PCI设备的WDM驱动程序设计-9052

PCI设备的WDM驱动程序设计柳泉罗耀华柳华伟摘要：本文详细地讨论了利用DDK开发PCI设备的WDM驱动程序的设计原理、方法及在设计中注意事项，实现了以芯片PCI9052开发的PCI卡的具有内存和I/O读写及中断处理的WDM驱动程序。

关键字：PCI，WDM，驱动程序，DDK在Windows操作系统中，为了保证系统的安全性和可移植性，对应用程序对硬件的操作进行了限制，尤其Windows 2000和Windows XP，不支持直接对系统的硬件资源的操作。

因而在设计开发PCI设备时，需要开发相应的驱动程序来实现对PCI设备的操作，用户应用程序通过驱动程序来访问PCI设备。

由于计算机硬件设备都存在不同的特点，因此各种设备的驱动程序也都有自己的特点，比如PCI设备、USB设备等等。

尽管在整体框架中基本相同，但设备功能上不同，因此本文以PCI桥芯片PCI9052开发的PCI卡为硬件设备，来探讨PCI设备的驱动程序的开发。

1．驱动程序类型和开发工具的选择在WINDOWS操作系统下，支持PCI总线及其设备的驱动程序类型有支持Windows 98/95的VxD、支持Windows NT的NT式驱动程序和支持Windows 2000、Windows XP 和Windows 98的WDM（Windows Driver Model）。

前两种驱动程序类型由于其支持的操作系统的逐渐淘汰而淘汰。

现在主流的操作系统是Windows 2000和Windows XP，因此开发PCI设备的驱动程序最好的方案是WDM驱动程序。

在一个系统中开发出WDM 驱动程序，稍加修改即可在其他系统中编译运行。

WDM是在Windows NT驱动程序体系的基础上发展而来的，修改或增加了即插即用、电源管理等功能，使之适应硬件和用户的要求。

开发WDM驱动程序的主要工具是微软为各操作系统提供的开发软件包Device Driver Kits(DDK) ，该软件包为驱动程序开发者提供了用于驱动程序开发的资源文件、编译连接程序、开发技术文档等。

还有第三方提供的开发工具：NuMega公司的DriverStudio和Jungo公司的WinDriver，这些工具是在DDK的基础上为方便开发用户而进行开发的工具。

在使用中，虽然利用DDK开发驱动程序难度较大，但是代码非常简洁，结构清晰，效率也高。

利用第三方开发工具使用简单，开发速度较快，但对于驱动程序的理解和深入开发不如DDK。

因此选择DDK开发PCI设备驱动程序，虽然开始会觉得非常复杂，但从执行效率和功能上会更有利。

2．PCI设备驱动程序的特点在开发驱动程序之前对PCI总线和硬件设备进行了解是十分必要的，而且还要详细地掌握PCI设备的特性以及PCI设备驱动程序在设备程序栈的关系等，以便进行WDM 驱动程序的设计。

PCI总线是一种高性能、与CPU无关的32/64位地址数据复用的总线，它支持突发传输、即插即用、电源管理等功能，不但能满足现在的应用需要，而且能够适应未来的需求。

PCI总线支持硬件资源动态自动配置，以支持即插即用。

在PCI设备插入PCI插槽或上电后，PCI总线配置机构自动根据PCI设备的要求实现配置。

PCI总线支持内存读写、I/O端口读写、中断机制和DMA功能。

由于这些硬件特点使PCI设备的WDM 驱动程序的设计变得很复杂。

在开发WDM驱动程序之前，还有必须掌握PCI设备的需要分配的资源等配置信息以及PCI设备的功能和操作方法。

在WDM中，采用了分层的驱动程序体系结构，总线驱动程序或类驱动程序在最底层直接与设备打交道，设备功能驱动程序在上层通过与低层驱动程序打交道，实现设备的功能，中间还可以有类过滤驱动程序或设备过滤驱动程序用于数据的过滤或转换。

在PCI总线的驱动程序层中，其层次图如图4：图1 通用PCI总线的WDM驱动程序栈在实际开发中，一般无需分很多层次，只需要开发一个设备驱动程序即可。

设备驱动程序直接与PCI总线驱动程序打交道，进行硬件操作，以实现PCI设备的功能。

3．WDM驱动程序的设计在PCI设备的WDM驱动程序中，一般是编写功能驱动程序。

PCI总线驱动程序由操作系统实现，过滤驱动程序一般在特殊的情况下需要编写。

因此本文只讨论PCI设备功能驱动程序的设计。

在PCI设备功能驱动程序中，需要处理PCI设备的内存、端口的读写、中断处理和DMA数据传输，实现PCI设备的功能，因此，PCI设备功能驱动程序是很标准的WDM设备驱动程序。

PCI设备驱动程序在框架上与其他类型的设备驱动程序基本相同，包括初始化、创建设备、卸载和删除设备、即插即用处理、分发例程处理、电源管理、WMI等部分，限于篇幅，在此只讨论PCI设备的特别之处。

（1）PCI设备资源的获得PCI设备的硬件资源是由PCI配置机构动态分配的，由PCI设备实现PCI配置寄存器，提出需要分配的硬件资源，由PCI配置机构分配资源。

驱动程序需要取得这些资源，才能操作硬件。

因此，PCI设备的硬件资源分配与管理是驱动程序中很重要的部分。

硬件资源主要包括映射内存空间、I/O空间、中断。

在WDM体系中，取得这些资源有四种方法：读写PCI配置寄存器、调用硬件抽象层（HAL）函数、向PCI总线驱动程序发送读写配置IRP和向PCI总线驱动程序传递开启设备IRP。

第一种方法通过读写PCI总线配置I/O寄存器，来取得PCI设备的配置信息，其中包括资源的分配。

这种方法需要将几乎所有的PCI设备枚举一遍，考虑到这种方法是对公共寄存器的读写，不利于系统的安全性，最好不使用这种方法，但是在调试PCI设备硬件时是个很好的方法。

第二种方法通过调用函数HalGetBusData和HalGetBusDataByOffset来实现的，但是这种方法是为了能够与Windows NT的驱动程序兼容，而保留下来的方法，不推荐使用，其功能被第三种方法取代。

在WDM体系中，总线驱动程序必须实现总线上设备的管理功能。

PCI 总线驱动程序实现了对PCI设备资源的枚举，设备驱动程序通过向PCI总线驱动程序传递设备配置IRP_MJ_PNP，经总线驱动程序的处理后，设备驱动程序得到PCI设备的资源信息。

第四种方法是推荐的方法，当系统的PNP管理器在取得设备的资源后会自动向驱动程序发出IRP_MN_START_DEVICE的IRP，在该IRP栈中包含了设备的资源信息。

好的驱动程序都应该使用这种方法，在此主要讨论该方法。

每个支持PNP功能的驱动程序，都应实现IRP_MN_START_DEVICE处理。

在该IRP处理中应先交给低层驱动程序处理后，再根据IRP栈内内容进行资源分配。

如下：NTSTATUS PnpStartDevice(IN PDEVICE_OBJECT fdo, IN PIRP pIrp ){NTSTATUS status;PIO_STACK_LOCATION stack;pIrp->IoStatus.Status = STATUS_SUCCESS;//先由低层驱动程序处理，并等待KeInitializeEvent(&event,NotificationEvent,FALSE);IoCopyCurrentIrpStackLocationToNext(pIrp);IoSetCompletionRoutine(pIrp,(PIO_COMPLETION_ROUTINE) OnRequestComplete,(PVOID) &event,TRUE,TRUE,TRUE);status=IoCallDriver(((DEVICE_EXTENSION *)fdo->DeviceExtension) -> pLowerDeviceObject ,pIrp);if (status == STATUS_PENDING){KeWaitForSingleObject((PVOID)&event,Executive,KernelMode,FALSE,NULL);}if (!NT_SUCCESS(status)){return CompleteRequest(pIrp, status);}stack = IoGetCurrentIrpStackLocation(pIrp);ResourceRaw = stack->Parameters.StartDevice.AllocatedResources ->List[0].PartialResourceList->PartialDescriptors;Resource = stack->Parameters.StartDevice.AllocatedResourcesTranslated ->List[0].PartialResourceList->PartialDescriptors;for (i = 0; i < ResourceListRaw->Count; ++i, ++Resource, ++ResourceRaw){switch (ResourceRaw->Type){case CmResourceTypeInterrupt: //中断资源IrqL = (KIRQL) Resource->u.Interrupt.Level;//中断IRQLvector = Resource->u.Interrupt.Vector;//中断向量 affinity = Resource->u.Interrupt.Affinity;//中断分发的处理器集 //判断中断触发的类型if (ResourceRaw->Flags == CM_RESOURCE_INTERRUPT_LATCHED)mode = Latched; //低电平触发elsemode = LevelSensitive; //下降沿出发//是否共享，PCI中断都是共享的irqshare = Resource->ShareDisposition == CmResourceShareShared;//连接中断status = IoConnectInterrupt(&pdx->pInterruptObject, (PKSERVICE_ROUTINE)OnInterrupt,(PVOID)pdx,NULL,vector,IrqL,IrqL, mode, irqshare,affinity,FALSE);case CmResourceTypePort: //端口资源pdx->PhysicalIOBase = ResourceRaw->u.Port.Start;//开始物理地址pdx->IOCount = ResourceRaw->u.Port.Length;//地址数量pdx->IOBase = (ULONG *)MmMapIoSpace(pdx->PhysicalIOBase,pdx->IOCount,MmNonCached);//映射端口break;case CmResourceTypeMemory: //内存资源pdx->PhysicalMemBase = ResourceRaw->u.Memory.Start;//开始地址pdx->MemCount = ResourceRaw->u.Memory.Length;//地址数量pdx->MemBase = (ULONG *)MmMapIoSpace(pdx->PhysicalMemBase,pdx->MemCount,MmNonCached);//映射内存if (pdx->MemBase == NULL)return STATUS_INSUFFICIENT_RESOURCES;//其他资源一般没有，可默认处理default:break;}}return STATUS_SUCCESS;}在以上的代码中，限于篇幅，没有增加错误处理代码，在实际中应用一定需要进行在调用系统函数之后，进行相应的处理，如果不符合要求，立即退出，否则在其他例程中会发生错误，使系统崩溃。