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基于PCI總線的雙DSP系統(tǒng)及WDM驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
摘要：介紹了PCI總線控制芯片PCI2040的功能及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，分析了基于PCI總線的雙DSP通信的硬件結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)方法，并描述了利用Windows2000 DDK開發(fā)WDM設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的方法及PCI雙DSP通信驅(qū)動(dòng)程序主要模塊的設(shè)計(jì)方法和編程注意要點(diǎn)。關(guān)鍵詞：PCI總線 PCI2040 DSP DDK WDM
TI公司專門推出了PCI2040橋芯片是專門針對(duì)PCI總線和DSP接口用的，本文利用它和DSP來(lái)處理視頻信號(hào)，并用雙端口RAM實(shí)現(xiàn)DSP之間的數(shù)據(jù)傳輸。
1 硬件設(shè)計(jì)
1.1 PCI總線控制芯片PCI2040
PCI總線是一種不依附于某個(gè)具體處理器的局部總線，它支持32位或64位的總線寬度，頻率通常是33MHz，目前最快的PCI2.0總線工作頻率是66MHz。工作在33MHz、32位時(shí)，理論上最大數(shù)據(jù)傳輸速率能達(dá)到133MB/s。它支持猝發(fā)工作方式，提高了傳輸速度，支持即插即用，PCI部件和驅(qū)動(dòng)程序可以在各種不同的平臺(tái)上運(yùn)行[1]。
實(shí)現(xiàn)PCI總線協(xié)議一般有兩種方法，一是用FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，但PCI協(xié)議比較復(fù)雜，因此難度較大；二是采用PCI總線控制芯片，如AMCC公司的S5933、PLX公司的PCI9080等通用的PCI接口芯片。TI公司專門推出了針對(duì)PCI總線和DSP接口的芯片PCI2040[2]，它不但實(shí)現(xiàn)了PCI總線控制的功能，而且提供了和DSP芯片無(wú)縫的接口，因而大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度并縮短了開發(fā)時(shí)間。
PCI2040是一個(gè)PCI-DSP橋接器件，它提供了PCI局部總線和TMS320C54X 8位主機(jī)接口(HPI)與TMS320C6X 16位主機(jī)接口的無(wú)縫連接。一片PCI2040最多能同時(shí)掛接4片DSP芯片。同時(shí)，它還提供了一個(gè)串行EEPROM接口，一個(gè)通用輸入輸出接口(GPIO)和一個(gè)16位通用總線接口(為TI JTAG測(cè)試總線控制器提供接口)[2]。PCI2040只能作為PCI目標(biāo)設(shè)備使用，不能作為PCI主設(shè)備使用；它只支持單字的讀寫，不能提供DMA操作。PCI2040能夠兼容3.3V和5V信號(hào)環(huán)境?系統(tǒng)中的3.3V和5V信號(hào)可以直接從PCI插槽中獲得。
PCI2040和TMS320C6201的接口如圖1所示。
1.2 PCI2040寄存器說(shuō)明
PCI2040橋256字節(jié)的配置頭如圖2所示，HPI CSR 基地址、控制空間基地址(Control Space Base Address)值都是系統(tǒng)自動(dòng)分配的。所有的PNP器件都是如此?它將控制空間映射到主機(jī)內(nèi)存，映射的空間大小為32KB。4片DSP芯片的選擇是通過(guò)解碼PCI_AD14、PCI_AD13來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。而DSP HPI寄存器的地址則是由PCI_AD12和PCI_AD11來(lái)決定的，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。
圖1 PCI2040和TMS320C6201的接口
表1 DSP選擇
AD[14:13]
TMS320C6x DSP
00
HCS0（選擇第一塊DSP）
01
HCS1（選擇第二塊DSP）
10
HCS2（選擇第三塊DSP）
11
HCS3（選擇第四塊DSP）
表1 HPI寄存器映射
AD[12:11]
TMS320C6x HPI Register
00
HPI控制寄存器
01
HPI地址寄存器
10
HPI自增數(shù)據(jù)寄存器
11
HPI數(shù)據(jù)寄存器
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因此，DSP與主機(jī)交換數(shù)據(jù)的過(guò)程，也就是讀寫HPI寄存器的過(guò)程。也就是說(shuō)，通過(guò)主機(jī)訪問(wèn)DSP板上資源，只需要將相應(yīng)地址賦予HPIA寄存器中，然后讀寫數(shù)據(jù)就可以通過(guò)HPID寄存器。具體描述如下：
(1) 初始化PCI2040內(nèi)部配置寄存器，指向特定的DSP(因?yàn)楸鞠到y(tǒng)有兩塊DSP和PCI2040相連)，指定數(shù)據(jù)傳輸寬度為16位。
(2) 分配HPI CSR基地址和控制空間基地址，允許PCI2040進(jìn)行內(nèi)存映射或I/O端口映射。值得注意的是，PCI2040控制空間只能映射在主機(jī)的內(nèi)存空間里，不能映射在I/O空間。以上兩步都由驅(qū)動(dòng)程序完成。
(3) 脫離復(fù)位狀態(tài)后，PCI2040解碼從PCI總線來(lái)的地址，以此來(lái)做出響應(yīng)。若落入32KB的控制空間中，則根據(jù)PCI_AD12、PCI_AD11及PCI_AD14、PCI_AD13片選情況訪問(wèn)相應(yīng)HPI寄存器。
(4)設(shè)定HPI控制寄存器中的BOB位，選擇正確的高低16位排列方式。
(5)主機(jī)開始對(duì)HPI寄存器進(jìn)行讀寫。
1.3 雙DSP系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本文所采用的雙DSP系統(tǒng)主要用來(lái)處理視頻信號(hào)及高速數(shù)據(jù)采集，該系統(tǒng)是基于TMS320C6201 DSP和PCI2040而設(shè)計(jì)的。此卡的主要功能是：(1)采集視頻信號(hào)或其他模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，交給DSP進(jìn)行相應(yīng)處理，然后將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)PCI2040經(jīng)PCI總線存放在計(jì)算機(jī)硬盤上或者直接存儲(chǔ)到板上RAM中，然后通過(guò)PCI總線將視頻數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)后顯示。(2)兩塊DSP之間的通信可以通過(guò)McBSP或雙端口RAM。
該系統(tǒng)的特點(diǎn)有：兩塊TMS320C6201 DSP，處理能力可達(dá)3200MIPS；每片C6201帶512K SBSRAM，256KB FLASH；16KB高速雙口RAM用于兩塊C6201之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；12位ADC；32位高速FIFO。系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。
2 基于WDM的PCI驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
WDM是新一代的驅(qū)動(dòng)程序構(gòu)架，它是一個(gè)跨平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)程序模型，在WINDOWS 98以上的操作系統(tǒng)中都實(shí)現(xiàn)了全面兼容。不僅如此，WDM驅(qū)動(dòng)程序還可以在不修改源代碼的情況下經(jīng)過(guò)重新編譯后在非Intel平臺(tái)上運(yùn)行，因而為驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)人員提供了極大的方便。
WDM驅(qū)動(dòng)程序是分層的，即不同層上的驅(qū)動(dòng)程序有著不同的優(yōu)先級(jí)，而Windows 9x下的VxD則沒有此結(jié)構(gòu)。另外，WDM還引入了功能設(shè)備對(duì)象FDO(Functional Device Object)與物理設(shè)備對(duì)象PDO(Physical Device Object)兩個(gè)新概念來(lái)描述硬件。PDO代表實(shí)際存在的硬件設(shè)備，它是在總線驅(qū)動(dòng)程序(BUS DRIVER)下枚舉并建立的，負(fù)責(zé)與真實(shí)硬件進(jìn)行I/O操作。FDO是由用戶驅(qū)動(dòng)程序建立的，一般來(lái)說(shuō)，它是用戶與真實(shí)硬件進(jìn)行I/O操作的一個(gè)窗口，是Win32賴以溝通內(nèi)核的一個(gè)橋梁。對(duì)于驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)者，真正需要做的就是開發(fā)FDO。至于PDO，則由BUS DRIVER建立，并在需要的時(shí)候作為參數(shù)由I/O Manager或其它系統(tǒng)組件傳給你的FDO。
在應(yīng)用層與底層進(jìn)行通訊時(shí)，操作系統(tǒng)為每一個(gè)用戶請(qǐng)求打包成一個(gè)IRP(IO Request Packet)結(jié)構(gòu)，將其發(fā)送至驅(qū)動(dòng)程序，并通過(guò)識(shí)別IRP中的PDO來(lái)識(shí)別是發(fā)送給哪一個(gè)設(shè)備的。另外，WDM不是通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序名稱，而是通過(guò)一個(gè)128位的全局惟一標(biāo)識(shí)符(GUID)來(lái)識(shí)別驅(qū)動(dòng)程序的[3]。
WDM驅(qū)動(dòng)程序都有一個(gè)初始化入口點(diǎn)，即DriverEntry，它相當(dāng)于C語(yǔ)言中的main函數(shù)。當(dāng)WDM驅(qū)動(dòng)程序被裝入時(shí)，內(nèi)核調(diào)用DriverEntry例程。另外WDM設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序還需要一個(gè)即插即用模塊，即AddDevice。AddDevice例程就是PnP管理器在用戶插入新設(shè)備時(shí)調(diào)用它來(lái)創(chuàng)建WDM設(shè)備對(duì)象的。
本文主要采用Windows2000 DDK來(lái)設(shè)計(jì)該驅(qū)動(dòng)程序。調(diào)試工具為SOFTICE。驅(qū)動(dòng)程序的主要工作集中在：
（1）DriverEntry()，這是驅(qū)動(dòng)程序的入口點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)程序被裝入時(shí)首先執(zhí)行DriverEntry例程。主要工作是建立驅(qū)動(dòng)程序這所需的函數(shù)。
（2）dspPciAddDevice()，在這個(gè)例程里驅(qū)動(dòng)程序主要是創(chuàng)建設(shè)備。
（3）dspPciPnp()，在這個(gè)例程中驅(qū)動(dòng)程序主要是啟動(dòng)設(shè)備和停止設(shè)備等，并且從PnP管理器讀出為雙DSP所分配的硬件資源，包括HPI CSR基地址和HPI控制空間基地址，對(duì)PCI配置空間進(jìn)行初始化。初始化中斷等。需要注意的是，在初始化中斷之前禁止卡向主機(jī)發(fā)中斷，因此應(yīng)有屏蔽中斷的操作。
(4)dspPciDeviceControl()，在這個(gè)例程中可以定制自己的函數(shù)來(lái)達(dá)到Ring3層和Ring0層相互通訊的目的。通過(guò)IOCTL_CODE可以區(qū)分不同的請(qǐng)求。
(5)Isr_Irq()，這個(gè)例程是用來(lái)處理中斷的。Windows 2000的中斷處理機(jī)制是假定多個(gè)設(shè)備可以共享一個(gè)硬件中斷。因此，Isr的首要工作就是找出哪一個(gè)設(shè)備發(fā)生了中斷。如果沒有，則應(yīng)該立刻返回FALSE，以便HAL能把中斷送往其它設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。中斷服務(wù)例程Isr執(zhí)行在提升的IRQL上，在DIRQL級(jí)別上運(yùn)行的代碼需要盡可能快地運(yùn)行。通常情況下，若判斷中斷是由自己的設(shè)備產(chǎn)生的，則調(diào)用一個(gè)在DISPATCH_LEVEL級(jí)別上運(yùn)行的延遲過(guò)程調(diào)用(DpcFor_Irq)。
注意：當(dāng)確定是自己卡的中斷時(shí)，要馬上屏蔽中斷位防止中斷再進(jìn)來(lái)，等到DpcFor_Irq的結(jié)尾處再開中斷。
3 結(jié)論
通過(guò)上述的軟硬件設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)。高效的利用DSP高速處理能力。
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