利用WinDriver开发PCI设备驱动程序

摘要

WinDriver是Jungo公司出版的一个设备驱动程序开发组件，它可以大大加速PCI设备驱动程序的开发。作者在实际的项目中采用了WinDriver来开发设备驱动程序，取得了相当好的运行效果。从目前国内的资料上来看，大多数设计人员还是在用DDK、Wtools开发设备驱动程序，因而作者觉得有必要向大家介绍与推荐这个软件。
WinDriver是一套设备驱动程序开发组件，它的目的就是方便Windows程序员快速开发出PCI/ISA设备的Windows驱动程序（目前最新的版本V4.32还支持PCMCIA、USB设备的驱动程序的开发，并且除了支持Windows9X/NT系统外，还有支持Unix、Windows CE的版本推出）。利用WinDriver开发设备驱动程序，不需要熟悉操作系统的内核，整个驱动程序中的所有函数都是工作在用户态下的，通过与WinDriver的.Vxd或者.Sys文件交互来达到驱动硬件的目的。由于是一个用户态程序，效率的高低也就成了人们选择WinDriver时关心的一个问题。大量实践数据表明，WinDriver并没有通过牺牲系统性能来换取驱动程序的快速开发，的确是一个“像开发用户态程序那样简单，像核心态程序那样高效”[1]的开发工具。
图1是WinDriver的体系结构图。

1 WinDriver主要特征

·提供了从用户层访问硬件的简单方法；
·能够方便地将性能要求特别苛刻的部分通过Windriver提供的API插入到核心态模式运行，提高执行效率；
·对主流PCI接口芯片（AMCC、PLX、V3系列）提供了很好的支持；
·可以利用常见的软件开发平台（Visual C++、Borland C++、VB4、Java、Delphi）；
·支持I/O、DMA、中断处理，支持PCI、ISA、EISA设备的开发；
·无需DDK以及核心态程序开发的经验。

2 开发步骤

a.根据WinDriver的文档，建议开发步骤如下：
·修改代码，加入定制功能；
·在用户态执行与调试代码；
·将性能苛刻部分插入到核心态；
b.我们在实际编写驱动程序的过程中发现，完全用WinDriver提供API来写驱动程序比在Wizard生成的框架代码上修改更为灵活。一般来说，PCI驱动程序分成3个部分：初始化部分，对硬件资源的访问函数库、具体调用部分。其中，后面两个部分对于不同的硬件都是基本一致的。比如说，我们先后开发的基于AMCC5933与PLX9052的PCI接口卡，对于他们的硬件资源访问，用的都是WinDriver下面相同的API；两者开发的不同只在于初始化时对于硬件资源的锁定。所以只要开发出了针对一种接口芯片的系统的驱动代码后，以后一般只要修改接口芯片的ID值及一些寄存器的偏移值，就能够移植了，比每次生成不同的框架代码再改动也许要更简便。

3 实例分析

整个驱动程序的结构大致如下：
·打开WinDriver设备；
·查找我们要访问的PCI设备；
·枚举该设备的资源（内存、I/O、中断）；
·锁定该设备的资源只能为我们所用，不能被其他程序访问；
·访问板上的资源；
·解锁资源；
·关闭WinDriver设备。
以下为一段使用WinDriver开发的AMCC5933DMA的驱动代码，利用这个程序来演示WinDriver的程序结构。这个程序只要稍加修改，就可以用来作为其他PCI卡的驱动程序的一部分，例如PLX9050、9054。为了节省篇幅，省略了变量说明部分。程序中出现的变量大都由其名称可以反映含义，具体可以参见WinDriver的设计文档中的说明。
hWD=WD_Open(); //打开WinDriver设备，每次使用前必须调用；
pciScan.searched.dwVendorId=0x10e8; //AMCC公司供货号
pciScan.searched.dwDeviceId=0x4750; //AMCC5933的设备号
WD_PciScanCards (hWD,&pciSxcan); //枚举PCI槽上的设备
pciSlot =pciScan.cardSilt[0]; //假设只有我们一个设备得到设备槽的号码
pciCardInfo.pciSlot=pciSlot;
WD_PciGetCardInfo(hWD,&pciCardInfo); //得到该设备槽上的设备信息
Card=pciCardInfo.Card; //Card为一个反映PCI卡上资源的结构
cardReg.Card=Card;
WD_CardRegister(hWD,&cardReg); //向核心态登记，锁定卡上资源
Item=Card.Item[2]; //将卡上的号为2的资源赋给Item
if(Item.item==ITEM_MEMORY)
{
regAddr=Item.I.Mem.dwUserDirectAddr; //得到PCI卡上的内存映射到用户态的地址
}
Dma1.dwBytes=4*dwDWord;
Dma1.pUserAddr=pBuffer1;
Dma1.dwOptions=0;
WD_DMALock(hWD,&Dma1); //锁定用于DMA的内存资源
至此与PCI卡上的内存进行DMA传输的准备已经完成，下面只要写相应的控制字就可以启动DMA操作了。

4 常见问题的解答

（1）评估版本的功能限制及其解决
评估版本除了30天的限制外，与正式版本相比还有3个限制。其中影响最大的是所有的关闭函数（DMA锁定内存的解锁，资源的关闭…）都加了延时。这样我们在做数据采集卡的驱动程序时就要注意，最好只分配一次资源。比如说做DMA操作，不要反复地锁定内存，这样会在解锁时损失效率。一个折衷的方法是锁定DMA内存后，一旦这块内存写满后，就将其中数据拷到用户态程序分配的大内存中去。
（2）用WinDriver开的程序效率
在使用WinDriver或者VxdTools这类工具时，大家最关心的一个问题可能就是效率问题。从实践与分析来看，WinDriver生成的驱动代码的效率相当地高。比如PCI卡的高速数据采集涉及到DMA的应用，WinDriver提供相应的API来将卡上的内存映射到用户态程序所能直接访问的地址空间中，然后直接对这个映射后得到的地址进行DMA操作。也就是说，与用DDK来直接编写驱动程序的区别就在于地址映射的操作上，在这部分工作上面，用WinDriver的API肯定没有直接用DDK写的专门面向特定硬件优化的代码来得高效。但是这部分代码实际上属于初始化工作，这部分的效率高低事实上并不会影响总体上的效率。
实际中，用WinDriver编写的PCI驱动程序在赛扬466、64M内存的机器上，在8位模式下可以稳定地采集4～8Mbytes/s的数据。而且随着硬件设计的改变，肯定还有提高余地。
经过实际应用，发现WinDriver这个软件使用快速，无论是开发效率还是实际达到的性能指标都相当令人满意。特别对于硬件开发人员来说，可以不必了解繁琐的操作系统的内核知识，就可以快速地开发出驱动程序，对于调试硬件是一个很好的帮助工具。