关键词 数据采集；WDM ；CPCI；DriverWorks；DMA
1 引言
|
|
CPCI总线机械特性上有VME总线的坚固特性，在数据传输方面采取与PCI一致的传输方法。高速数据采集系统中，总线数据传输能力要求强，数据采集系统采用CPCI总线，极大提高了数据采集卡的数据传输能力。为了充分发挥CPCI总线数据传输快、高可靠的优势，要解决好基于CPCI总线的数据采集卡与计算机主机之间的通信 问题 。Windows2000操作系统对CPCI总线提供良好的支持，该操作系统下，驱动程序的编写基于一种新的驱动模型WDM(Windows Driver Model)，WDM为Windows98/2000/XP操作系统的设备驱动程序的设计提供了统一的框架。本文介绍的基于CPCI总线的高速数据采集卡用于某数字化仪（Digitizer）中，借助用DriverWorks开发的WDM设备驱动程序，用户 应用 程序和数据采集卡之间相互通信，实现主机命令的即时传送和板卡采集数据的高速传输。
2 硬件系统设计
针对不同的应用要求，CPCI接口卡设计采用的设计方案，一是使用PCI专用接口芯片与FPGA相结合的方案，专用接口芯片完成从PCI总线到本地用户总线的转接；FPGA灵活的转换逻辑时序，以适应不同的外设时序要求；二是采用可编程逻辑器件实现通用PCI总线接口，很多生产可编程逻辑器件的厂商都提供经过严格测试的PCI接口功能模块，由用户进行简单的组合设计即可。考虑到开发周期，本CPCI数据采集卡采用前一种设计方法，用PCI专用接口芯片实现。系统硬件组成如图1所示。
本数据采集卡PCI接口芯片选用PLX公司的PCI9054， PCI9054提供两个独立的可编程DMA控制器，有两个DMA通道，每个通道均支持Block(块传输)和Scatter/Gather(散/集传输)的DMA方式，PCI总线端支持32位/33MHz；本地端可编程实现8、16、32位数据宽度，传输速率最高可达到132M字节/秒。本地总线端时钟最高可达50MHz，支持复用（J模式）和非复用的32位地址/数据（C模式）。PCI9054工作方式有：直接主模式，直接从模式和DMA模式。直接主模式由本地处理器访问PCI总线上的I/O接口和计算机内存资源，本地处理器发起数据的传输。直接从模式指PCI总线作为主控设备发起对本地总线资源的访问，包括对本地处理器的控制和对本地内存的访问。DMA模式支持PCI总线与本地总线之间的突发传输。PCI9054实现了PCI总线到局部端总线的转接，用该芯片做设计时，不必对PCI规范作全面深入理解，方便用户在设计时专注于具体功能的实现。
本设计中PCI9054设置为非复用的32位地址/数据，即C模式，采用直接从模式和DMA方式分别传输主机命令和数据采集卡采集到的数据；可编程逻辑器件FPGA里边配置一个FIFO作为缓冲器，当主机向数据采集卡发送命令时，FIFO作为命令数据的缓冲器，命令数据发送完毕，引起DSP的一个中断，DSP从FIFO里读出命令数据，对命令解析，完成实际的硬件操作；当主机要读取数据采集卡采集到的数据时，DSP对SRAM中数据作预处理，上传到FPGA里边配置的FIFO中，这时FIFO作为数据采集卡上传数据的缓冲器，当FIFO数据满时，引起PCI中断，通知上层应用程序读取数据。EEPROM中存放设备号，厂商号以及本地总线的基地址空间，I/O空间，中断控制信号等信息，初始化时，系统将EEPROM配置参数装入PCI配置寄存器，并根据本地总线对内存，I/O端口和中断的需求统一划分，自动分配系统资源。
3 数据采集卡WDM驱动程序设计
3.1 WDM模型(Windows Driver Model)简述
WDM模型(Windows Driver Model) 是微软公司为Windows98和Windows2000的驱动程序设计的一种架构，在WDM驱动程序模型中，每个硬件设备至少有两个驱动程序。其中一个为功能驱动程序，它了解硬件工作的所有细节，负责初始化I/O操作，处理I/O操作完成时所带来的中断事件，为用户提供与设备相适合的控制方式；另一个驱动程序为总线驱动程序，它负责管理硬件与计算机的连接，总线驱动程序由操作系统提供。Window2000 系统结构图如图2所示，应用程序调用Windows子系统Win32 API，这个调用由系统服务接口作用到I/ O 管理器，I/ O 管理器进行必要的参数匹配和操作安全性检查，然后由这个请求构造出合适的IRP(I/O Request Package) 。IRP是DDK定义的一个数据结构，具有丰富的成员，对于单层驱动程序，直接接受并执行这个请求包，完成对硬件的操作，从而完成I/ O请求工作，并将执行的结果通过I/ O 管理器返回应用程序；对于多层驱动则将驱动程序分成若干层，每层驱动再把I/ O 请求划分成更简单的请求，以传给更下层的驱动执行。
图2 Windows2000 系统结构
3.2 驱动程序设计实现
该数据采集卡驱动程序完成以下功能：应用程序控制数据采集卡工作方式，向数据采集卡工作方式缓冲器发送工作方式控制字；应用程序查询数据采集卡工作状态，从数据采集卡工作状缓冲器读取工作状态字；为了使应用程序能实时处理数据采集卡上采集到的数据，SRAM与主机内存之间要实现DMA方式的数据传输。
采用VC+DDK+Driverworks进行驱动程序开发，Driverworks为驱动程序开发提供向导，可以方便的建立一个驱动程序框架。下面分别说明控制命令和DMA方式传输数据的实现方法。
1)主机发送数据采集卡控制命令实现
Driverworks利用KMemoryRange和KIoRange实现内存和I/O映射空间的读写，通过配置EEPROM，将PCI9054的Base2空间设定为一个内存映射空间，局部端FPGA上配置的FIFO地址空间映射到该内存空间，这样对FIFO的访问，就是访问Base2空间。驱动程序中，创建对象KMemoryRange m_MemoryRangeForB2，并在OnStartDevice(KIrp I)例程中对该对象初始化，使该对象与Base2空间关联，初始化以后，驱动程序其他例程就可以使用对象