摘? 要: 介紹了PCI總線控制芯片PCI2040的功能及內部結構,分析了基于PCI總線的DSP語音卡的硬件結構及實現方法,描述了WDM設備驅動程序" title="設備驅動程序">設備驅動程序的特點及PCI語音卡驅動程序主要模塊的設計方法和編程注意要點。
關鍵詞: PCI總線? PCI2040? DSP? WDM? 驅動
?
CTI(Computer Telephone Integration)即計算機電話集成技術已經發展了30多年。其中電話語音卡是CTI中的典型應用之一,它作為電腦與公用電話網的接口設備,應用領域已經滲透到社會各個部門。同時,在語音卡的開發中也不斷注入了新的技術,軟件上有語音合成、語音識別等技術,而硬件上最重要的就是DSP技術和PCI總線技術。研制了基于TMS320VC5410 DSP的PCI語音卡,并設計了相應的WDM設備驅動程序,取得了良好的效果。
1 硬件設計
1.1 PCI總線控制芯片PCI2040
PCI總線是一種不依附于某個具體處理器的局部總線,它支持32位或64位的總線寬度,頻率通常是33MHz，目前最快的PCI2.0總線工作頻率是66MHz。工作在33MHz、32位時,理論上最大數據傳輸速率能達到133MB/s。它支持猝發工作方式,提高了傳輸速度,支持即插即用" title="即插即用">即插即用,PCI部件和驅動程序可以在各種不同的平臺上運行[1]。
實現PCI總線協議一般有兩種方法,一是用FPGA設計實現,但PCI協議比較復雜,因此難度較大;二是采用PCI總線控制芯片,如AMCC公司的S5933、PLX公司的PCI9080等通用的PCI接口芯片。TI公司專門推出了針對PCI總線和DSP接口的芯片PCI2040[2],它不但實現了PCI總線控制的功能,而且提供了和DSP芯片無縫的接口,因而大大簡化了系統設計的復雜度并縮短了開發時間。
PCI2040內部功能框圖如圖1所示。
?
?
PCI2040是一個PCI-DSP橋接器件,它提供了PCI局部總線和TMS320C54X 8位主機接口(HPI)與TMS320C6X 16位主機接口的無縫連接。一片PCI2040最多能同時掛接4片DSP芯片。同時,它還提供了一個串行EEPROM接口,一個通用輸入輸出接口(GPIO)和一個16位通用總線接口(為TI JTAG測試總線控制器提供接口)[2]。PCI2040只能作為PCI目標設備使用,不能作為PCI主設備使用;它只支持單字的讀寫,不能提供DMA操作。PCI2040能夠兼容3.3V和5V信號環境，系統中的3.3V和5V信號可以直接從PCI插槽中獲得。
1.2 語音卡硬件設計
1.2.1 功能簡介及硬件框圖
語音卡是基于TMS320VC5410 DSP和PCI2040而設計的。此卡的主要功能是:(1)通過電話信號音檢測模塊,將對方說話的聲音經A/D轉換后,交給DSP進行壓縮處理,采用G.729編碼算法壓縮后速率可達到8kbps，然后將壓縮后的碼流通過PCI2040經PCI總線存放在計算機硬盤上，從而實現錄音功能。(2)將存在硬盤上的壓縮碼流(以文件形式存在),通過PCI2040經PCI總線傳送到DSP的內部緩沖區中,進行解壓縮處理(G.729解碼算法),并將解碼后的數據通過D/A轉換回放出來。
語音卡硬件框圖如圖2所示。
?
?
電話信號音檢測部分主要實現振鈴檢測、摘掛機及話音傳輸功能。系統的核心是DSP,它完成各種復雜算法的處理,包括G.729編解碼算法、回聲消除算法、話音檢測及軟件摘掛機算法等。TMS320VC5410是TI 54X系列中一款高性能的DSP,它的處理功能達到100MIPS,因此能滿足算法復雜度的要求。它的最大特點是片內集成了64K×16bit的RAM和16K×16bit的ROM[3]，因而不需要外加SRAM或SDRAM就可以滿足系統設計的要求。TMS320VC5410內置了3個多通道緩沖串行口(McBSP)、6個DMA通道和一個8位增強型HPI口，可以方便地和外部進行數據交換。在語音卡的設計中,采用PCI2040來完成DSP與主機交換數據的任務。
1.2.2 PCI2040與TMS320VC5410接口
PCI2040與TMS320VC5410 HPI口的連接如圖3所示。
?
?
PCI_AD31～PCI_AD15決定了PCI2040的控制空間基地址(Control Space Base Address)寄存器的值,這個值實際上是系統自動分配的。所有的PNP器件都是如此，它將控制空間映射到主機內存,映射的空間大小為232-17=32KB。DSP芯片的選擇是通過解碼PCI_AD14、PCI_AD13來實現的。而PCI_AD12和PCI_AD11分別映射到HCNTL1和HCNTL0，用以決定訪問DSP HPI寄存器的方式。其對應關系如表1所示。
?
?
因此,DSP與PC交換數據的過程,也就是讀寫HPI寄存器的過程。具體描述如下:
(1)初始化PCI2040內部配置寄存器,指向特定的DSP(本系統只有一個DSP和PCI2040相連),指定數據傳輸寬度為8位。
????(2)分配HPI CSR基地址和控制空間基地址,允許PCI2040進行內存映射或I/O" title="I/O">I/O端口映射。值得注意的是,PCI2040控制空間只能映射在主機的內存空間里,不能映射在I/O空間。以上兩步都由驅動程序完成。
(3)脫離復位狀態后,PCI2040解碼從PCI總線來的地址,以此來做出響應。若落入32KB的控制空間中,則根據HCNTL1和HCNTL0及片選情況訪問相應HPI寄存器。
(4)設定HPI控制寄存器中的BOB位,選擇正確的高低8位排列方式。
(5)主機開始對HPI寄存器進行讀寫。
2 基于WDM的PCI驅動程序設計
2.1 WDM驅動程序結構及原理
WDM是新一代的驅動程序構架,它是一個跨平臺的驅動程序模型,在WINDOWS 98以上的操作系統中都實現了全面兼容。不僅如此,WDM驅動程序還可以在不修改源代碼的情況下經過重新編譯后在非Intel平臺上運行,因而為驅動程序開發人員提供了極大的方便。
WDM驅動程序是分層的,即不同層上的驅動程序有著不同的優先級,而Windows 9x下的VxD則沒有此結構。另外,WDM還引入了功能設備對象FDO(Functional Device Object)與物理設備對象PDO(Physical Device Object)兩個新概念來描述硬件。PDO代表實際存在的硬件設備,它是在總線驅動程序(BUS DRIVER)下枚舉并建立的,負責與真實硬件進行I/O操作。FDO是由用戶驅動程序建立的,一般來說,它是用戶與真實硬件進行I/O操作的一個窗口,是Win32賴以溝通內核的一個橋梁。對于驅動程序開發者,真正需要做的就是開發FDO。至于PDO,則由BUS DRIVER建立,并在需要的時候作為參數由I/O Manager或其它系統組件傳給你的FDO。
在應用層與底層進行通訊時,操作系統為每一個用戶請求打包成一個IRP(IO Request Packet)結構,將其發送至驅動程序,并通過識別IRP中的PDO來識別是發送給哪一個設備的。另外,WDM不是通過驅動程序名稱,而是通過一個128位的全局惟一標識符(GUID)來識別驅動程序的[4]。
WDM驅動程序都有一個初始化入口點,即DriverEntry，它相當于C語言中的main函數。當WDM驅動程序被裝入時,內核調用DriverEntry例程" title="例程">例程。另外WDM設備驅動程序還需要一個即插即用模塊,即AddDevice。AddDevice例程就是PnP管理器在用戶插入新設備時調用它來創建WDM設備對象的。
2.2 PCI語音卡驅動程序設計
PCI總線支持即插即用,因而采用WDM模型來設計驅動程序將使程序更加合理,支持更多的操作系統,并且在安裝維護上更加方便。
該驅動程序主要用DriverStudio 2.5加VC++ 6.0設計。DriverStudio對DDK進行封裝,利用向導可生成驅動程序框架。在此基礎上再添加針對語音卡處理的函數及語句即可完成設計,調試工具為SOFTICE。程序結構框圖如圖4所示。
?
?
PCI2040.lib和PCI2040.dll處于Ring3層,它封裝了和底層驅動打交道的函數,對外只顯現出如Open_Device()、Close_Device(HANDLE hDevice)、Record(HANDLE hDevice，LPSTR FileName)、Play(HANDLE hDevice，LPSTR File-Name)等API函數。這樣可以讓多種編程語言以DLL的形式來調用,給使用者提供了方便。
核心編程是PCI2040.sys，它處于Ring0層,為Ring3層和PCI語音卡進行數據交換搭建了一個橋梁。驅動程序中主要模塊有：
(1)OnStartDevice()，在這個例程里驅動程序將得到PnP管理器為語音卡所分配的硬件資源,包括HPI CSR基地址和HPI控制空間基地址，對PCI配置空間進行初始化。初始化中斷等。需要注意的是,在初始化中斷之前禁止卡向主機發中斷,因此應有屏蔽中斷的操作。
????(2)DeviceControl(),在這個例程中可以定制自己的函數來達到Ring3層和Ring0層相互通訊的目的。通過IOCTL_CODE可以區分不同的請求。例如:
#define SEND_HEVENT? CTL_CODE(FILE_DEVICE_UNKNOWN， 0x802， METHOD_BUFFERED， FILE_ANY_ACCESS)
在DeviceControl()中,可執行如下語句:
case SEND_HEVENT：
status = SEND_HEVENT_Handler(I)；?????? ?????? //接收應用程序傳遞給WDM的事件句柄
m_Irq.Connect(LinkTo(Isr_Irq)， this)；????????? //連接中斷
INT_MASK_SET_UL=(ULONG)0x80000001； ??????? //開相應中斷屏蔽位
??? m_CtlMemoryRange.outw((ULONG)0x0000，0x0b0b)；???//清除中斷位,等待中斷到來
??? break；
把連接中斷的函數放在DeviceControl()里,并沒有和初始化中斷(在OnStartDevice()中)放在一起,不然會在Win2000里引起死機。
DSP語音卡是基于中斷處理的,因此上面的程序就起了這樣一個作用:當語音卡向主機發中斷時,驅動程序就跳到Isr_Irq執行，并在DpcFor_Irq中將事件設置為信號態,從而通知上層應用程序進行處理。
(3)Isr_Irq(),這個例程是用來處理中斷的。Windows 2000的中斷處理機制是假定多個設備可以共享一個硬件中斷。因此,Isr的首要工作就是找出哪一個設備發生了中斷。如果沒有,則應該立刻返回FALSE,以便HAL能把中斷送往其它設備驅動程序[5]。中斷服務例程Isr執行在提升的IRQL上,在DIRQL級別上運行的代碼需要盡可能快地運行。通常情況下,若判斷中斷是由自己的設備產生的,則調用一個在DISPATCH_LEVEL級別上運行的延遲過程調用(DpcFor_Irq)。
??? 在處理的過程中要注意,當確定是自己卡的中斷時,要馬上屏蔽中斷位防止中斷再進來,等到DpcFor_Irq的結尾處再開中斷。Dpc中部分語句如下:
??? if(m_pEventToSignal!=NULL) m_pEventToSignal->Set()；?? //將事件設置為信號態
??? t << ″Event Set!n″；
??? INT_MASK_SET_UL=(ULONG)(0x80000001)；???????????????? ?//開中斷
??? m_CtlMemoryRange.outw((ULONG)0x0000，0x0b0b)；
?
參考文獻
1 陳立學,孫 彪,趙玉連. 微機總線與接口設計. 成都:電子科技大學出版社,1998
2 PCI2040 PCI-DSP Bridge Controller Data Manual. Texas?Instruments， 1999
3 TMS320VC5410 Fiexed-Point Digital Signal Processor.Texas? Instruments， 2000
4 武安河,周莉莉.Windows設備驅動程序(VxD與WDM)開發實務.北京:電子工業出版社,2001
5 Walter Oney.Programming the Microsoft Windows Driver Model.Microsoft Press，1999