PCI总线高速DMA数据传输驱动程序设计

1、PCI总线高速DMA数据传输驱动程序设计 Design of Device Driver for High-Speed DMA Communication on PCIBus(中国电子科技集团公司第41研究所,安徽 蚌埠233006黄文南摘 要:应用PLX公司的PCI9054芯片, 开发PCI设备的DMA数据传输驱动程序, 主要介绍了在WinDriver平台上的具体实现及应注意的问题。关键词:PCI总线;DMA;设备驱动程序Abstract:The design of Windows device driver for high-speed DMA communication based on

2、 PCI bus is introduced,and its implementation on WinDriver platform is presented.Key words:PCI bus;DMA;device driverPCI总线由于其高性能、低成本、开放性,目前在工业控制计算机方面得到了广泛的应用。PCI总线工作频率为33 MHz/66 MHz,采用32位/64位地址/数据复用总线。数据传输速率在33 MHz时钟,32位总线宽度下可达132 MB/s,远远高于ISA 总线5 MB/s的传输速率;PCI总线支持突发成组传输,一个突发分组由一个地址期与多个数据期组成,大大提高了数据的

3、传输效率;PCI总线独立于处理器,采用总线控制与同步操作,具有极小的存取时延。在开发通信分析仪时需要大量高速的数据捕获,基于PCI总线的这些特性,数据捕获接口板采用了32位的PCI总线与主机接口。1 PCI9054总线控制器简介为简化电路设计与提高设计的效率与可靠性,数据捕获PCI接口板采用了专用的控制芯片PCI9054。PCI9054是由美国PLX公司生产的先进的PCI I/O加速器,采用了先进的PLX数据流水线结构技术,符合PCI本地总线规范2.2版; 针对不同的处理器及局部总线特性, 有M、C、J三种模式可选; 配有可选的串行E2PROM接口,本地总线时钟可与PCI时钟异步。PCI905

4、4内部有6种可编程的FIFO,以实现零等待突发传273输及本地总线与PCI总线之间的异步操作;支持主模式、从模式、DMA传输方式,被广泛应用于嵌入式系统中,是目前主控设备PCI桥接器的主流芯片。2 PCI设备DMA数据传输的驱动程序设计2.1 开发环境介绍Windows2000是纯32位的操作系统, 由于其运行的稳定性及可靠性较WIN9X 要高,因此在工业控制中,一般采用Windows2000作为运行平台。笔者开发的通信分析仪采用了Windows2000操作系统。由于Windows 2000禁止用户模式的程序访问I/O端口(Windows 95/98则允许用户程序直接访问I/O端口,用户应用程

5、序一般需通过设备驱动程序实现对设备的控制。为了实现PCI接口板的数据捕获必须编写相应设备驱动程序。在Windows2000下,主要设备驱动程序的模型为WDM(Win32 drivers model,它是在原WINNT驱动模型KDM(kernel driver mode上增加即插即用(P&P和电源管理等功能而形成的。开发设备驱动程序与开发用户应用程序是完全不同的,开发设备驱动程序需要对系统内核有深入的了解,因此开发的难度较大。经过比较选用了JUNGO公司提供的WinDriver驱动开发平台。 WinDriver通过提供一组底层API函数调用使开发人员可以在用户层完成设备驱动程序开发, 使

6、用通用的VC+6.0环境等就可以完成驱动程序的开发与调试。针对PCI9054接口芯片,WinDriver提供了相应API函数调用,如数据的读写,DMA操作,中断服务等,大大方便了驱动程序的开发。2.2 DMA数据传输的方案设计在PCI接口板上,设有两块128 KB的RAM用作捕获数据的缓存,采用乒乓方式与主机内存进行DMA传输,当一个缓冲区捕获满时,产生一个中断通知主机,同时下一次捕获的数据将被放入另一块缓冲区中。主机收到捕获满中断后启动一次DMA传输,将获捕的数据放入主机的内存缓冲区中,然后进行数据的处理与显示。在本设计中,PCI9054以C总线模式工作。因为数据捕获量大,达到38 MB/s

7、,为了提高数据的存取速度,采用了无限突发的DMA方式。采用DMA通道0作为传输通道,每次传输的数据量为128 KB大于一页(4 KB,所以DMA的传输方式置为分散/聚拢方式。当DMA传输结束后,以中断方式通知主机。PCI接口板与主机的DMA传输示意图如图1所示。274 图1 主机与本地设备的DMA传输示意图2.3 DMA驱动程序开发在开发PCI设备驱动程序中,首先需确定PCI9054配置E2PROM的值,因为PCI9054的初始化是根据其配置E2PROM中的值来进行的。当系统检测到PCI设备后,通过WinDriver提供的DriverWizard自动生成驱动程序框架,及*.inf文件。WinD

8、river为PCI9054提供了一组API函数,但是其提供的DMA 函数不是基于突发方式的,并且是以查询方式来检测DMA是否结束,比较适用于一次DMA读写。因此在本设计中,对其提供的DMA API函数及中断相关的函数进行改写,即在DMAOpen(函数中,需对DMAMODE寄存器的本地突发使能位(BIT8与BTERM输入使能位(BIT7置位,否则,DMA操作只能完成一个双字的突发传输,只有将此二位置1后,才能完成指定长度的DMA传输。因为传输量超过 4 KB,所以要置为分散/聚拢(scatter/gather模式(BIT9,同时使能DMA 中断完成位(BIT10与DMA通道0中断选择位(BIT1

9、7。重写DMA启动函数DMAStart(,设置每次DMA传输所需的PCI地址(主机物理内存地址、本地地址、传输大小、传输方向等,并置DMA启动位。这样每次数据捕获满中断到来,启动DMA传输时,只需调用DMAStart(函数即可。如果采用Windriver提供的DMAWriteRead函数,每进行一次DMA传输都要重新打开一个DMA,分配空间,设置各种相应的寄存器等,增加了DMA传输的CPU开销。笔者曾测试过,当进行数据全速捕获时,如果采用Windriver提供的DmaWriteRead函数及DMA完成查询方式,CPU的负荷最高可达80%,严重影响了系统其他程序的执行。当采用修改后的DmaSta

10、rt(函数及DMA中断方式后,全速进行数据捕获时, CPU的负荷只有25%左右,大幅降低了CPU的负荷,保证了整个系统软件的正常执行。在DMAStart(函数中,需要注意的是PCI地址寄存器的设置,因为传输数据量275 大于一页(4 KB,所以采用了分散/聚拢方式,即以分散的物理内存块映射连续分配的用户地址空间。与内存块分配方式不同,这时不是设置DMA 的PCI 地址与本地地址寄存器,而是设置DMA 通道描述符寄存器(DMADPR。通过函数WD_DMALock(在物理内存中锁定所需大小的存储空间,取得每页的物理地址,大小及相对应的本地地址放入地址描述块链表中,在DMADPR 寄存器中设置初始的

11、描述块地址。DMA 操作启动后,PCI9054调入第一块的地址进行传输,完成后调入第二块,直到遇到链表的结束位为止(DMADPR 的BIT1为1。在InterruptEnable(中断使能函数中,定义捕获满及DMA 完成中断的清除操作,使能本地PCI 中断(捕获中断及DMA 通道 0中断,定义中断入口程序。在用户层的中断处理程序中,按中断状态位分别处理捕获中断与DMA 完成中断。如果是捕获中断则启动一次DMA 传输;如果是DMA 完成中断,则对捕获数据进行处理。将所有与硬件有关的API 函数打包成动态链接库。在主机的用户应用程序中,程序初始化时将其调入。在数据捕获功能中对相应的DMA 函数进行

12、调用,程序流程图如图2 276图2 程序流程图与设备操作相关的API函数如表1所示。表1PCI设备操作相关的API函数列表API函数名作用LocateAndOpenBoard 定位PCI板卡打开PCI设备,分配资源ReadReg 读32位寄存器WriteReg 写32位寄存器IntEnable 使能中断IntDisable 关闭中断DMAOpen 打开一个DMADMAClose 关闭DMADMAStart 启动一次DMA传输P9054_Open 打开一个PCI设备P9054_Close 关闭一个PCI设备2.4 驱动程序设计中应注意的问题在驱动程序开发过程中,确定PCI9054配置E2PROM

13、的值是很重要的一步,需对PCI总线的工作方式及对PCI9054的各种寄存器的作用有充分的了解,如果设置不正确,系统就无法检测到PCI接口板,或者即使检测到了,读写也可能不正常,使驱动程序的开发无法进行下去。在中断使能函数中,如果中断处理部分放在用户层,那么一定要在中断使能函数中,预先定义好各种中断的清除操作,因为PCI中断为电平中断,为了保证中断的及时清除,这一部分必须由内核来做,不能放在用户层的中断处理部分来做。如果中断频率很高,则应该将中断处理部分放入内核插件中处理。在用户层中断响应为每秒10000次,而在内核方式下为每秒100000次。对于DMA传输地址的设置,要注意是用主机内存的物理地址来设置DMA的PCI地址寄存器。为了保证传输的连续进行,所分配的这段主机内存必须是非分页277内存, 以保证不会被交换出去, 所以必须用 WD_DMALock(函数来分配并锁定内存, 而不能用一般的内存分配函数. 3 结束语 PCI 总线已成为工业控制计算机中的主流总线结构, 本设计采用 PCI 总线 DMA 方式实现了大量高速的数据捕获,满足了设计的要求.采用 WinDriver 驱动开发平 台,使难度较大的 Windows 驱动程序开发变得容易,大大缩短了驱动程序开发与调 试的时间.所有 PCI 设备的操