基于WinDriver的多路串行設(shè)備驅(qū)動開發(fā)

摘要：工業(yè)控制計算機中廣泛使用串行接口UART與外圍設(shè)備進行通信，同時，Windows操作系統(tǒng)以其友好的UI界面被廣泛采用。文中闡述了UART設(shè)備的工作原理，并利用Jungo公司的WinDriver軟件實現(xiàn)了Windows操作系統(tǒng)下一種PCI轉(zhuǎn)多路UART設(shè)備的驅(qū)動開發(fā)。

0 引言

XR17D158是在工業(yè)控制計算機中被廣泛使用的一種PCI轉(zhuǎn)8路UART接口芯片。本文首先介紹Window操作系統(tǒng)驅(qū)動程序和開發(fā)工具Win Driv er軟件，并通過該軟件完成XR17D158在Windows系統(tǒng)下驅(qū)動程序的開發(fā)。并以此為基礎(chǔ)，提出了一種利用WinDrive工具開發(fā)PCI總線設(shè)備驅(qū)動程序的軟件架構(gòu)。

1 Windows操作系統(tǒng)驅(qū)動開發(fā)

Windows操作系統(tǒng)以其友好的用戶圖形界面和強大的功能在工業(yè)控制計算機領(lǐng)域廣泛使用。但是Windows對系統(tǒng)底層操作進行了屏蔽，限制應(yīng)用程序直接訪問硬件資源，應(yīng)用程序需要調(diào)用設(shè)備的驅(qū)動程序訪問硬件資源，而開發(fā)Windows環(huán)境下的驅(qū)動程序，需要對操作系統(tǒng)內(nèi)核的運行機制有深入的了解。

美國Jungo公司的WinDriver驅(qū)動程序工具包使程序設(shè)計人員不需要掌握Windows操作系統(tǒng)內(nèi)核的相關(guān)內(nèi)容，只需要調(diào)用WinDriver提供的接口函數(shù)就可以直接訪問系統(tǒng)硬件資源，減輕了設(shè)計人員的開發(fā)難度。WinDriver同時支持PCI/CardBus/ISA/ISAPnP/EISA/CompactPCI和USB等多種總線結(jié)構(gòu)。

WinDriver驅(qū)動程序的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

利用WinDriver開發(fā)驅(qū)動，可以使用內(nèi)核插入模式和用戶模式。內(nèi)核插入模式效率高，但編寫復(fù)雜，需要編寫者對操作系統(tǒng)內(nèi)核和微軟提供的DDK(Device Driver Kits)都有深入的了解。用戶模式下，開發(fā)人員通過WinDriver Wizard圖形化界面的引導(dǎo)：首先，生成所要開發(fā)設(shè)備的.inf文件，其次，生成設(shè)備驅(qū)動程序源代碼模板。該模板由三部分組成：1)WinDriver提供給用戶的設(shè)備訪問庫函數(shù)WDC Lib;2)Win Driv er所產(chǎn)生的設(shè)備操作例程，用以檢查設(shè)備的硬件功能是否正常;3)用戶開發(fā)環(huán)境，包括：Visual Studio、Delphi等。

2 XR17D158工作原理

2.1 XR17D158簡介

XR17D158是EXAR公司生產(chǎn)的一款PCI總線UART芯片，符合PCI2，3規(guī)范。XR17D158擁有8路獨立的UART接口，每路UART接口兼容16C550的配置寄存器和64字節(jié)的發(fā)送/接收FIFO。XR17D158每路UART接口的數(shù)據(jù)傳輸速率可進行設(shè)置，最高速率可達921.6kbps。

XR17D158內(nèi)部的寄存器用來實現(xiàn)PCI設(shè)備的配置、芯片自身的狀態(tài)監(jiān)控和串行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。X86體系結(jié)構(gòu)下，系統(tǒng)上電后，BIOS將讀取XR17D158的PCI信息，根據(jù)系統(tǒng)的硬件架構(gòu)為XR17D158分配存儲地址、端口地址和中斷號等信息。并將信息寫入PCI配置寄存器中，例如系統(tǒng)會將XR17D158的UART配置寄存器基地址寫入BAR0(10H)中。

2.2 XR17D158芯片配置

2.2.1 波特率設(shè)置

XR17D158的8路UART接口可以配置不同的波特率，波特率計算公式為：

式(1)中，MCR[7]代表域分頻系數(shù)，分頻系數(shù)由每路UART接口的DLM和DLL寄存器控制，對一路UART接口的波特率配置步驟如下：

(1)LCR[7]置1，使能DLM、DLL寄存器;

(2)EFR[4]置1，使能MCR[7：5];

(3)設(shè)置MCR[7]，MCR[7]=0，預(yù)分頻系數(shù)為1，MCR[7]=1，預(yù)分頻系數(shù)為4;

(4)設(shè)定分頻系數(shù)，根據(jù)所要設(shè)定的波特率，利用式(1)計算分頻系數(shù)，并將分頻系數(shù)寫入DLM、DLL寄存器中;

(5)EFR[4]清0，鎖存MCR[7]。

2.2.2 UART接口數(shù)據(jù)接收

UART接口的數(shù)據(jù)接收部分由接收移位寄存器(RSR)和接收保持寄存器(RHR)組成，RSR檢測接收到的每一位數(shù)據(jù)的有效性，當檢測到停止位時，表明一個字符接收完畢，RSR將數(shù)據(jù)裝入RHR中。數(shù)據(jù)準備好中斷(ISR[2]=1)會在數(shù)據(jù)裝入RHR，或者在接收FIFO使能并且接收數(shù)據(jù)達到設(shè)定的FIFO觸發(fā)條件時產(chǎn)生。處理器可以利用查詢方式和中斷方式讀取XR17D158接收FIFO的數(shù)據(jù)。兩種方式實現(xiàn)的步驟為：

(1)查詢方式：1)設(shè)置UART通道的波特率;2)中斷使能寄存器[IER]清0，禁止所有中斷;3)讀取線路狀態(tài)寄存器(LSR);4)如果LSR[0]=0，表示RHR或者接收FIFO中沒有數(shù)據(jù)，等待一定時間后，重復(fù)第3)步;5)如果LSR[0]=1，表示RHR或者接收FIFO中已經(jīng)保存有接收到的數(shù)據(jù)，此時讀取RHR中的數(shù)據(jù)，并重復(fù)第3)步。

(2)中斷方式：1)設(shè)置UART通道的波特率;2)IER[0]置1，使能RHR中斷;3)當PCI總線上產(chǎn)生中斷時，讀取INT0寄存器，確定產(chǎn)生中斷的通道號;4)讀取INT1、INT2、INT3寄存器，確定產(chǎn)生中斷的UART接口序號和中斷源;5)讀取RHR中的數(shù)據(jù)。

2.2.3 UART通道數(shù)據(jù)發(fā)送

發(fā)送數(shù)據(jù)過程，有效數(shù)據(jù)由主機寫入UART接口中的發(fā)送FIFO寄存器，當發(fā)送保持寄存器(THR)清空標志位ISR[1]=1，表示發(fā)送FIFO中的數(shù)據(jù)減少到滿足設(shè)定的觸發(fā)中斷條件而引起中斷，在輸出移位寄存器(TSR)中，由發(fā)送控制邏輯在待發(fā)送數(shù)據(jù)加上起始位、奇偶校驗位和終止位，并按設(shè)定的時鐘頻率逐位移出數(shù)據(jù)。

3 開發(fā)實例

使用WinDriver用戶模式開發(fā)的驅(qū)動程序，實則是為上層的應(yīng)用程序提供一組訪問設(shè)備的接口函數(shù)，實現(xiàn)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備的初始化、讀操作、寫操作和設(shè)置等。

XR17D158的驅(qū)動程包含：UART接口打開函數(shù)XR17D158_Open()、UART接口讀函數(shù)XR17D158_Read()、UART寫函數(shù)XR17D158 Write()和UART接口關(guān)閉函數(shù)XR17D158 Close()。為了提高驅(qū)動效率，可以在內(nèi)存中分別開辟一個接收緩沖區(qū)和一個發(fā)送緩沖區(qū)，XR17D158 Read()和XR17 D158 Write()不直接訪問硬件設(shè)備，而是通過對內(nèi)存緩_區(qū)的讀寫，實現(xiàn)對XR17D158的讀操作和寫操作。本文提出的驅(qū)動程序架構(gòu)如圖2所示。

圖2中，XR17D158 Open()中注冊的中斷服務(wù)程序XR17D158 Handle()完成XR17158的數(shù)據(jù)接收與發(fā)送;XR17D158 Read()和XR17D158 Write()為應(yīng)用層提供讀/寫接口，通過內(nèi)存緩_區(qū)接收XR17D158_Handle()的數(shù)據(jù)或向XR17D158_Handle()發(fā)送數(shù)據(jù)。

XR17D158_Open()使用WDC_PciReadCfg()和WDC_PciWriteCfg()實現(xiàn)對XR17D158PCI配置空間的訪問，使用WDC_ReadAddr8()和WDC_Write Addr80實現(xiàn)對XR17D158中設(shè)備配置寄存器和UART配置寄存器的操作，如UART接口波特率的配置：

UAR了接口數(shù)據(jù)的讀取可以使用查詢方式或者接口方式，但是查詢方式要求處理器周期地對XR17D158的狀態(tài)進行檢測，處理器的效率較低。因此本文使用中斷的方式完成UART接口數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。中斷服務(wù)程序XR17D158 Handle()的工作過程過程如下：

XR17D158_Handle()實現(xiàn)UART接口和內(nèi)存緩沖區(qū)之間的數(shù)據(jù)交換，從內(nèi)存緩沖區(qū)中讀取XR17D158_Write()寫入的數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送，向內(nèi)存緩沖區(qū)中寫入UART接口接收的數(shù)據(jù)，再由XR17D158_Read()讀取實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。在XR17D158_Open()使用WDC_XR17D158_IntEnable()注冊XR17D158_Handle()。

4 結(jié)果驗證

使用外部設(shè)備向XR17D158子卡發(fā)送RS232數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)波特率為9600 bps，發(fā)送周期為1 Hz，通過示波器觀察XR17D158的接收數(shù)據(jù)波形。

圖3(a)為XR17D158接收到RS232數(shù)據(jù)的波形，圖3(b)為XR17D158所產(chǎn)生的中斷信號波形，中斷信號為低電平時，驅(qū)動程序處理XR17D158所接收到的數(shù)據(jù)。試驗中，RS232數(shù)據(jù)為周期發(fā)送，每幀數(shù)據(jù)為90字節(jié)，圖3中可以看出驅(qū)動程序處理每幀數(shù)據(jù)的時間約為0.1ms，如果8路UART接口同時接收數(shù)據(jù)，且波特率為921.6kbps，此時驅(qū)動程序處理數(shù)據(jù)的時間約為100ms，不會出現(xiàn)丟數(shù)現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

文中簡單地介紹了WinDriver軟件工具的特點和驅(qū)動產(chǎn)生的過程，并針對一種PCI轉(zhuǎn)UART設(shè)備XR17D158，提出了使用WinDriver開發(fā)PCI設(shè)備驅(qū)動的軟件架構(gòu)。此時Windows驅(qū)動設(shè)備的開發(fā)更像是Windows應(yīng)用程序的開發(fā)，僅在一個驅(qū)動函數(shù)中使用WinDriVer提供的接口函數(shù)，而無需觸及Windows內(nèi)核。此外該驅(qū)動架構(gòu)不僅適用于XR17D158設(shè)備，還可應(yīng)用于其它PCⅡ設(shè)備，如PCI9056等。