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PCI 设备中在WINDOWS下编写DMA的方法作者:ppphaitaoamingpan 来源:驱动开发网 发布日期:2004-5-21 点击次数: 261对于在PCI总线上进行高速数据传输，通常采用直接数据存储（DMA）技术。在DMA方式下数据能够达到PCI总线规范的最大数据传输速率，所以在设备驱动程序的开发过程中，实现DMA的工作方式成为驱动程序的设计的重点。而对于DMA工作方式的设备驱动程序的开发又是设备驱动程序的难点，并且国内介绍这类的书籍又相对很少，给设计者带来很大困难。内核（Kernel）模式的驱动程序可以应用于WINDOWS NT和WINDOWS 2000的操作系统中。它区别于WDM(Win32 Driver Model)模型，主要不支持即插即用，但对于编程的思想二者基本上一致，对于本文所述的DMA编程的方法在WDM模式的驱动程序中一样适合。本文通过现有最常见的AMCC公司生产的AMCC S5933 PCI 控制芯片为例说明在WINDOWS NT平台下如何编写设备驱动程序以实现DMA传输方式。本文对基本的驱动程序设计技术不作详细的说明，重点介绍基于包的总线主控DMA方式的原理和对常见驱动程序例程的要求。并介绍这种模式下驱动程序的实现方法。文章从几个不同的方面进行全面的阐述。1、AMCC S59333控制芯片PCI主控DMA功能概述 AMCC S5933控制芯片，它具有实现完整的PCI主控模块和目标模块的接口功能。将复杂的PCI总线接口转换为相对简单的用户接口，用户只需要设计转换后的总线接口即可AMCC S5933有两个FIFO(先入先出)存储器，一个是PCI到ADD-ON（附加设备）的FIFO，另一个是从ADD-ON到PCI的FIFO。S5933通过它的FIFO接口在PCI总线上进行DMA传输（总线主控）。FIFO可以作为PCI的发起者也可以作为目标者。FIFO作为目标，PCI总线主控访问ADD-ON数据。FIFO作为发起者可以向PCI发送数据。PCI发起的DMA传输：此时FIFO作为目标。PCI发起的DMA传输必须通过总线主控控制状态寄存器（MCSR）来使能,读写使能分别控制，在驱动程序适配器控制（AdapterControl）例程设定这个寄存器。另外在驱动程序的设计中必须设定AMCC S5933读写地址寄存器（MWAR/MRAR）以及读写传输数据计数器（MWTC/MRTC）的值。AMCC S5933的DMA中断有下列几种情况：读传输计数器计到 0，写传输计数到0，或在DMA传输过程中PCI总线上发生错误。2、 内核式驱动程序的基本结构和编程技术驱动程序与应用程序的最大差别之一是驱动程序的控制结构，应用程序一直用main或WinMain函数控制运行。而驱动程序没有main或WinMain函数。它是由I/O（输入输出）管理器在下列情况下调用一个程序例程：1） 驱动程序被装入时。2） 驱动程序被卸出或系统被关闭时。3） 用户程序发出I/O系统服务调用时。4） 共享硬件资源对驱动程序可用时。5） 设备操作过程中的任何时候。任何设备驱动程序都必须拥有一个DriverEntry例程为每个驱动程序的入口点。下面简要说明驱动程序的分类。1）驱动程序初始化和清理例程：在任何时候开始处理I/O请求之前，它必须执行一些初始化任务。DriverEntry例程、Reinitialize例程、Unload例程、Shutdown例程和错误回调例程一般用来执行这些操作。2) I/O系统服务Dispatch（分发）例程：I/O管理器得到一个请求时，它使用请求的函数代码调用驱动程序中几个Dispatch例程中的一个。3）数据传输例程：根据设备的不同设备操作涉及到一些不同的例程，一般有Start I/O例程、中断服务（ISR）例程、延迟过程调用（DPC）例程4）资源同步回调：I/O管理器提供使用各种同步回调例程，使驱动程序更容易处理这些问题。当驱动程序需要访问某个共享资源时，它为该资源排队一个请求。当资源变得可用时，I/O管理器激活与该请求关联的一个驱动程序例程。驱动程序可以调用3种同步回调例程：ControllerControl回调例程、AdapterControl例程、SynchCritSection例程。5）其他的驱动例程：驱动程序可以包括下面的一些例程。Timer例程，在设备操作过程中跟踪时间的例程。Cancel I/O很长时间持有等待请求的任何驱动程序必须把一个Cancel I/O例程挂到该请求。如果请求被取消，I/O管理器调用Cancel I/O例程执行必要的清理操作。3 基于包的总线控制器DMA方式对DriverEntry例程的要求为了使设备能在WINDOWS NT操作系统下工作，我们必须编写设备驱动程序，在驱动程序中实现DMA的传输功能。我们采用基于包的总线控制器DMA方式进行数据传输。在这种工作模式下设计DriverEntry例程需要除了DriverEntry拥有通常的工作以外，DriverEntry例程还需要有下列额外的工作：1) 找到设备使用的DMA通道，这可以来自注册表（Registry）中的自动检测硬件信息，或者是硬件驱动程序的服务键Parameters子键中的硬编码。2) DriverEntry例程使用他的硬件信息构造DEVICE_DECRIPTION结构，并调用HalGetAdapter,找到与设备关联的Adapter对象。3) 保存由HalGetAdapter返回的Adapter对象的地址和映射寄存器的数目，以便在以后使用，通常把这些值放在Device Extension中。4) 设置所创建的任何Device对象的Flags域中的DO_DIRECT_IO位。引起I/O管理器锁定内存中的用户缓冲区，并为它们创建内存描述符（MDL）。下面部分代码为设备驱动程序DriverEntry例程的子程序，主要创建DMA对象的设备描述（DeviceDescription）。NTSTATUS1AmccCreateDevice (IN PDRIVER_OBJECT DriverObject,IN ULONG DeviceNumber,IN AMCC_PCI_Device_Info* device,IN PUNICODE_STRING RegistryPath) / Create a Device object for this device.status = IoCreateDevice(DriverObject, sizeof( AMCC_DEVICE_EXTENSION ),&deviceName, FILE_DEVICE_UNKNOWN,0,FALSE, &pDeviceObject );if( !NT_SUCCESS( status ) return status; / end if / Now register the PCI DMA controller with NT/ First create a Device Description for the Busmastering capabilityDeviceDescription=ExAllocatePool(PagedPool, sizeof(DEVICE_DESCRIPTION);RtlZeroMemory(DeviceDescription,sizeof(DEVICE_DESCRIPTION);/ the description for DMADeviceDescription-Version=DEVICE_DESCRIPTION_VERSION;DeviceDescription-Master=TRUE;/bus master modeDeviceDescription-ScatterGather=TRUE;/ for scatterGather modeDeviceDescription-Dma32BitAddresses=TRUE;/ 32-bit address bus transferDeviceDescription-IgnoreCount=FALSE;DeviceDescription-BusNumber=device-bus_number;/get bus numberDeviceDescription-InterfaceType=PCIBus;/ transfer in pci_busDeviceDescription-DmaWidth=Width32Bits;/ 32-bit dataDeviceDescription-MaximumLength= MAX_TRANSFER_SIZE; /the max transfer 226/ Now pass this description to NT for both the read and the write adapterspDeviceExt-ReadTransfer.NumberOfMapRegisters=160000;/maps registerpDeviceExt-ReadTransfer.Adapter=HalGetAdapter(DeviceDescription, &pDeviceExt-ReadTransfer.NumberOfMapRegisters);pDeviceExt-WriteTransfer.NumberOfMapRegisters=160000;pDeviceExt-WriteTransfer.Adapter=HalGetAdapter(DeviceDescription, &pDeviceExt-WriteTransfer.NumberOfMapRegisters);ExFreePool(DeviceDescription);if(pDeviceExt-WriteTransfer.Adapter=NULL|pDeviceExt-ReadTransfer.Adapter=NULL) IoDeleteSymbolicLink( &linkName );IoDeleteDevice( pDeviceObject );return STATUS_ADAPTER_HARDWARE_ERROR;return status;/end amccCreateDevice4 基于包的总线控制器DMA方式对AdapterControl例程的要求为了实现DMA的传输，这里不采用ReadFile和WriteFile来实现，而采用在分发例程中通过IOCTL的宏定义来实现DMA的读、写功能。当传输一个（I/O请求包）IRP的请求包到达驱动程序时，分发例程首先判断IRP堆中的控制代码的信息是否为DMA读和写的功能，如果为DMA的读写功能，判断在IRP堆中的输出缓存为零或Irp-MdlAddress中描述缓冲区的MDL的指针为空，返回错误的状态信息。否则驱动程序进入StartIo例程，在StartIo例程中判断是DMA的读还是写的方式。在这两种方式下，分别通过IoAllocateAdapterChannel传递到驱动程序的AdapterControl例程的MapRegisterBase句柄。AdapterControl例程应做以下一些工作：1）调用MmGetMdlVirtualAddress,调用它以得到进入MDL的索引，被要求作为MapTransfer的一个参数，MapTransfer调用它使得返还到IRP的缓冲区的系统物理内存变得可以访问。2）调用MmGetMdlByteCount得到MDL请求传输数据的字节数，在DpcForIsr例程中利用这个参数与当前传输的字节相减得到当前传输的信息。3） 保存DEVICE_EXTENSION中关于MDL的信息，保存必要的上下文信息4） 调用IoMapTransfer以映射IRP缓冲区的系统物理地址范围到总线控制器适配器的逻辑地址，驱动程序能为传输操作创建适配器。5） 启动设备，开始DMA传输。6） 返回DeallocateObjectKeepRegister,当每个DMA传输操作被完成时，另一个驱动程序例程（如DpcForIsr）必须调用 FlushAdaperBuffer清仓Adapter对象的Cache中的任何剩余的数据。通过对DEVICE_EXTENSION中PCI基地址信息和AMCC S5933中寄存器相应的偏移地址设置寄存器的值。它所包含的信息有：中断的设置，FIFO管理表、控制状态寄存器（MCSR）的设置、清写传输计数器（MWTC）和读传输计数器（MRTC）。当通过IoMapTransfer成功获取映射的物理地址，设置MWTC或MRTC，以及相应的映射的物理地址的起始地址，这样将成功启动DMA的传输。驱动程序运行Isr例程，Isr执行在高于DISPATCH_LEVEL的IRQL上。因此ISR中使用的所有代码和数据必须存在于非分页内存中，此外，ISR能调用的内核模式函数十分有限。因为ISR执行在提升的IRQL上，所以它冻结了其CPU上所有低于或等于该IRQL的其它活动。为了提高系统性能，你的ISR应该尽可能快地执行。基本上，只做服务硬件所需的最小量的工作，然后立即返回。如果有额外的工作需要做(例如完成一个IRP)，应该交给DPC来完成。尽管ISR的代码应该尽可能地短，但你不要把这个想法运用到极端。例如，如果某设备的中断是表明它已经为接收下一个字节而准备就绪，你就应该在ISR中直接发出这个字节。为了传输一个字节而调用DPC是愚蠢的。在DMA传输时必须调用DPC例程。读者可以阅读参考