdfCmResourceListGetDescriptor函數(shù)獲取該資源的描述符，其類型屬性包括CmResourceTypeMemory（存儲器）、CmResource-TypePort（IO端口）、CmResourceTypeInterrupt（中斷）等，對于存儲器地址，用MmMapIoSpace將物理地址轉換成系統(tǒng)內核模式地址，并將該內核模式地址保存到設備擴展對象中供以后使用，

5.2 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸是驅動程序和同步單元MPC8536的Memory之間進行的數(shù)據(jù)傳輸，本設計把待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分為兩類，一類是控制命令類數(shù)據(jù)，另一類是采集的數(shù)據(jù)，即MPC8536同步單元需要傳送到PC后臺服務器的數(shù)據(jù)。控制命令類數(shù)據(jù)通過發(fā)送IoControl命令的方式進行傳輸。采集的數(shù)據(jù)則通過DMA方式傳送，因為對于高速數(shù)據(jù)流來說，需要速度更快，傳輸效率更高，DMA方式傳送能滿足性能要求，而且也保證了數(shù)據(jù)在傳輸過程中不丟失。

控制命令類數(shù)據(jù)的傳輸，操作系統(tǒng)檢測到硬件設備并加載相應的驅動程序后，應用程序就可以通過DeviceIoControl發(fā)起一個device I/O control請求，控制命令類數(shù)據(jù)定義成device I/O control請求功能碼，通過這個請求即可發(fā)送各種控制命令類數(shù)據(jù)，驅動程序中EvtIoDeviceControl例程將接受并處理DeviceIoControl請求，DeviceIoControl可以通過參數(shù)傳送不同的功能請求碼，驅動程序中根據(jù)不同的功能碼做不同的響應處理，例如，啟動/停止數(shù)據(jù)傳輸、復位設備、設置句柄等等，具體功能碼和用途見表1所示。

采集的數(shù)據(jù)傳輸，由于采集數(shù)量大，為了及時可靠的完成數(shù)據(jù)傳輸，采用DMA方式傳輸。DMA方式傳輸?shù)墓ぷ髁鞒倘缦拢河肳dfDmaTransactionInitializeUsingRequest函數(shù)初始化DMA傳輸，調用WdfDmaTransactionExecute啟動DMA編程。在EvtProgramDmaDMA中對MPC8536的DMA寄存器進行編程進行數(shù)據(jù)傳輸。當DMA傳輸中斷發(fā)生，在DPC例程中測試DMA是否結束，沒有結束則調用WdfDmaTransactionExecute函數(shù)繼續(xù)執(zhí)行DMA。若DMA傳輸結束則完成該I/O請求。同步單元中的MPC8536作為DMA的主控制器，當緩沖區(qū)區(qū)中的采集數(shù)據(jù)達到一定數(shù)量后，MPC8536利用DMA方式將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)直接寫到PC后臺服務器的內存空間，并產生一個DMA中斷通知驅動程序，驅動程序收到中斷后調用中斷響應例程來處理內存空間的數(shù)據(jù)。PC后臺服務器中用于DMA讀寫的內存空間由驅動程序分配，應用程序利用這段內存空間直接與同步單元的MPC8536進行DMA方式的數(shù)據(jù)傳輸。

為了提高驅動程序和應用程序之間的處理效率，驅動程序采用事件方式與應用程序進行通信。應用程序中用CreateEvent創(chuàng)建事件hEvent，調用DeviceIoControl函數(shù)將事件傳遞給驅動程序，驅動程序響應該請求，從輸入緩沖區(qū)中取出這個事件句柄存在設備擴展對象中。當驅動程序處理完DMA傳輸中斷后將該事件設置為信號狀態(tài)，此時應用程序就可以處理已經傳送到PC后臺服務器內存空間中的數(shù)據(jù)了。

6.結束語

PCI-E作為一種高性能的總線，已經得到了廣泛的應用，文章闡述了基于WDF的PCI-E驅動程序開發(fā)，經測試在windows2003系統(tǒng)下驅動程序運行穩(wěn)定，在數(shù)據(jù)鏈路x1通道的條件下用DMA方式傳輸，數(shù)據(jù)率可以達到100MB/s，數(shù)據(jù)傳輸速率比較理想，滿足項目的要求，目前已經成功運用于某海上采油平臺的數(shù)據(jù)采集中，經現(xiàn)場實際運行驗證，工作穩(wěn)定可靠。

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