PCI設(shè)備Windows通用驅(qū)動程序設(shè)計
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下面從這幾方面討論解決這些問題的途徑：
(1)設(shè)備初始化
PCI設(shè)備驅(qū)動程序要實(shí)現(xiàn)識別PCI器件、尋址PCI器件的資源和對PCI器件中斷的服務(wù)。PCI系統(tǒng)BIOS功能提供了BIOS的訪問與控制的具體特征，所有軟件(設(shè)備驅(qū)動程序、擴(kuò)展ROM碼)將通過標(biāo)準(zhǔn)中斷號1AH調(diào)用BIOS功能訪問特殊部件。PCI BIOS規(guī)范有完整的有關(guān)PCI BIOS功能的描述[3]。
在PCI設(shè)備驅(qū)動程序的初始化過程中，利用指定器件識別號(device_id)、廠商識別號(vendor_id)、檢索號(index)搜索PCI器件，通過調(diào)用PCI BIOS確認(rèn)其存在，并確定其物理位置：總線號、器件號和功能號，這是該器件/功能在系統(tǒng)中的唯一尋址標(biāo)志。利用總線號、器件號和功能號可以尋址該器件/功能的PCI配置空間(configuration space)。
接下來，設(shè)備驅(qū)動就需要從配置空間獲得硬件的參數(shù)。PCI設(shè)備的許多參數(shù)，包括所用的中斷號，端口地址的范圍(I/O)方式、存儲器的地址(存儲器映射方式)等，都可以從PCI配置空間的各基址所對應(yīng)的尋址空間中得到。讀寫配置空間可以調(diào)用BIOS中斷1AH，
也可以先向配置空間地址寄存器(0CF8H)寫入總線和設(shè)備號(在前面搜索PCI器件時得到的)和寄存器號，再對配置空間數(shù)據(jù)寄存器(0CFCH)進(jìn)行讀寫。對設(shè)備驅(qū)動來說，最重要的是獲得基址寄存器(BADR)，不能認(rèn)為PCI器件資源總是設(shè)計設(shè)備時設(shè)置的初值，系統(tǒng)可能會根據(jù)硬件情況為PCI設(shè)備分配新的資源。我們所設(shè)計的PCI設(shè)備使用的基址1－3都是按I/O空間映射的，而基址4是按內(nèi)存方式映射的。確定一個端口是按什么方式映射的，可以讀對應(yīng)端口的配置寄存器(Configuration Register)。讀出后，判斷其0位，如果0位為數(shù)值0，表示其是按內(nèi)存方式設(shè)置的，否則為I/O方式設(shè)置的。內(nèi)存方式和I/O方式的配置寄存器的含義參見文獻(xiàn)[3]。如果要獲得基址的大小，可以向基址寄存器寫入FFFFH，然后讀基址寄存器，如果是內(nèi)存方式，從第4位開始的0的數(shù)目表示基址的大小，如果是I/O方式，則從第2位開始的0的數(shù)目表示基址的大小。
在Windows NT下，查找PCI設(shè)備的工作是由HalGetBusData完成的，也可以使用前述的辦法讀取配置寄存器，但DDK推薦使用HaiGetBusDataOffset函數(shù)。
(2)端口操作
在PC機(jī)上，I/O端口尋址空間和內(nèi)存尋址空間是不同的，所以處理方法也不同。I/O空間是一個64K字節(jié)的尋址空間，它不象內(nèi)存有實(shí)模式和保護(hù)模式之分，在各種模式下尋址方式相同。在Windows 9x下，用戶程序可以直接使用I/O指令，而不一定非通過專門的驅(qū)動程序來完成，所以如果軟件對硬件的操作完全是通過I/O端口操作來完成的，甚至可以不用專門設(shè)計驅(qū)動程序，直接由應(yīng)用程序來完成對硬件的控制。由于PCI總線是32位的總線標(biāo)準(zhǔn)，在進(jìn)行I/O操作時通常要進(jìn)行雙字(DWORD)操作，而且以前大多數(shù)C/C++編譯軟件都沒有提供雙字的函數(shù)，所以需要構(gòu)造雙字操作讀寫函數(shù)inpd/outpd。
在Windows NT下，系統(tǒng)不允許處于優(yōu)先級3級的用戶程序和用戶模式驅(qū)動程序直接使用I/O指令，如果使用了I/O指令將會導(dǎo)致特權(quán)指令意外(privileged instruction exception)。所以任何對I/O的操作都需要借助內(nèi)核模式驅(qū)動來完成。具體的做法有兩種：一是在驅(qū)動程序中使用IoReportResourceUsage報告資源占用，然后使用READ_PORT_XXX、WRITE_PORT_XXX函數(shù)讀寫，最后使用IoReportResourceUsage取消資源占用；另一種是驅(qū)動程序修改NT的I/OPermissions Map (IOPM)，以使系統(tǒng)允許用戶程序?qū)χ付ǖ腎/O端口進(jìn)行操作，這時用戶程序采用通常的I/O指令進(jìn)行操作。后者的優(yōu)點(diǎn)是速度快、用戶程序設(shè)計簡單，但犧牲了移植性，程序不能移植到非Intel的系統(tǒng)中，而且如果多個程序同時讀寫同一端口容易導(dǎo)致沖突。
(3)內(nèi)存的讀寫
Windows工作在32位保護(hù)模式下，保護(hù)模式與實(shí)模式的根本區(qū)別在于CPU尋址方式上的不同，這也是Windows驅(qū)動程序設(shè)計中需要著重解決的問題。Windows采用了分段、分頁機(jī)制(圖1)，這樣使應(yīng)用程序產(chǎn)生一種錯覺，好象程序中可以使用非常大的物理存儲空間。這樣做最大的好處就是一個程序可以很容易地在物理內(nèi)存容量不一樣的、配置范圍差別很大的計算機(jī)上運(yùn)行，編程人員使用虛擬存儲器可以寫出比任何實(shí)際配置的物理存儲器都大得多的程序。每個虛擬地址由16位的段選擇子和32位段偏移量組成。通過分段機(jī)制，系統(tǒng)由虛擬地址產(chǎn)生線性地址。再通過分頁機(jī)制，由線性地址產(chǎn)生物理地址。線性地址被分割成頁目錄(Page Directory)、頁表(Page Table)和頁偏移(Offset)三個部分。當(dāng)建立一個新的Win32進(jìn)程時，操作系統(tǒng)會為它分配一塊內(nèi)存，并建立它自己的頁目錄、頁表，頁目錄的地址也同時放入進(jìn)程的現(xiàn)場信息中。當(dāng)計算一個地址時，系統(tǒng)首先從CPU控制器CR3中讀出頁目錄所在的地址，然后根據(jù)頁目錄得到頁表所在的地址，再根據(jù)頁表得到實(shí)際代碼/數(shù)據(jù)頁的頁幀，最后再根據(jù)頁偏移訪問特定的單元。硬件設(shè)備讀寫的是物理內(nèi)存，但應(yīng)用程序讀寫的是虛擬地址，所以存在著將物理內(nèi)存地址映射到用戶程序線性地址的問題。
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