摘? 要： ISA設(shè)備在WINDOWS新的驅(qū)動(dòng)程序模型WDM(WINDOWS DRIVER MODEL)中沒(méi)有獲得很好的支持,使用WDM實(shí)現(xiàn)需要一些特殊處理。主要討論老式ISA設(shè)備的WDM驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞： Windows驅(qū)動(dòng)程序模型(WDM)? 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)(ISA)? 數(shù)據(jù)采集
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WDM作為微軟為WINDOWS 2000及以后版本準(zhǔn)備的新驅(qū)動(dòng)模型,它可以在WINDOWS 98及以后的操作系統(tǒng)上共享。這種具有跨平臺(tái)性的設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型可以大大簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)工作。WDM支持PNP(即插即用),為用戶的PNP設(shè)備驅(qū)動(dòng)完成了大量的底層工作。這也使得WDM對(duì)各種老設(shè)備,特別是那些不具有即插即用特性硬件的支持明顯不足。在科研和工控中,最常用的數(shù)據(jù)采集卡通常都是基于PC總線的不能為PNP提供硬件支持的ISA設(shè)備。為這類硬件編寫非WDM驅(qū)動(dòng)程序只能局部支持PNP特性,而且需要做大量額外的工作如：必須檢測(cè)硬件,為硬件創(chuàng)建設(shè)備對(duì)象(用于代表硬件),配置并初始化硬件使其正常工作,這些工作非常復(fù)雜。利用WDM可以避免這些麻煩。
1 WDM的結(jié)構(gòu)
WDM實(shí)際上是一個(gè)編寫驅(qū)動(dòng)程序的規(guī)范。其驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和WINDOWS程序設(shè)計(jì)的消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制很相像,采用IRP驅(qū)動(dòng)機(jī)制。WINDOWS 98和WINDOWS 2000處理IRP的方式一樣,本質(zhì)卻完全不同。
WINDOWS 2000主要由I/O" title="I/O">I/O管理器" title="管理器">管理器來(lái)管理驅(qū)動(dòng)程序的行為,管理的方法就是給驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送各種IRP,同時(shí)I/O管理器還負(fù)責(zé)傳遞這個(gè)設(shè)備的用戶請(qǐng)求給驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序不能直接操作硬件設(shè)備,而是通過(guò)一個(gè)叫做HAL(硬件設(shè)備抽象層)的層來(lái)訪問(wèn)底層設(shè)備。HAL完成對(duì)各種硬件差異的屏蔽。Windows 98內(nèi)核與Windows 2000內(nèi)核有很大的差別。Windows 98操作系統(tǒng)內(nèi)核稱為虛擬機(jī)管理器(VMM)。虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序" title="設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序">設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(VxD)則使設(shè)備虛擬化,從而與虛擬機(jī)管理器形成虛擬機(jī)。Windows 9x的內(nèi)核不支持IRP,它通過(guò)模擬的方法支持WDM和IRP。Windows 98包含了NTKERN.VXD (VMM32.VXD)系統(tǒng)模塊,該模塊含有大量Windows NT內(nèi)核支持函數(shù)的Windows實(shí)現(xiàn)。NTKERN.VXD使用與Windows 2000相同的方式創(chuàng)建IRP并發(fā)送IRP到WDM驅(qū)動(dòng)程序。也就是說(shuō),Windows 98是使用VxD技術(shù)實(shí)現(xiàn)WDM的。盡管Windows 98和Windows 2000的內(nèi)核完全不同,但是WDM的結(jié)構(gòu)在Windows 98和2000下可以認(rèn)為是完全相同的。
WDM驅(qū)動(dòng)程序面對(duì)的主要內(nèi)容是一系列內(nèi)核驅(qū)動(dòng)對(duì)象。這些對(duì)象包括驅(qū)動(dòng)對(duì)象、設(shè)備對(duì)象,還有一系列的資源抽象對(duì)象如中斷對(duì)象、適配器對(duì)象(處理DMA操作)、內(nèi)核模式派發(fā)器對(duì)象、控制器對(duì)象、推遲過(guò)程對(duì)象、定時(shí)器對(duì)象、設(shè)備隊(duì)列對(duì)象、回調(diào)對(duì)象等。其中驅(qū)動(dòng)對(duì)象由I/O管理器負(fù)責(zé)創(chuàng)建和管理。設(shè)備對(duì)象代表用戶需要操作的物理或者是邏輯設(shè)備。設(shè)備對(duì)象負(fù)責(zé)管理自己設(shè)備所需要的各種資源對(duì)象。這些資源對(duì)象有的代表真正的物理設(shè)備如中斷對(duì)象、適配器對(duì)象、定時(shí)器對(duì)象;有的對(duì)象則是邏輯對(duì)象,它們是操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自己的特性所必需的,如推遲過(guò)程調(diào)用就是與操作系統(tǒng)的搶占式多任務(wù)的實(shí)現(xiàn)有關(guān)。WDM驅(qū)動(dòng)程序利用IRP和這些對(duì)象完成硬件設(shè)備的抽象化,并對(duì)應(yīng)用程序提供統(tǒng)一操作接口。這就是所謂的WDM規(guī)范。
WDM驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單。它的主體是一個(gè)入口函數(shù)DriverEntry。DriverEntry的第一個(gè)參數(shù)是指針,指向一個(gè)剛被初始化的驅(qū)動(dòng)程序?qū)ο?該對(duì)象代表驅(qū)動(dòng)程序。WDM驅(qū)動(dòng)程序的DriverEntry例程" title="例程">例程完成對(duì)這個(gè)對(duì)象的初始化并返回。WDM驅(qū)動(dòng)程序的DriverEntry例程的主要工作是把各種函數(shù)指針填入驅(qū)動(dòng)程序?qū)ο蟆＿@些指針為操作系統(tǒng)指明了驅(qū)動(dòng)程序容器中各種子例程的位置。它包括下面這些指針成員：
·DriverUnload 指向驅(qū)動(dòng)程序的清除例程。I/O管理器會(huì)在卸載驅(qū)動(dòng)程序前調(diào)用該例程。通常WDM驅(qū)動(dòng)程序的DriverEntry例程一般不分配任何資源,所以DriverUnload例程也沒(méi)有什么清除工作要做。
·DriverExtension->AddDevice 指向驅(qū)動(dòng)程序的AddDevice函數(shù)。AddDevice函數(shù)是WDM驅(qū)動(dòng)程序的一個(gè)特殊函數(shù),PNP管理器為每個(gè)設(shè)備實(shí)例調(diào)用該函數(shù)。它創(chuàng)建一個(gè)設(shè)備對(duì)象并把它連接到該驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)備堆棧中。在這個(gè)函數(shù)里,設(shè)備對(duì)象被創(chuàng)建,設(shè)備需要的中斷、DMA等資源被掛接到這個(gè)設(shè)備對(duì)象上,相應(yīng)地處理函數(shù),如中斷服務(wù)例程等也被指定。
·DriverStartIo,如果驅(qū)動(dòng)程序使用標(biāo)準(zhǔn)的串行IRP,則必須使用這個(gè)函數(shù),使它指向驅(qū)動(dòng)程序的StartIo例程。
·MajorFunction是一個(gè)指針數(shù)組,它主要處理各種用戶的I/O請(qǐng)求IRP。默認(rèn)情況下,用戶的所有I/O請(qǐng)求都會(huì)由I/O管理器返回失敗。驅(qū)動(dòng)程序?yàn)橐幚淼腎RP指定相應(yīng)的派遣函數(shù)。
此外,還有一些重要的例程如用于處理中斷操作的中斷服務(wù)例程,為了提高系統(tǒng)中斷處理效率的中斷服務(wù)推遲調(diào)用例程等。
驅(qū)動(dòng)程序的其余部分就是前面所指定的那些例程的實(shí)現(xiàn)。
2 為ISA設(shè)備分配資源
雖然WDM驅(qū)動(dòng)程序可以簡(jiǎn)化很多工作,但是給ISA設(shè)備編寫WDM驅(qū)動(dòng)程序也有困難。這個(gè)困難是ISA設(shè)備所需資源的分配問(wèn)題。根據(jù)PNP的規(guī)范,支持PNP的設(shè)備如PCI總線設(shè)備有相應(yīng)的寄存器標(biāo)識(shí)自己和自己可以接受的資源,如中斷、端口范圍、內(nèi)存范圍等,并且有相應(yīng)的邏輯支持配置資源。這使得操作系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中可以動(dòng)態(tài)地規(guī)劃和調(diào)整各個(gè)設(shè)備的資源而不需要用戶的干預(yù)。為了使ISA設(shè)備具有這種PNP的特性,可以通過(guò)PNP管理器和INF文件完成ISA設(shè)備的自動(dòng)資源分配。PNP管理器(PNP MANAGER)依賴INF文件完成PNP管理。INF文件為設(shè)備、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、操作系統(tǒng)的安裝過(guò)程提供信息(包括PNP MANAGER)。為了兼容非PNP設(shè)備,INF文件支持幾個(gè)命令為設(shè)備分配資源。這些信息被提供給PNP管理器,并且被PNP管理器用來(lái)與系統(tǒng)其它部分協(xié)商以完成非PNP設(shè)備的自動(dòng)資源分配。LOGCONFIG為設(shè)備制定一個(gè)可選的資源設(shè)定。還有相關(guān)的IRQCONFIG、IOCONFIG、DMACONFIG、MEMCONFIG子命令,它們?yōu)樵O(shè)備指定具體的可選資源。語(yǔ)法如下：
????[
ConfigPriority=
[DMAConfig=
[IOConfig=
[IRQConfig=
[MemConfig=
其中CONFIGPRIOITY命令指定這個(gè)LOGCONFIG項(xiàng)的優(yōu)先級(jí)。其余子命令表示設(shè)備選用的硬件資源。下面是一個(gè)例子：
????[CX2590.Install]
……;其它命令
LogConfig=CX2590_DMA;指定配置項(xiàng)的名稱
[CX2590_DMA]??? ????? ??? ??????? ;配置項(xiàng)的名稱
ConfigPriority=NORMAL ?;配置的優(yōu)先級(jí)
IOConfig=4@300-3ff%3ff(3ff：：) ;指定IO范圍
IRQConfig=4，5，9，10，11??????????? ;指定可選的中斷
DMAConfig=0，1，2，3???????????????? ;指定可選的DMA
在INF文件中加入LOGCONFIG命令可以解決ISA總線設(shè)備資源的自動(dòng)分配問(wèn)題,就可以為ISA總線設(shè)備編寫WDM驅(qū)動(dòng)程序。
3 一個(gè)ISA設(shè)備WDM驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)
使用Numega公司的開(kāi)發(fā)工具DriverStudio 2.01可以大大地簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程。DriverStudio開(kāi)發(fā)通用內(nèi)核模式的開(kāi)發(fā)包是DriverWorks,DriverWorks是一個(gè)面向?qū)ο蟮墓ぞ甙Ｋ庋b了比較底層的繁復(fù)操作,提供給開(kāi)發(fā)者一個(gè)簡(jiǎn)潔的界面。同時(shí),DriverWorks和Visual C++有很好的接口：DriverWorks專門為Visual C++提供了一個(gè)專門開(kāi)發(fā)WDM驅(qū)動(dòng)程序的WIZARD。在WIZARD指導(dǎo)下,開(kāi)發(fā)者可以很容易地生成一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序的框架。開(kāi)發(fā)者要作的工作就是根據(jù)特定硬件編寫相應(yīng)的代碼。
WIZARD生成的框架不僅包括設(shè)定設(shè)備的資源如中斷、IO端口范圍、內(nèi)存范圍;還包括自動(dòng)生成驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用程序的接口命令及處理這些命令的處理函數(shù),生成標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)程序的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)程序例程;包括DriverEntry驅(qū)動(dòng)程序入口例程、UnLoad卸載例程、Dispach標(biāo)準(zhǔn)派發(fā)器例程、StartIO標(biāo)準(zhǔn)I/O傳輸例程、中斷處理例程等。對(duì)于WDM驅(qū)動(dòng)程序,包括生成驅(qū)動(dòng)程序接口(WDM專有),設(shè)備的符號(hào)連接,I/O傳輸方式以及WDM電源管理和處理PNP請(qǐng)求的IRP處理子程序。WIZARD完成后的代碼主要包括兩類,一類是驅(qū)動(dòng)對(duì)象,它構(gòu)成了一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序的框架;另一類是驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)備對(duì)象。驅(qū)動(dòng)程序?qū)ο筘?fù)責(zé)創(chuàng)建并管理驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備對(duì)象。設(shè)備對(duì)象負(fù)責(zé)管理硬件的各種資源如I/O、IRQ、DMA。它還負(fù)責(zé)處理各種IRP的例程。設(shè)備對(duì)象是系統(tǒng)所有I/O操作的基石,一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序必須有一個(gè)或一個(gè)以上的設(shè)備對(duì)象才真正有意義。驅(qū)動(dòng)對(duì)象和設(shè)備對(duì)象的關(guān)系很象WINDOWS系統(tǒng)中進(jìn)程和線程的關(guān)系：進(jìn)程是可執(zhí)行代碼(就是線程)的框架。如果說(shuō)驅(qū)動(dòng)對(duì)象是WINDOWS中的進(jìn)程,那么設(shè)備對(duì)象就像進(jìn)程中的線程,它們完成實(shí)際的I/O操作。設(shè)備對(duì)象使用保護(hù)成員變量來(lái)管理設(shè)備的資源,使用成員函數(shù)來(lái)處理各種IRP請(qǐng)求,并由這些函數(shù)完成實(shí)際的I/O操作。
筆者開(kāi)發(fā)的高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)" title="故障診斷系統(tǒng)">故障診斷系統(tǒng)采用的是北京大恒公司的具有FIFO(隊(duì)列形式實(shí)現(xiàn)的緩存)的8路數(shù)據(jù)采集卡AC 1810。它的特點(diǎn)是由硬件自動(dòng)完成采樣操作：當(dāng)FIFO半滿的時(shí)候,系統(tǒng)產(chǎn)生中斷通知用戶取走數(shù)據(jù);同時(shí),硬件繼續(xù)自動(dòng)采樣FIFO的另一半。驅(qū)動(dòng)程序的主要工作包括設(shè)計(jì)I/O讀操作和中斷服務(wù)操作。下面是WIZARD生成的驅(qū)動(dòng)對(duì)象和設(shè)備對(duì)象的定義(只取主要部分)：
// 驅(qū)動(dòng)對(duì)象
class AC_1810 ： public KDriver
{
SAFE_DESTRUCTORS
public：
virtual NTSTATUS
DriverEntry(PUNICODE_STRING
RegistryPath)；
// 驅(qū)動(dòng)程序的入口函數(shù)
virtual NTSTATUS
AddDevice(PDEVICE_OBJECT Pdo)；
// 完成設(shè)備對(duì)象和驅(qū)動(dòng)對(duì)象的連接
……
}；
// 設(shè)備對(duì)象
class AC_1810Device ： public KPnpDevice
{
// Constructors
public：
AC_1810Device(PDEVICE_OBJECT Pdo，
ULONG Unit)； // 構(gòu)造函數(shù)完成資源配置
……
public：
BOOLEAN Isr_Irq(void)；?? // IRQ中斷服務(wù)例程
virtual NTSTATUS Create(KIrp I)；???????????
// 標(biāo)準(zhǔn)IRP處理函數(shù)
virtual NTSTATUS Close(KIrp I)；???????????????????
// COMMENT_ONLY
virtual NTSTATUS Read(KIrp I)；????????????????????
// COMMENT_ONLY
virtual VOID StartIo(KIrp I)；?????????????????????????
// 開(kāi)始I/O傳輸
VOID CancelQueuedIrp(KIrp I)；?????????????
// 判斷傳輸IRP是否被取消
VOID Invalidate(void)；??????????????????????????????????
// 釋放資源例程
virtual NTSTATUS DefaultPnp(KIrp I)； ??
// 處理默認(rèn)的PNP操作
virtual NTSTATUS DefaultPower(KIrp I)； ?????
// 管理電源
void SerialRead(KIrp I)； ????????????????????????
// 完成實(shí)際的I/O操作
NTSTATUS IOCTL_SETUP_Handler(KIrp I)；
//采樣參數(shù)設(shè)定
NTSTATUS IOCTL_REW_Handler(KIrp I)；?
// 開(kāi)始/停止采樣
……
protected：
KIoRange???????????????????? m_IoPortRange0；?
// 管理I/O資源
KInterrupt??????????????????? m_Irq；???????????????
// 管理中斷資源
……
}；
在實(shí)際操作過(guò)程中,采用中斷讀數(shù)的方法。在驅(qū)動(dòng)程序中設(shè)置了兩個(gè)緩沖區(qū),一個(gè)前臺(tái)緩沖區(qū),一個(gè)后臺(tái)緩沖區(qū)(用作后備緩沖區(qū)),系統(tǒng)總是先使用前臺(tái)緩沖區(qū)。當(dāng)前臺(tái)緩沖區(qū)已滿而仍然未被讀出,系統(tǒng)觸發(fā)中斷時(shí),此時(shí)使用后臺(tái)緩沖區(qū)。讀數(shù)的方法很簡(jiǎn)單,系統(tǒng)先讀前臺(tái)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù),只有當(dāng)前臺(tái)緩沖區(qū)未滿而后臺(tái)緩沖區(qū)滿的時(shí)候才讀后臺(tái)緩沖區(qū)。這樣可以保證采樣數(shù)據(jù)序列的時(shí)間順序。
具體實(shí)現(xiàn)如下：
// ISR例程,完成數(shù)據(jù)從FIFO中讀出
BOOLEAN AC_1810Device：：Isr_Irq(void)
{
// 是否觸發(fā)中斷?未觸發(fā)則返回,判斷兩個(gè)緩沖區(qū)情況,都滿則返回
……
// 前臺(tái)緩沖區(qū)未滿,使用前臺(tái)緩沖區(qū)
if(m_pBuffer->numused < MAX_READ_BUF )?? {
????????????? for( int i = 0；i < BLOCK_SIZE； i++){
???????????????????? m_pBuffer->buff[m_pBuffer->numused+i]
???? ??????????????????????? =READ_FIFO；
????????????? }
m_pBuffer->numused += BLOCK_SIZE；
}
else
// 完成其它情況的判斷
……
return TRUE； // 中斷成功返回
}
當(dāng)應(yīng)用程序使用標(biāo)準(zhǔn)Win32 API對(duì)設(shè)備進(jìn)行讀操作的時(shí)候,I/O管理器通知驅(qū)動(dòng)程序并觸發(fā)對(duì)Read函數(shù)的調(diào)用。對(duì)于通常的串行設(shè)備,在Read函數(shù)的最后排隊(duì)IRP請(qǐng)求,此時(shí)系統(tǒng)就可以觸發(fā)StartIO例程,并且保證這個(gè)過(guò)程是串行處理的。
// 讀例程,處理IRP_MJ_READ
NTSTATUS AC_1810Device：：Read(KIrp I)
{
// 檢查輸入的合法性
?????? if ( I.ReadSize()< BLOCK_SIZE ) {
???? ????????? // 不合法返回錯(cuò)誤代碼
???????? ????? I.Information() = 0；
???????????? ? return I.PnpComplete(this，
????????????? STATUS_INVALID_PARAMETER)；
}
// 讀0字節(jié),永遠(yuǎn)成功
if (I.ReadSize() == 0){
???? ????????? I.Information() = 0；
???????? ????? return
???????????? ? I.PnpComplete(this， STATUS_SUCCESS)；
?????? }
// 排隊(duì)這個(gè)IRP觸發(fā)StartIO,完成數(shù)據(jù)傳輸
return QueueIrp(I， LinkTo(CancelQueuedIrp))；
}
// StartIo例程,完成I/O操作
VOID AC_1810Device：：StartIo(KIrp I)
{
// 檢測(cè)這個(gè)IRP是否被取消
?????? if (!I.TestAndSetCancelRoutine(LinkTo(CancelQueuedIrp)，NULL，CurrentIrp()) )
????????????? {
????????????? return； // 取消則返回
????????????? }
????????????? switch (I.MajorFunction()){
????????????? case IRP_MJ_READ：
????????????? //這個(gè)函數(shù)按邏輯完成讀操作
???????????????????? SerialRead(I)；
???????????????????? break；
???????????????????? ……
????????????? // 開(kāi)始處理下一個(gè)IRP
????????????? PnpNextIrp(I)；
????????????? break；
}
}
ISA卡的WDM驅(qū)動(dòng)程序的主體部分就完成了。它具有PNP功能,可以方便地安裝卸載。在中斷到來(lái)的時(shí)候,系統(tǒng)使用兩個(gè)緩沖區(qū)完成數(shù)據(jù)的傳輸,可以避免數(shù)據(jù)丟失。
以上驅(qū)動(dòng)程序是使用Numega公司的DriverStudio2.01版,結(jié)合Visual C++ 6.0,Microsoft Windows 2000 sp1 DDK開(kāi)發(fā)調(diào)試通過(guò),并且成功地應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)中,該系統(tǒng)界面友好高度可靠。同時(shí)由于加入了PNP的支持,使得該系統(tǒng)的硬件安裝卸載非常簡(jiǎn)便。這種技術(shù)可取代傳統(tǒng)的以DOS為核心的工業(yè)用監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng),具有廣闊的應(yīng)用前景。
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參考文獻(xiàn)
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