PCI设备驱动开发

时间：2021-10-19 10:53:03
PCI设备驱动开发
1. PCI 简介
PCI 总线标准是一种将系统外部设备连接起来的总线标准，是PC中最重要的总线，实际上是系统的各个部分如何交互的接口。传输速率可达到 133MB/s。在当前的PC体系结构中，几乎所有的外部设备采用的各种各样的接口总线，均是通过桥接电路挂接到 PCI 系统上。在这种 PCI 系统中，Host/PCI 桥称为北桥，连接主处理器总线到基础 PCI 局部总线。PCI 与其他总线的接口称为南桥，其中南桥还通常含有中断控制器、IDE 控制器、USB 控制器和 DMA 控制器等。南桥和北桥组成主板的芯片组。

2. PCI配置空间
每个PCI设备都有自己的配置空间，用于支持即插即用，使之满足现行的系统配置结构。下面对PCI配置空间做一下简要介绍。

配置空间是一容量为256字节并具有特定结构的地址空间。这个空间又分为头标区和设备有关区两部分。头标区的长度是64字节，每个设备都必须配置该区的寄存 器。该区中的各个字段用来唯一地识别设备。其余的192字节因设备而异。配置空间的头标区64个字节的使用情况如图1示。

为了实现即插即用，系统可根据硬件资源的使用情况，为PCI设备分配新的资源。因此编写设备驱动程序重点是获得基址寄存器（Base Address）和中断干线寄存器的内容。配置空间共有六个基址寄存器和一个中断干线寄存器，具体用法如下：

PCI Base Address 0 寄存器：系统利用此寄存器为PCI接口芯片的配置寄存器分配一段PCI地址空间，通过这段地址我们可以以内存映射的形式访问PCI接口芯片的配置寄存器。

PCI Base Address 1寄存器：系统利用此寄存器为 PCI 接口芯片的配置寄存器分配一段PCI地址空间，通过这段地址我们可以以I/O的形式访问PCI接口芯片的配置寄存器。

PCI Base Address 2、3、4、5寄存器：系统BIOS利用这些寄存器分配PCI地址空间以支持PCI接口芯片的局部配置寄存器0、1、2、3的访问。

在所有基址寄存器中，第0位均为只读位，表示这段地址映射到存储器空间还是I/O空间，如果是“1”表示映射到I/O空间，如果是“0”则表示映射到存储器空间。

中断干线寄存器（Interrupt Line）：用于说明中断线的连接情况，这个寄存器的值与标准8259的IRQ编号（0~15）对应。
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表1 PCI配置空间

3.设备初始化

PCI 设备驱动程序要完成识别 PCI 器件、寻找 PCI 硬件的资源和对 PCI 器件中断的服务。在驱动程序初始化过程中，使用 HalGetBusData（）函数完 成寻找 PCI 设备的工作。在初始化过程中，使用器件识别号（Device ID）和厂商识别号（Vendor ID），通过遍历总线上的所有设备，寻找到指定的PCI设备，并获取设备的总线号，器件号与功能号。通过这些配置信息，可以在系统中寻址该设备的资源配置 列表。

在此之后，驱动程序需要从配置空间获取硬件的参数。PCI设备的中断号、端口地址的范围（I/O）方式、存储器的地址与映射 方式等，都可以从硬件资源列表数据结构中获取。在Windows NT中，调用HalAssignSlotResources（）函数来获得指定设备的资源列表数据结构指针，然后通过遍历该列表中的所有资源描述符，获取 该设备的I/O端口基地址与长度，中断的中断级、中断向量与模式，存储器基地址与长度等硬件资源数据。

我们设计的DMA通信采用总线主控方式进行通信，在 设备初始化时需要对DMA适配器进行初始化，使用HalGetAdapter（）获得操作系统分配的适配器对象指针。
示例代码如下：

// 遍历总线，获得指定设备的总线号，器件号与功能号
for ( busNumber = 0; busNumber < MAX_PCI_BUSES; busNumber++ ) {
for ( deviceNumber = 0;deviceNumber < PCI_MAX_DEVICES;deviceNumber++ ) {
slotNumber.u.bits.DeviceNumber = deviceNumber;
for ( functionNumber = 0; functionNumber < PCI_MAX_FUNCTION; functionNumber++ ) {
slotNumber.u.bits.FunctionNumber = functionNumber;
if (!HalGetBusData(PCIConfiguration, busNumber, slotNumber.u.AsULONG,
&pciData,sizeof(ULONG)) ) {
deviceNumber = PCI_MAX_DEVICES;
break;
}

if (pciData.VendorID == PCI_INVALID_VENDORID ) {
continue;
}

if ( ( VendorId != PCI_INVALID_VENDORID ) &&
( pciData.VendorID != VendorId || pciData.DeviceID != DeviceId )) {
continue;
}
pPciDeviceLocation->BusNumber = busNumber;
pPciDeviceLocation->SlotNumber = slotNumber;
pPciDeviceLocation = &PciDeviceList->List[++count];
status = STATUS_SUCCESS;
}
}
}
// 获取设备的资源列表数据指针
status = HalAssignSlotResources(RegistryPath,
&pDevExt->ClassUnicodeString,
DriverObject,
DeviceObject,
pDevExt->InterfaceType,
pDevExt->BusNumber,
pDevExt->SlotNumber,
&pCmResourceList );

4. I/O端口访问
在 PC机上，I/O寻址方式与内存寻址方式不同，所以处理方法也不同。I/O空间是一个64K字节的寻址空间，I/O寻址没有实模式与保护模式之分，在各种 模式下寻址方式相同。在Windows NT下，系统不允许处于Ring3级的用户程序和用户模式驱动程序直接使用I/O指令，对I/O端口进行访问，任何对I/O的操作都需要借助内核模式驱动 来完成。在访问I/O端口时，使用READ_PORT_XXX与WRITE_PORT_XXX函数来进行读写。I/O端口基地址使用从配置空间基址寄存器 PCI Base Address 1中返回的I/O端口基地址。

示例代码如下：
RegValue = READ_PORT_ULONG(pBaseAddr+RegOffSet);
WRITE_PORT_ULONG(pBaseAddr+ RegOffset, RegValue);

5. 设备内存访问
Winsows 工作在32位保护模式下，保护模式与实模式的根本区别在于CPU寻址方式上的不同，这也是Windows驱动程序设计中需要着重解决的问题。 Windows采用了分段、分页机制，使得一个程序可以很容易地在物理内存容量不一样的、配置范围差别很大的计算机上运行，编程人员使用虚拟存储器可以写 出比任何实际配置的物理存储器都大得多的程序。每个虚拟地址由16位的段选择字和32位段偏移量组成。通过分段机制，系统由虚拟地址产生线性地址。再通过 分页机制，由线性地址产生物理地址。线性地址被分割成页目录(Page Directory)、页表(Page Table)和页偏移(Offset)三个部分。当建立一个新的Win32进程时，操作系统会为它分配一块内存，并建立它自己的页目录、页表，页目录的地 址也同时放入进程的现场信息中。当计算一个地址时，系统首先从CPU控制器CR3中读出页目录所在的地址，然后根据页目录得到页表所在的地址，再根据页表 得到实际代码／数据页的页帧，最后再根据页偏移访问特定的单元。硬件设备读写的是物理内存，但应用程序读写的是虚拟地址，所以存在着将物理内存地址映射到 用户程序线性地址的问题。

从物理内存到线性地址的转换是驱动程序需要完成的工作，可以在初始化驱动程序的进行。在已经获得设备的存 储器基地址后，首先调用HalTranslateBusAddress()函数将总线相关的内存地址转换成系统的物理地址，然后调用 MmMapIoSpace()函数将系统的物理地址映射到线性地址空间。在需要访问设备内存时，调用READ_REGISTER_XXX()与 WRITE_REGISTER_XXX ()函数来进行，基地址使用前面映射后的线性地址。在设备卸载时，调用MmUnmapIoSpace()断开设备内存与线性地址空间的映射。

示例代码如下：
HalTranslateBusAddress(InterfaceType,
BusNumber,
BaseAddress->RangeStart,
&addressSpace,
&cardAddress)

BaseAddress->MappedRangeStart = MmMapIoSpace(cardAddress,
BaseAddress->RangeLength,
MmCached );
……
RegValue = READ_REGISTER_ULONG(pRegister);
WRITE_REGISTER_ULONG(pRegister, pInBuf->RegValue);
……
MmUnmapIoSpace(pBaseAddress->MappedRangeStart, pBaseAddress->RangeLength );

6. 中断处理
中 断的设置、响应与调用在驱动程序中完成。设置中断应该在设备创建时完成，使用从CmResourceTypeInterrupt描述符中提取的参数，先调 用HalGetInterruptVector()将与总线有关的中断向量参数转换为系统的中断向量，然后调用IoConnectInterrupt() 指定中断服务，注册中断服务函数ISR（Interrupt Service Routine）的函数指针。

当硬件设备产生中断时，系统 会自动调用ISR函数来响应中断。ISR函数运行的中断请求级较高，主要完成对硬件设备中断的清除，不适合执行过多的代码。在传输大块数据时，需要使用延 迟过程调用（Delay Process Call，DPC）机制。例如，使用PCI设备进行DMA通信时，在ISR函数中完成对指定设备中断的判断以及清除中断，在退出ISR前，调用DPC函 数；在DPC函数中，完成DMA通信的过程，并将数据返回给用户程序。

示例代码如下：
DeviceExtension->InterruptLevel = partialData->u.Interrupt.Level;
DeviceExtension->InterruptVector = partialData->u.Interrupt.Vector;
DeviceExtension->InterruptAffinity = partialData->u.Interrupt.Affinity;
if (partialData->Flags & CM_RESOURCE_INTERRUPT_LATCHED)
{
DeviceExtension->InterruptMode = Latched;
} else {
DeviceExtension->InterruptMode = LevelSensitive;
}
……
vector = HalGetInterruptVector(pDevExt->InterfaceType,
pDevExt->BusNumber,
pDevExt->InterruptLevel,
pDevExt->InterruptVector,
&irql,
&affinity );

status = IoConnectInterrupt(&pDevExt->InterruptObject,
(PKSERVICE_ROUTINE)PciDmaISR,
DeviceObject,
NULL,
vector,
irql,
irql,
pDevExt->InterruptMode,
TRUE,
affinity,
FALSE );


7. DMA通信过程
DMA通信在驱动程序中实现，需要多个例程才能完成一次DMA通信。

1） DriverEntry例程
构造DEVICE_DESCRIPTION结构，并调用HalGetAdapter，找到与设备关联的Adapter对象，并将返回的Adapter对象的地址和映射寄存器的数目保存在设备扩展的数据结构中。

示例代码：
// 申请DMA的适配器对象
deviceDescription.Version = DEVICE_DESCRIPTION_VERSION;
deviceDescription.Master = TRUE;
deviceDescription.ScatterGather = pDevExt->ScatterGather;
deviceDescription.DemandMode = FALSE;
deviceDescription.AutoInitialize = FALSE;
deviceDescription.Dma32BitAddresses = TRUE;
deviceDescription.BusNumber = pDevExt->BusNumber;
deviceDescription.InterfaceType = pDevExt->InterfaceType;
deviceDescription.MaximumLength = pDevExt->MaxTransferLength;
pDevExt->AdapterObject = HalGetAdapter(&deviceDescription,
&numberOfMapRegisters
);
……

2）Start I/O例程

该例程请求Adapter对象的拥有权，然后把其余的工作留给AdapterControl回调例程。

a) 调用KeFlushIoBuffers从CPU的Cache把数据清到物理内存，然后计算映射寄存器的数目和用户缓冲区的大小，及在第一次设备操作中传输的字节数。
b) 调用MmGetMdlVirtualAddress，从MDL中恢复用户缓冲区的虚地址，并存入设备扩展数据结构中。
c) 调用IoAllocateAdapterChannel请求Adapter对象的拥有权。如果调用成功，其余的设置工作由AdapterControl例程去做；如果失败了，则完成本次IRP包处理，开始处理下一个IRP。

3) AdapterControl例程
该例程完成初始化DMA控制器，并启动设备的工作。
a) 调用IoMapTransfer，装入Adapter对象的映射寄存器。
b) 向设备发送合适的命令开始传输操作。
c) 返回值KeepObject保留Adapter对象的拥有权。

4）中断服务（ISR）例程
在设备中断时，由系统调用。
a) 向硬件设备发出中断响应的指令。
b) 调用IoRequestDpc在驱动程序的DpcForIsr中继续处理该请求。
c) 返回TRUE，表示已经服务了本次中断。

5)DpcForIsr例程
由ISR在每个部分数据传输操作的结束时触发，完成当前IRP请求。
a) 调用IoFlushAdapterBuffers，清除Adapter对象的Cache中的任何剩余数据。
b) 调用IoFreeMapRegisters，释放所使用的映射寄存器。
c) 检查有未传完的剩余数据，如果有，则计算下次设备操作中需要传输的字节数，调用IoMapTransfer重设映射寄存器，并启动设备；如果没有剩余数据，则完成当前IRP请求，并开始下一个请求。
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