基于WDF的PCI-CAN設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計

黎順杰 張艷榮

（西南交通大學機械工程學院，成都 610031）

設(shè)備驅(qū)動程序是硬件設(shè)備連接到計算機操作系統(tǒng)的軟件接口，驅(qū)動程序的好壞直接影響到硬件的運行與系統(tǒng)的安全。所以，穩(wěn)定高效的驅(qū)動程序?qū)τ谠O(shè)備硬件的開發(fā)具有重要的意義。

1 PCI-CAN卡系統(tǒng)架構(gòu)

本文所述驅(qū)動程序是基于自行研發(fā)的PCI-CAN總線設(shè)備，該設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

圖1 PCI-CAN設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)是在S1300 PCI開發(fā)平臺上利用硬件描述語言（Verilog HDL）實現(xiàn)，核心芯片采用的是ALTERA公司CYCLONE2 FPGA系列的EP2C5Q208C8。通過使用開發(fā)平臺內(nèi)部集成的PCI總線控制器模塊，可實現(xiàn)符合PCI總線協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸。PCICAN總線設(shè)備的工作流程如下:計算機通過IO端口寫控制命令到控制寄存器模塊，控制寄存器模塊接收指令并初始化CAN總線控制器，如果是讀CAN指令，控制寄存器模塊將CAN總線上傳的數(shù)據(jù)緩存到 SDRAM，利用 DMA（Direct Memory Access）方式寫入主機內(nèi)存，由主機進行相應(yīng)的處理；如果是寫CAN指令，計算機將數(shù)據(jù)通過內(nèi)存映射寫入FIFO，控制寄存器模塊控制CAN（Controller Area Network）總線控制器從FIFO中取出數(shù)據(jù)。在整個系統(tǒng)流程中，驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用程序與硬件之間的控制引導，作用不可取代。

2 WDF驅(qū)動程序設(shè)計

2.1 WDF驅(qū)動程序框架

WDF驅(qū)動程序框架中，所有的事物都由對象來表示，所有操作都被定義為一個事件（Event)或回調(diào)（Callback）?；趯ο蠹夹g(shù)的WDF實現(xiàn)了驅(qū)動程序與操作系統(tǒng)內(nèi)核之間的分離，驅(qū)動程序通過框架內(nèi)定義的對象與方法來實現(xiàn)自己的功能，具體的驅(qū)動程序與操作系統(tǒng)內(nèi)核的交互工作則交給框架內(nèi)封裝的方法（函數(shù)）完成。這樣使得驅(qū)動程序的設(shè)計變得更加簡單明了。

WDF 之中包含了 KMDF（Kernel-Mode Driver Framework）與UMDF（User-Mode Driver Framework），本文所涉及的設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)是基于KDMF實現(xiàn)的。

2.2 設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)

PCI-CAN設(shè)備驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)框架如圖2所示：

圖2 PCI-CAN設(shè)備驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)框圖

PCI-CAN設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計從功能上可分為設(shè)備初始化、控制設(shè)置與數(shù)據(jù)交換三個部分。設(shè)備初始化主要實現(xiàn)設(shè)備識別、相關(guān)信息狀態(tài)獲取與硬件資源分配；控制設(shè)置負責系統(tǒng)初始化與啟動；數(shù)據(jù)交換處理的是設(shè)備功能的具體應(yīng)用，即PCI總線與CAN總線之間的數(shù)據(jù)傳輸。

從本質(zhì)上來說，WDF驅(qū)動程序就是入口函數(shù)DriverEntry與事件函數(shù)及其子函數(shù)的集合。操作系統(tǒng)第一次裝載驅(qū)動程序時會調(diào)用DriverEntry例程以完成驅(qū)動程序初始化。不同類型的驅(qū)動函數(shù)其DriverEntry也不同，可分為設(shè)備驅(qū)動、過濾驅(qū)動與純軟件驅(qū)動。本文所述驅(qū)動程序?qū)儆谠O(shè)備驅(qū)動，在入口函數(shù)DriverEntry中，除了創(chuàng)建和初始化WDFDRIVER對象，還需要注冊EvtDriverDeviceAdd事件回調(diào)。

status=WdfDriverCreate(DriverObject,RegistryPat h,……)；

//創(chuàng)建WDFDRIVER對象

WDF_DRIVER_CONFIG_INIT(&config,PCICAN_EvtDeviceAdd);//注冊EvtDriverDeviceAdd事件回調(diào)

（1）設(shè)備初始化

驅(qū)動程序成功初始化后，操作系統(tǒng)會順序調(diào)用EvtDriverDeviceAdd、EvtDevicePrepareHardware、EvtDeviceReleaseHardware 和InitializeDMA等回調(diào)函數(shù)以實現(xiàn)設(shè)備的初始化。

作為在設(shè)備初始化過程中第一個被調(diào)用的回調(diào)函數(shù)，EvtDriverDeviceAdd需要完成：

(1)創(chuàng)建設(shè)備對象；

(2)創(chuàng)建設(shè)備對象GUID接口或符號鏈接；

(3)創(chuàng)建一個或多個的I/O隊列；

(4)設(shè)置各種事件的回調(diào)例程，如電源管理、即插即用、I/O處理例程等。

status=WdfDeviceCreate(&DeviceInit,&deviceAttributes, &device);//創(chuàng)建設(shè)備對象

status=WdfDeviceCreateDeviceInterface(device,(LPGUID)&PCICAN_DEVINTERFACE_GUID, NULL); //創(chuàng)建GUID接口

X86處理器有兩種獨立的地址空間，分別是I/O地址與內(nèi)存地址。I/O地址空間只有64KB，內(nèi)存地址空間可以達到4G。對于微機接口卡，可以將I/O端口與存儲器芯片分別映射到這兩個地址空間中。而對這兩種不同的地址空間的訪問，需要驅(qū)動程序進行相應(yīng)的預(yù)處理工作：在EvtDevicePrepareHardware中，首先獲取配置資源與資源描述符：對于I/O端口，將首地址與空間大小值保存起來；對于存儲器芯片，調(diào)用MmMapIoSpace函數(shù)將物理地址轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)內(nèi)核地址然后保存。相對應(yīng)的，在卸載設(shè)備時，系統(tǒng)會調(diào)用EvtDeviceReleaseHardware回調(diào)函數(shù)釋放之前申請的硬件資源，對于存儲器地址，要用MmUnmapIoSpace函數(shù)解除物理地址與系統(tǒng)內(nèi)核地址之間的關(guān)聯(lián)。

for(i=0; i

descriptor=WdfCmResourceListGetDescriptor(Resource ListTranslated,i);//獲取資源描述符

case CmResourceTypeMemory:pDeviceContext->MemBaseAddress=MmMapIoSpace(

descriptor->u.Memory.Start, descriptor->u.Memory.Length,MmNonCached);

pDeviceContext->MemLength=descriptor->u.Memory.Length;break;

case CmResourceTypePort:pDeviceContext->IoBaseAddress=descriptor->u.Port.Start.LowPart;//I/O地址配置

pDeviceContext->IoLength = descriptor->u.Port.Length;break;

MmUnmapIoSpace(pDeviceContext->MemBaseAddress,pDeviceContext->MemLength);//解除地址關(guān)聯(lián)

設(shè)備初始化第三步，利用函數(shù)InitializeDMA（）創(chuàng)建DMA適配器與一個DMA傳輸。

InitializeDMA(IN WDFDEVICE Device){……

status=WdfDmaEnablerCreate(…);//創(chuàng)建DMA適配器

status=WdfDmaTransactionCreate(pDeviceContext->DmaEnabler,WDF_NO_OBJECT_ATTRIBUTES,&pDeviceContext->DmaTransaction ); //創(chuàng)建一個DMA傳輸

……}

（2）控制設(shè)置及數(shù)據(jù)交換

應(yīng)用程序?qū)︱?qū)動程序的通信需要調(diào)用CreateFile、ReadFile、WriteFile、DeviceIoControl 與 CloseHandle。CreateFile打開設(shè)備的方式有兩種：GUID接口與符號鏈接名，本文所述驅(qū)動程序采用的是GUID接口方式。

DevicePath=GetDevicePath((LPGUID)&PCICAN_DEVINTERFACE_GUID);//獲取設(shè)備路徑

hDevice=CreateFile(DevicePath,…… );//打開設(shè)備

獲得了設(shè)備的有效句柄，應(yīng)用程序就可以調(diào)用DeviceIoControl函數(shù)寫設(shè)備控制寄存器。應(yīng)用程序的請求會被放入請求隊列之中，并在EvtIoDeviceControl函數(shù)之中被處理。EvtIoDeviceControl函數(shù)之中可以定義多個不同的分支，對應(yīng)于不同的I/O控制命令。應(yīng)用程序通過I/O控制命令鎖定具體的操作分支。I/O控制命令定義了4種數(shù)據(jù)訪問方式，本文采用的是METHOD_BUFFERED，系統(tǒng)會分配一個緩沖區(qū)用作輸入與輸出。由于系統(tǒng)的控制寄存器被映射到了I/O地址空間之中，可以使用下面兩條指令對寄存器進行讀寫：WRITE_PORT_XXX();//寫端口數(shù)據(jù) READ_PORT_XXX()//讀端口數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)交換操作可以分為輸出數(shù)據(jù)與輸入數(shù)據(jù)。應(yīng)用程序調(diào)用WriteFile寫數(shù)據(jù)，在DeviceIoWrite中實現(xiàn)。對于數(shù)據(jù)讀寫，使用的是內(nèi)存映射方式。DeviceIoWrite首先需要獲得一個輸入緩沖，然后利用WdfMemoryCopyToBuffer()函數(shù)將數(shù)據(jù)送入到設(shè)備存儲器。

status=WdfRequestRetrieveInputMemory(Request,&memory);//輸入緩沖

3 結(jié)束語

本文重點討論了基于WDF的PCI-CAN設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計方法。本文所述的PCI-CAN卡驅(qū)動程序，在WDK1.9中成功編譯，自動生成INF文件（設(shè)備安裝信息）與SYS文件（驅(qū)動程序代碼），成功安裝且運行穩(wěn)定可靠。經(jīng)過測試，支持5kbps-1MbpsCAN總線波特率，數(shù)據(jù)流量最高可達3000幀/秒，相關(guān)參數(shù)均可由應(yīng)用程序設(shè)置后傳遞到FPGA。另外，測試DMA讀極限速率為116M/s，大大降低了總線數(shù)據(jù)交換的系統(tǒng)延遲?？偠灾?，WDF驅(qū)動模型簡化并優(yōu)化了驅(qū)動開發(fā)技術(shù)，同WDM驅(qū)動模型相比，變得更加穩(wěn)定、靈活與高效。

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