ISA數(shù)據(jù)采集卡的WDM驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)

摘要：ISA設(shè)計在WINOWS新的驅(qū)動程序模型WDM（WINDOWS DRIVER MODEL）中沒有獲得很好的支持，使用WDM實現(xiàn)需要一些特殊處理。主要討論老式ISA設(shè)備的WDM驅(qū)動程序的設(shè)計與實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：Windows驅(qū)動程序模型（WDM） 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)（ISA） 數(shù)據(jù)采集

WDM作為微軟為WINDOWS 2000及以后版本準(zhǔn)備的新驅(qū)動模型，它可以在WINDOWS 98及以后的操作系統(tǒng)上共享。這種具有跨平臺性的設(shè)備驅(qū)動模型可以大大簡化驅(qū)動程序的開發(fā)工作。WDM支持PNP（即插即用），為用戶的PNP設(shè)備驅(qū)動完成了大量的底層工作。這也使得WDM對各種老設(shè)備，特別是那些不具有即插即用特性硬件的支持明顯的不足。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：必須檢測硬件，為硬件創(chuàng)建設(shè)備對象（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實際上是一個編寫驅(qū)動程序的規(guī)范。其驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)的特點和WINDOWS程序設(shè)計的消息驅(qū)動機制很相像，采用IRP驅(qū)動機制。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管理器來管理驅(qū)動程序的行為，管理的方法就是給驅(qū)動程序發(fā)送各種IRP，同時I/O管理器還負(fù)責(zé)傳遞這個設(shè)備的用戶請求給驅(qū)動程序。驅(qū)動程序不能直接操作硬件設(shè)備，而是通過一個叫做HAL（硬件設(shè)備抽象層）的層來訪問底層設(shè)備。HAL完成對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)的內(nèi)核稱為虛擬機管理器（VMM）。虛擬設(shè)備驅(qū)動程序（VxD）則使設(shè)備虛擬化，從而與虛擬機管理器形成虛擬機。Windows 9x的內(nèi)核不支持IRP，它通過模擬的方法支持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)動程序。也就是說，Windows 98是使用VxD技術(shù)實現(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)動程序面對的主要內(nèi)容是一系列內(nèi)核驅(qū)動對象。這些對象包括驅(qū)動對象、設(shè)備對象，還有一系列的資源抽象對象如中斷對象、適配器對象（處理DMA操作）、內(nèi)核模式派發(fā)器對象、控制器對象、推遲過程對象、定時器對象、設(shè)備隊列對象、回調(diào)對象等。其中驅(qū)動對象由I/O管理器負(fù)責(zé)創(chuàng)建和管理。設(shè)備對象代表用戶需要操作的物理或者是邏輯設(shè)備。設(shè)備對象負(fù)責(zé)管理自己設(shè)備所需要的各種資源對象。這些資源對象有的代表真正的物理設(shè)備如中斷對象、適配器對象、定時器對象；有的對象則是邏輯對象，它們是操作系統(tǒng)實現(xiàn)自己的特性所必需的，如推遲過程調(diào)用就是與操作系統(tǒng)的搶占式多任務(wù)的實現(xiàn)有關(guān)。WDM驅(qū)動程序利用IRP和這些對象完成硬件設(shè)備的抽象化，并對應(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)動程序的結(jié)構(gòu)很簡單。它的主體是一個入口函數(shù)DriverEntry。DriverEntry的第一個參數(shù)是指針，指向一個剛被初始化的驅(qū)動程序?qū)ο螅搶ο蟠眚?qū)動程序。WDM驅(qū)動程序的DriverEntry例程完成這個對象的初始化并返回。WDM驅(qū)動程序的DriverEntry例程的主要工作是把各種函數(shù)指針填入驅(qū)動程序?qū)ο蟆＿@些指針對操作系統(tǒng)指明了驅(qū)動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)動程序的清除例程。I/O管理器會在卸載驅(qū)動程序前調(diào)用該例程。通常WDM驅(qū)動程序的DriverEntry例程一般不分配任何資源，所以DriverUnload例程也沒有什么清除工作要做。

·DriverExtension->AddDevice指向驅(qū)動程序的AddDevice函數(shù)。AddDevice函數(shù)是WDM驅(qū)動程序的一個特殊函數(shù)，PNP管理器為每個設(shè)備實例調(diào)用該函數(shù)。它創(chuàng)建一個設(shè)備對象并把它連接到該驅(qū)動程序的設(shè)備堆棧中。在這個函數(shù)里，設(shè)備對象被創(chuàng)建，設(shè)備需要的中斷、DMA等資源被掛接到這個設(shè)備對象上，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)動程序使用標(biāo)準(zhǔn)的串行IRP，則必須使用這個函數(shù)，使它指向驅(qū)動程序的StarIo例程。

·MajorFunction是一個指針數(shù)組，它主要處理各種用戶的I/O請求IRP。默認(rèn)情總況下，用戶的所有I/O請求都會由I/O管理器返回失敗。驅(qū)動程序為要處理的IRP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)動程序的其余部分就是前面所指定的那些例程的實現(xiàn)。

2 為ISA設(shè)備分配資源

雖然WDM驅(qū)動程序可以簡化很多工作，但是給ISA設(shè)備編寫WDM驅(qū)動程序也有困難。這個困難是ISA設(shè)備所需資源的分配問題。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)啟動過程中可以動態(tài)地規(guī)劃調(diào)整各個設(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PNP管理器和INF文件完成ISA設(shè)備的自動資源分配。PNP管理器（PNP AMNAGER）依賴INF文件完成PNP管理。INF文件為設(shè)備、設(shè)備驅(qū)動程序、操作系統(tǒng)的安裝過程提供信息（包括PNP MANAGER）。為了兼容非PNP設(shè)備，INF文件支持幾個命令為設(shè)備分配資源。這些信息初提供給NPN管理器，并且被PNP管理器用來與系統(tǒng)其它部分協(xié)商以完成非PNP設(shè)備的自動資源分配。LOGCONFIG為設(shè)備制定一個可選的資源設(shè)定。還有相應(yīng)的IRQCONFIG、IOCONFIG、DMACONFIG、MEMCONFIG子命令，它們?yōu)樵O(shè)備指定具體的可選資源。語法如下：

[log-config-section-name>]

ConfigPririty=priority-value>

[DMAConfig=dma-list>]

[IOConfig=io-range-list]

[IRQConfig=irq-list>]

[MemConfig=mem-range-list>]

其中CONFIGPRIOITY命令指定這個LOGCONFIG項的優(yōu)先級。其余子命令表示設(shè)備選用的硬件資源。下面是一個例子：

[CX2590.Install]

……；其它命令

LogConfig=CX2590_DMA；指定配置項的名稱

[CX2590_DMA]；配置項的名稱

ConfigPriority=NORMAL；配置的優(yōu)先級

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)備資源的自動分配問題，就可以為ISA總線設(shè)備編寫WDM驅(qū)動程序。

3 一個ISA設(shè)備WDM驅(qū)動程序的實現(xiàn)

使用Numega公司的開發(fā)工具DriverStudio 2.01可以大大地簡化驅(qū)動程序的開發(fā)過程。DriverStudio開發(fā)通用內(nèi)核模式的開發(fā)包是DriverWorks。DriverWorks是一個面向?qū)ο蟮墓ぞ甙?。它封裝了比較底層的繁復(fù)操作，提供給開發(fā)者一個簡潔的界面。同時，DriverWorks和Visual C++有很多的接口：DriverWorks專門為Visual C++提供了一個專門開發(fā)WDM驅(qū)動程序的WIZARD。在WIZARD指導(dǎo)下，開發(fā)者可以很容易地生成一個驅(qū)動程序的框架。開發(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；還包括自動生成驅(qū)動程序與應(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)動程序的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動程序例程；包括DriverEntry驅(qū)動程序入口例程、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。對于WDM驅(qū)動程序，包括生成驅(qū)動程序接口（WDM專有），設(shè)備的符號連接，I/O傳輸方式以及WDM電源管理和處理PNP請求的IRP處理子程序。WIZARD完成后的代碼主要包括兩類，一類是驅(qū)動對象，它構(gòu)成一個驅(qū)動程序的框架；另一類是驅(qū)動程序的設(shè)備對象。驅(qū)動程序?qū)ο筘?fù)責(zé)創(chuàng)建并管理驅(qū)動程序設(shè)備對象。設(shè)備對象負(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)備對象是系統(tǒng)所有I/O操作的基石，一個驅(qū)動程序必須有一個或一個以上的設(shè)備對象才真正有意義。驅(qū)動對象和設(shè)備對象的關(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。如果說驅(qū)動對象是WINDOWS中的進(jìn)程，那么設(shè)備對象就像進(jìn)程中的線程，它們完成實現(xiàn)的I/O操作。設(shè)備對象使用保護(hù)成員變量來管理設(shè)備的資源，使用成員函數(shù)來處理各種IRP請求，并由這些函數(shù)完成實現(xiàn)的I/O操作。

筆者開發(fā)的高速旋轉(zhuǎn)機械監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)采用的是北京大恒公司的具有FIFO（隊列形式實現(xiàn)的緩存）的8路數(shù)據(jù)采集卡AC 1810。它的特點是由硬件自動完成采用操作：當(dāng)FIFO半滿的時候，系統(tǒng)產(chǎn)生中斷通知用戶取走數(shù)據(jù)；同時，硬件繼續(xù)自動采樣FIFO的另一關(guān)。驅(qū)動程序的主要工作包括設(shè)備I/O讀操作和中斷服務(wù)操作。下面是WIZARD生成的驅(qū)動對換和設(shè)備對象的定義（只取主要部分）：

// 驅(qū)動對象

class AC_1810 : public Kdriver

{

SAFE_DESTRUCTORS

public:

virtual NTSTATUS

DriverEntry(PUNICOE-STRING

RegistryPath);

//驅(qū)動程序的入口函數(shù)

virtual NTSTATUS

AddDevice(PDEVICE_OBJECT Pdo)；

//完成設(shè)備對象和驅(qū)動對象的連接

……

};

//設(shè)備對象

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:

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 StarIo(KIrp I);

// 開始I/O傳輸

VOID CancelQueuedIrp(KIrp I)；

// 判斷傳輸IPR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);

// 開始/停止采樣

……

protected:

KioRange m_IoPotrRange0

// 管理I/O資源

Kinterrupt m_Irq；

// 管理中斷資源

……

};

在實際操作過程中，采用中斷讀數(shù)的方法。在驅(qū)動程序中設(shè)置了兩個緩沖區(qū)，一個前臺緩沖區(qū)，一個后臺緩沖區(qū)（用作后備緩沖區(qū)），系統(tǒng)總是先使用前臺緩沖區(qū)。當(dāng)前臺緩沖區(qū)已滿而仍然未被讀出，系統(tǒng)觸發(fā)中斷時，此時使用后臺緩沖區(qū)。讀數(shù)的方法很簡單，系統(tǒng)先讀前臺緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，只有當(dāng)前臺緩沖區(qū)未滿而后臺緩沖區(qū)滿的時候才讀后臺緩沖區(qū)。這樣可以保證采樣數(shù)據(jù)序列的時間順序。

具體實現(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)不斷？未觸發(fā)則返回，判斷兩個緩沖區(qū)情況，都滿則返回

……

// 前臺緩沖區(qū)未滿，使用前臺緩沖區(qū)

if(m_pBuffer->numused MAX_READ_BUF){

for(int i=0;iBLOCK_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對設(shè)備進(jìn)行讀操作的時候，I/O管理器通知驅(qū)動程序并觸發(fā)對Read函數(shù)的調(diào)用。對于通常的串行設(shè)備，在Read函數(shù)的最后排隊IRP請求，此時系統(tǒng)就可以觸發(fā)StartIO例程，并且保證這個過程是串行處理的。

// 讀例程，處理IRP_MJ_READ

NTSTATUS AC_1810 Device::Read(KIrp I)

{

// 檢查輸入的合法性

if (I.ReadSize ()BLOCK_SIZE){

// 不合法返回錯誤代碼

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);

}

// 排隊這個IRP觸發(fā)StarIO,完成數(shù)據(jù)傳輸

return QueueIrp(I,LinkTo(CancelQueuedIrp));

}

// StartIo例程，完成I/O操作

VOID AC_1810 Device::StartIo(KIrp I)

{

// 檢測這個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:

//這個函數(shù)按邏輯完成讀操作

SerialRead(I);

Breadk

……

// 開始處理下一個IRP

PnpNextIrp(I);

break;

}

}

ISA卡的WDM驅(qū)動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。在中斷到來的時候，系統(tǒng)使用兩個緩沖區(qū)完成數(shù)據(jù)的傳輸，可以避免數(shù)據(jù)丟失。

以上驅(qū)動程序是使用Numega公司的DriverSutdio 2.01版,結(jié)合Visual C++ 6.0，Microsoft Windows 2000 sp1 DDk開發(fā)調(diào)試通過，并且成功地應(yīng)用到實驗室開發(fā)的高速旋轉(zhuǎn)機械實時狀態(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。