CPCI技術(shù)下對(duì)伺服卡WDM設(shè)計(jì)與研究

引言

在當(dāng)前光電子學(xué)系統(tǒng)中，以PC104 作為伺服控制分系統(tǒng)，體積龐大，不便于系統(tǒng)管理。 開發(fā)具有伺服控制能力的處理卡，用一塊板卡替代原來的系統(tǒng)，能簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng) 的集成度，使電子學(xué)系統(tǒng)最終成為一個(gè)高度集成的控制平臺(tái)。

CPCI（CompactPCI）總線在PCI 總線基礎(chǔ)之上，采用了歐洲卡結(jié)構(gòu)，拋棄金手指式互 連方式，改用2mm 密度的針孔連接器，并具有可熱插拔性，使其具有了更高的可靠性和開放 性，并且能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，在工業(yè)控制、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。自行開發(fā)的 伺服控制卡基于CPCI 總線，以DSP 作為卡上控制CPU，與FPGA 結(jié)合實(shí)現(xiàn)控制。本論文以該 伺服控制卡為依托，在概述其硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，介紹了在Windows 2000 下CPCI 設(shè)備 驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)與開發(fā)，重點(diǎn)闡述了橋接芯片PCI9054 的DMA 數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)及中斷處理機(jī)制。

1.伺服控制卡的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與硬件實(shí)現(xiàn)方案

伺服控制卡以 TI 公司的TMS320F2812 DSP 作為核心處理器，與FPGA 結(jié)合來實(shí)現(xiàn)整 個(gè)板卡的控制功能，通過CPCI 總線完成與上位PC 機(jī)的通信，其系統(tǒng)功能框圖如圖1 所示：

圖 1 伺服控制卡硬件結(jié)構(gòu)圖

FPGA 選用Altera 公司的EPF10K30A，它內(nèi)嵌1536Byte 的RAM，此RAM 為主機(jī)與DSP 共享，用于上位機(jī)與DSP 之間的高速數(shù)據(jù)緩沖，F(xiàn)PGA 負(fù)責(zé)接收上位機(jī)傳遞的命令和參數(shù) 等數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后發(fā)送給DSP 進(jìn)行相應(yīng)的控制操作，同時(shí)反饋信息給上位機(jī)。 TMS32F2812 的主要任務(wù)就是完成復(fù)雜的伺服控制算法，特別是位置控制和速度控制。

FPGA 通過2812 的外部中斷XINT1 和XINT2 來觸發(fā)2812 接收控制命令和參數(shù)，2812 接收 到命令后，根據(jù)自身定義的工作協(xié)議進(jìn)入相應(yīng)的工作狀態(tài)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用 PLX 公司的PCI9054 作為總線接口芯片，實(shí)現(xiàn)CPCI 局部總線與FPGA 的通信。PCI9054 采用C 模式，在該模式下，PCI 的數(shù)據(jù)線與地址線是非復(fù)用的，設(shè)計(jì)時(shí)只 需關(guān)注9054 的本地端總線。

2.WDM 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

在Windows 環(huán)境下，位于用戶態(tài)的應(yīng)用程序不能之間訪問硬件資源，而要通過執(zhí)行核 心態(tài)的驅(qū)動(dòng)程序來間接完成對(duì)硬件資源的訪問，因此，對(duì)于上位機(jī)上的應(yīng)用程序，要對(duì)伺服 控制卡進(jìn)行訪問，必須要為其開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序。

WDM 驅(qū)動(dòng)程序是一種Pnp 驅(qū)動(dòng)程序，它能夠?qū)崿F(xiàn)Windows 98 與Windows 2000 、 Windows XP 之間的源代碼級(jí)兼容。Windows 2000 性能穩(wěn)定，在調(diào)試自行開發(fā)的板卡時(shí)，仍 然是首選的操作系統(tǒng)。在Windows 2000 中，所有對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的I/O 請(qǐng)求都轉(zhuǎn)化為I/O 請(qǐng)求 包（IRP）來表示，IRP 是I/O 管理器在響應(yīng)I/O 請(qǐng)求時(shí)從非分頁(yè)系統(tǒng)內(nèi)存中分配的一個(gè)可變 大小的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，I/O 管理器負(fù)責(zé)產(chǎn)生代表一次I/O 操作的IRP，并將IRP 傳至正確的設(shè)備 驅(qū)動(dòng)程序，并通過分層的驅(qū)動(dòng)程序傳遞給物理設(shè)備。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序則接收IRP，執(zhí)行相應(yīng)的 操作，完成后再將IRP 傳送回I/O 管理器，表示I/O 操作的完成或者通過I/O 管理器將其傳 遞給其他的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

3.伺服控制卡的WDM 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)環(huán)境常用的有微軟的DDK、Jungo 的WinDriver 和Numega 的Driver Studio。Driver Studio 把DDK 封裝成類，包含完善的代碼生成和調(diào)試工具，并且提供對(duì)WDM 驅(qū)動(dòng)的完全支持，利用它開發(fā)的核心態(tài)驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行效率也很高。本系統(tǒng)在VC 環(huán)境下利用 Driver Studio 開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序。

接口芯片 PCI9054 支持主模式、從模式和DMA 模式三種數(shù)據(jù)傳輸方式。DMA 傳輸不 通過處理器，直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可以節(jié)省CPU 資源；并且DMA 模式還支持CPCI 總線與本 地總線之間的高效突發(fā)。

3.1 DMA 數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)

PCI9054 集成了兩個(gè)互相獨(dú)立的DMA 通道，每一個(gè)通道由一個(gè)DMA 控制器和一個(gè)專 用雙向FIFO 組成，都支持塊DMA 和分散/集中DMA 操作，這里選用DMA 通道0，采用塊 DMA 方式實(shí)現(xiàn)傳輸。在Driver Works 中提供了三個(gè)類來實(shí)現(xiàn)DMA傳輸，分別是KDmaAdapter 類、KDmaTransfer 類和KCommonDmaBuffer 類。

3.1.1.DMA 適配器

對(duì)于DMA 傳輸，驅(qū)動(dòng)程序需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)DMA 適配器，來表明一個(gè)DMA 通道的特性 和提供串行化訪問的服務(wù)。KDmaAdapter 類實(shí)現(xiàn)對(duì)DMA 適配器的操作。在它的初始化函數(shù) Initialize（PDEVICE_DESCRIPTION pDesc，PDEVICE_OBJECT pPdo）中第一個(gè)參數(shù)是一個(gè) DEVICE_DESCRIPTION 結(jié)構(gòu)的指針，這個(gè)參數(shù)用于對(duì)DMA 通道的屬性進(jìn)行設(shè)置。

3.1.2. DMA 控制器

采用 DMA 方式時(shí)，CPU 要放棄對(duì)系統(tǒng)總線的使用權(quán)，主存儲(chǔ)器和外部設(shè)備是被控制的對(duì) 象，它們之間沒有相互控制的能力，需要利用DMA 控制器來代替CPU 完成控制功能。

在用DriverWorks 開發(fā)驅(qū)動(dòng)時(shí)， KDmaTransfer 類用于控制DMA 的傳輸；它可以啟動(dòng)一個(gè)DMA 傳 輸，指定DMA 傳輸?shù)姆较?，DMA 傳輸數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的物理地址和要傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)。 KDmaTransfer 類的Initiate（）函數(shù)用于初始化一個(gè)KDmaTransfer 對(duì)象；在成功初始化 一個(gè)KDmaTransfer 類對(duì)象后，將會(huì)調(diào)用DMA 準(zhǔn)備就緒回調(diào)例程OnDmaReady，在該例程中獲 取要傳輸?shù)膬?nèi)存的地址和字節(jié)數(shù)，并調(diào)用StartDMA 例程開始DMA 傳輸。

與中斷結(jié)合的DMA 傳輸在一次傳輸結(jié)束后會(huì)再次調(diào)用 KDmaTransfer 類的Continue（）函數(shù)發(fā)起下一次的DMA 傳輸操作，直到傳輸完成。

3.1.3. DMA 公共緩沖區(qū)

在DriverWorks 中KCommonDmaBuffer 類實(shí)現(xiàn)對(duì)公用緩沖區(qū)的操作。在實(shí)際使用時(shí)，聲 明一個(gè)KCommonDmaBuffer 類對(duì)象并初始化。在傳輸結(jié)束后，釋放公共緩沖區(qū)，以防止內(nèi)存 丟失。

3.1.4. 寄存器設(shè)置

PCI9054 在DMA 模式下傳輸，驅(qū)動(dòng)程序要通過I/O 指令設(shè)置DMA 控制器內(nèi)部的寄存器 以實(shí)現(xiàn)兩總線間的數(shù)據(jù)傳送，需要設(shè)置的內(nèi)部寄存器及其具體功能如下表1 所示：

3.2 驅(qū)動(dòng)開發(fā)中的中斷處理機(jī)制及實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序采用塊DMA 與中斷結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)主機(jī)與伺服控制卡之間的數(shù) 據(jù)傳輸。以讀操作為例，每次DMA 傳輸完后，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)DMA 中斷，中斷處理程序應(yīng) 答中斷，并獲取公共緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，通知主機(jī)端有數(shù)據(jù)到達(dá)；可以看出，高效的DMA 處 理依賴于高效的中斷處理過程。

中斷處理完成 CPU 與I/O 設(shè)備之間的信息交換，在為硬件板卡開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)需要為 中斷配置相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)處理。在處理中斷之前要對(duì)中斷資源進(jìn)行配置，首先定義并初始化一個(gè) 中斷對(duì)象，在初始化階段，提取IRP 資源中的中斷級(jí)別、中斷模式、中斷向量、共享模式 等信息。利用上面獲得的參數(shù)來連接中斷，連接中斷操作的主要目的是注冊(cè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的中斷 服務(wù)例程（ISR），以便在中斷發(fā)生后中斷服務(wù)例程能夠被調(diào)用。在DriverWorks 中用KInterrupt 類實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件中斷的處理。

status = m_Irq.InitializeAndConnect（pResListTranslated， LinkTo（Isr_Irq）， this）

當(dāng)硬件發(fā)生中斷時(shí)，硬件抽象層（HAL）把中斷級(jí)別（IRQL）提升到合適的中斷級(jí)別， 然后調(diào)用中斷服務(wù)例程（ISR）。CPCI 總線是中斷共享的，因此，ISR 首先確定是哪一個(gè)設(shè) 備發(fā)生了中斷， 如果不是當(dāng)前設(shè)備的中斷，立即返回FALSE ，以便HAL 把中斷發(fā)送給其 他設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。如果是當(dāng)前設(shè)備的中斷，則在清除該中斷，并做相應(yīng)的處理。中斷處理 的整個(gè)過程如下圖2 所示：

ISR 執(zhí)行在高于DISPATCH_LEVEL 的IRQL 上，它凍結(jié)了其CPU 上所有低于或等于該 IRQL 上的其他活動(dòng)，為了提高系統(tǒng)性能，ISR 例程應(yīng)該盡可能快的完成；此外，ISR 中使 用的所有代碼和數(shù)據(jù)必須存在于非分頁(yè)內(nèi)存中，能調(diào)用的內(nèi)核模式函數(shù)也十分有限。

圖2：中斷處理流程圖

Windows 2000 提供了延遲過程調(diào)用（DPC）機(jī)制來解決這個(gè)問題，ISR 決定當(dāng)前請(qǐng)求的 完成并請(qǐng)求一個(gè)DPC，之后，內(nèi)核在DISPATCH_LEVEL 級(jí)上調(diào)用這個(gè)DPC 例程。當(dāng)有當(dāng) 前設(shè)備的中斷到來時(shí)，把一個(gè)DPC 插入到DPC 隊(duì)列中。實(shí)現(xiàn)代碼如下：

m_DpcFor_Irq.Setup（LinkTo（DpcFor_Irq）， this）;//創(chuàng)建一個(gè)DPC m_DpcFor_Irq.Request（NULL， NULL）// 把一個(gè)DPC 插入到DPC 隊(duì)列等待執(zhí)行

4． 應(yīng)用程序與驅(qū)動(dòng)程序的通信

4.1 通信的實(shí)現(xiàn)策略

應(yīng)用程序采用Win32 事件通知的方式與驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行通信：應(yīng)用程序調(diào)用API 函數(shù) CreatFile 打開設(shè)備，調(diào)用CreateEvent 創(chuàng)建事件句柄hEvent 并置為無(wú)信號(hào)態(tài)，把hEvent 作為 函數(shù)DeviceIoControl 的參數(shù)傳遞給驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)調(diào)用CreateThread 創(chuàng)建等待線程；WDM 驅(qū)動(dòng)程序接收事件句柄hEven，初始化KEvent 類對(duì)象m_hEvent，當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，在DPC 中 執(zhí)行m_hEvent-》Set（），將事件設(shè)置為信號(hào)態(tài)，喚醒應(yīng)用程序中的等待線程，然后調(diào)用 DeviceIoControl 完成數(shù)據(jù)傳輸。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸速率測(cè)量

在實(shí)際測(cè)量時(shí)，采用了硬件測(cè)量法，應(yīng)用程序不斷向DSP 處理卡發(fā)送數(shù)據(jù)/接收數(shù)據(jù)， 利用示波器來觀測(cè)BLAST#和ADS#信號(hào)的變化周期，得出每組數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間。該DSP 卡本地端總線為8 位，在DMA 模式下，測(cè)得的發(fā)送/接收時(shí)的測(cè)量結(jié)果如下表2 所示：

從以上結(jié)果可以看出，無(wú)限突發(fā) DMA 模式傳輸速率最高，可達(dá)26.3Mbyte/s，若本地端總線 為32 位，則數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到26.3*4=105.2Mbyte/s ，接近32 位PCI 總線的極限傳輸速率133Mbyte/s，能夠滿足大部分高速數(shù)據(jù)傳輸要求。

結(jié)束語(yǔ)

自行開發(fā)的伺服控制卡，基于高速的CPCI 總線，以DSP 作為卡上處理器，以FPGA 實(shí)現(xiàn)邏輯處理，能夠作為一個(gè)獨(dú)立的單元替代原來的工控機(jī)子系統(tǒng)，大大簡(jiǎn)化了當(dāng)前光電子 學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；利用Driver Studio 為其開發(fā)的底層驅(qū)動(dòng)程序，能使板卡在Windows2000 下穩(wěn) 定地工作，在與中斷結(jié)合的DMA 數(shù)據(jù)傳輸模式下，數(shù)據(jù)傳輸速率能夠滿足伺服控制卡的精 度和實(shí)時(shí)性要求。