基于PCI卡的FPGA硬件延时驱动

一、软件延时的缺点：

项目来源于一个基于windows操作系统的PCI控制仪器，由于测试过程中需要用到很多微秒（us）和毫秒（ms）级的延时函数，且对延时精度要求相对较高。原有系统采用了windows API 对CPU节拍计数来实现高精度定时，代码如下:

void WINAPI delay_us(DWORD dw_us)
{
    LARGE_INTEGER CurrTicks, TicksCount;

    QueryPerformanceFrequency(&TicksCount);
    QueryPerformanceCounter(&CurrTicks);

    TicksCount.QuadPart = TicksCount.QuadPart * dw_us /1000000i64;
    TicksCount.QuadPart += CurrTicks.QuadPart;

    while(CurrTicks.QuadPart<TicksCount.QuadPart)
        QueryPerformanceCounter(&CurrTicks);
}

这种延时方法有两个主要问题：

• 定时精度差。windows是一个分时复用的操作系统，若定时时间内进程切换或者系统繁忙时，实际延时时间会变长。
• CPU资源占用率高。实测在一般PC上（没有考虑多核问题），并行跑两个软件延时进程，CPU占用率几乎100%。

考虑用PCI卡上有一片FPGA芯片，若用FPGA实现硬件逻辑的定时器，能达到更高的定时精度，且能有效降低对CPU资源的占用。

参考资料：

Windows 各种计时函数总结

精确获取时间（QueryPerformanceCounter）

How To Use QueryPerformanceCounter to Time Code

二、硬件延时方案

                                                                                          硬件延时总体方案结构图

 

• 上层应用程序需要修改delay_ms()和delay_us()两个函数, 从原来查询CPU节拍数的计时方法，改写为向驱动预置FPGA定时器的起始定时数据并启动定时器。对于用户测试程序不需要任何改动，延时继续调用delay_ms()和delay_us()函数，
• 需要延时时，delay_ms()或者delay_us()函数根据预设的FPGA时钟频率计算出定时的预置数据，发送给PCI驱动程序。PCI驱动程序起中间桥梁的作用，连接上层测试程序和底层板载FPGA.
• PCI驱动程序接收到delay_ms()或者delay_us()调用消息后，向FPGA申请定时器，申请成功后，启动FPGA中对应定时器开始定时，同时APP层线程挂起等待定时中断。
• 当定时到时，FPGA向PCI总线发送硬件中断，PCI驱动响应中断，清除相应中断标志、释放FPGA定时器后触发APP层线程等待事件。
• APP层接收到定时到事件后恢复线程，恢复执行后续动作。

PCI驱动与FPGA定时控制过程示意图

三、PCI驱动设计

定时过程驱动主要动作为：

• App层通过WritePort()或者DeviceIoControl()函数向PCI驱动层发送的定时控制指令和数据。
• 驱动层接收到启动定时指令后产生定时IRP消息包，申请FPGA定时器并启动定时，启动成功后，将IRP消息包挂起（pinding），返回App层状态为挂起。
• App层接受到驱动挂起信号后，等待定时事件完成。
• 定时时间到后，FPGA定时单元产生硬件中断信号，PCI驱动进入中断服务例程（ISR），清楚中断信号后，将对应挂起的IRP完成，返回成功完成信号。
• App层等待的定时到事件被触发，完成等待，继续后续指令。

从上可知，其关键是IRP消息包不是一次直接处理完成的，而是先定时将IRP包暂时挂起，然后在定时到后的中断中完成这个IRP消息包。

微软推荐对IRP的处理流程如下图所示，驱动接受到IRP消息包，先通过分发程序找到相应执行例程，然后通过StartIO将IRP包压入顺序队列，并暂时将IRP包挂起。驱动程序逐一执行IRP队列中的IRP包，返回执行后的状态（penging）。此时IRP包还没有真正完成，中断到达后在中断例程中启动一个延迟执行例程(DPC),然后在DPC中完成此IRP包，并返回成功状态。

 

标准驱动IRP消息完成过程示意图

针对这个项目的实时性要求，我改进了其中有两点：

• 定时IRP包不用StartIO例程串行化执行，而是采用KeSynchronizeExecution（）函数完成定时IRP包。

        这主要是因为StartIO例程将IRP包压入队列串行化执行后会增加定时延迟，这个延迟是不可控的。另一反面，定时IRP包在完成定时挂起之前不允许有任何打断（受限于FPGA的状态机），采用KeSynchronizeExecution（）函数后，将定时IRP包的优先级暂时提高到和硬件中断一个级别 (DIRQL) ，优先级高于StartIO例程。这样能保证定时IRP包执行的连续性和实时性。主要代码如下：

//------------------------ APP ----------------------------------
int  my_delay_us(DWORD dw_us)
{    ...
    HANDLE hDevice = CreateFile(    _T("\\\\.\\PCI_Driver_Tusion"),
                                GENERIC_READ | GENERIC_WRITE,
                                0,        // share mode none
                                NULL,    // no security
                                OPEN_EXISTING,
                                FILE_ATTRIBUTE_NORMAL | FILE_FLAG_OVERLAPPED,    //opened or created for asynchronous I/O.
                                NULL
                            );

    //creat overlap event
    OVERLAPPED overlap={0};
    overlap.hEvent = CreateEvent(NULL,FALSE,FALSE,NULL);
    bResult = DeviceIoControl( hDevice, START_TIME_PROCESS, &count, sizeof(count), &dResult, sizeof(dResult), &dwOutput, &overlap );
    ....
    status = WaitForSingleObject( overlap.hEvent,5000 ); //wait for timer
    ...
    bResult = CloseHandle(hDevice);
    ...
    return 0;
}

//---------------------- PCI Driver ---------------------------
#pragma LOCKEDCODE
NTSTATUS PCI_Test_DeviceControl(IN PDEVICE_OBJECT pDeviceObject, IN PIRP pIrp)
{    ...
    switch (ControlCode)
    {    ...
         // Set timer request
        case START_TIME_PROCESS:
        {
                ...
                BOOLEAN  SyncState = KeSynchronizeExecution(dx->InterruptObject,(PKSYNCHRONIZE_ROUTINE)SetTimerRoutine,(PVOID)dx);
                if( SyncState == TRUE )
                {

                     KdPrint((" PCI_Test_Driver:KeSynchronizeExecution set OK! Pending the thread\n"));
                     info = 4;
                     pIrp->IoStatus.Status = STATUS_PENDING;
                     pIrp->IoStatus.Information = info;
                     // pending the delay timer IRP
                     IoMarkIrpPending(pIrp);
                     KdPrint((" PCI_Test_Driver:complete IoMarkIrpPending(); \n"));
                     return STATUS_PENDING;
                   }
        }
}

 

• 定时IRP直接在中断服务例程(ISR)中完成，而不采用ISR调用DPC再完成。

     这样做出发点也是为了提高实时性，毕竟DPC的调用需要延迟时间。但这里就出问题了。

未完待续。。。。

参考资料：

Processing IRPs in a Lowest-Level Driver