Windows CE下驱动开发基础

Windows CE下驱动开发基础

作者：付林林

　　这是我从1月6日开始主持天极网论坛嵌入式开发版以来第一次发表文章，加上以前琐碎的文章共计30篇。研究的越多就越感觉自己懂的太少，其实在驱动开发方面我还是个菜鸟，我是想再次抛砖引玉，让做驱动有N年经验的人奉献一点出来，让大家减少一些研究驱动源码而又缺少注释所带来的痛苦。
　　我想即使读者看过微软的关于驱动开发的培训教材和CE帮助文档中的驱动部分，头脑中仍然一片茫然。要想真正了解驱动程序必须结合一些驱动程序源码，在此我以串口驱动程序（COM16550）中初始化过程为线索简单讲一讲驱动开发的基础知识。
　　Windows CE下的串口驱动程序能够处理所有I/O行为类似串口的设备，包括基于16450、16550 UART（通用异步收发芯片）的设备和一些采用DMA的设备，常见的有9针串口、红外I/O口、Modem等。在%_WINCEROOT%\Public\Common\OAK\Drivers\Serial目录下，COM_MDD2子目录包含新的串口驱动MDD层函数代码。COM16550子目录包含串口驱动PDD层代码。SER16550子目录包含的一系列函数专用于控制与16550兼容的UART，这样PDD层的主要工作就是调用SER16550中的函数。还有一个ISR16550子目录包含的是串口驱动程序专用的可安装ISR（中断服务例程），而很多硬件设备驱动程序采用CE默认的可安装ISR giisr.dll。一般串口设备相应的注册表设置例子及意义如下：

键	意义
"SysIntr"=dword:13	串口1的中断ID为十进制13
"IoBase"=dword:02F8	串口1的IO空间首地址为十六进制2F8
"IoLen"=dword:8	串口1的IO空间长度为8个字节
"DeviceArrayIndex"=dword:0	串口1的索引，是1的由来
"Order"=dword:0	串口1驱动的加载顺序
"DeviceType"=dword:0	串口1的设备类型
"DevConfig"=hex: 10,00 ....	串口1在与Modem设备通讯时的配置，如波特率、奇偶校检等
"FriendlyName"="COM1:"	串口1在拨号程序中显示的名字
"Tsp"="Unimodem.dll"	串口1 被用于与Modem设备通讯的时候要加载的TSP（TAPI Service provider）DLL
"Prefix"="COM"	串口1的流接口的前缀
"Dll"="com16550.Dll"	串口1的驱动程序DLL

　　SysIntr由CE在文件Nkintr.h中预定义，用于唯一标识中断设备。OEM可以在文件Oalintr.h中定义自己的SysIntr。常见的预定义SysIntr有SYSINTR_NOP（中断只由ISR处理，IST不再处理），SYSINTR_RESCHED（重新调度线程），SYSINTR_DEVICES（由CE预定义的设备中断ID的基值），SYSINTR_PROFILE、SYSINTR_TIMING、SYSINTR_FIRMWARE等都是基于SYSINTR_DEVICES定义的。IoBase是串口1的IO地址空间的首地址，IoLen是IO空间的大小。IO地址空间只存在于x86平台，如果在其它平台硬件寄存器必须映射到物理地址空间，那子键的名称为MemBase和MemLen。在x86平台更多硬件的寄存器由于IO空间的局限也映射到物理地址空间。DeviceArrayIndex是设备的索引，用于区分同类型的设备。Prefix是流驱动程序的前缀，当应用程序调用CreateFile函数传递COM1:参数时，文件系统负责与串口驱动程序通信，串口驱动程序是在CE启动时由device.exe加载的。

　　下面从MDD层函数COM_Init开始探索串口驱动的初始化过程。COM_Init是在串口设备被检测后由设备管理器device.exe调用的，主要的作用是初始化设备，它的唯一参数Identifier是由device.exe传递的，其类型是一个字符串指针，字符串的内容是HLM\Drivers\Active\xx，xx是一个十进制数（device.exe会跟踪系统中每个驱动程序，把加载的驱动程序记录在Active键下）。COM_Init先分配一个HW_INDEP_INFO结构体，这个结构体是独立于串口硬件的头信息（MDD、PDD、SER16550都包含自己独特的结构体，具体的结构体定义请参见串口驱动源码），分配之后再初始化结构体中每个成员，初始化结构体后调用 OpenDeviceKey((LPCTSTR)Identifier)打开HLM\Drivers\Active\xx\Key包含的注册表路径，在这里路径一般为HLM\Drivers\BuiltIn\Serial，即串口的驱动程序信息在注册表中所处的位置。COM_Init接着在HLM\Drivers\BuiltIn\Serial下查询DeviceArrayIndex、Priority256的值，Priority256指定了驱动程序的优先级，如果没有就用默认的优先级。接下来调用GetSerialObject(DeviceArrayIndex)，这个函数由PDD层定义，返回HWOBJ结构体，这个结构体主要包含PDD层和SER16550定义的函数的指针。也就是说MDD通过调用这个函数才能调用底层实现的函数。接下来的大多数工作都是调用底层函数实现初始化。第一个调用的底层函数SerInit主要设置由用户设置的硬件配置，例如线路控制、波特率。它调用Ser_GetRegistryData函数得到保存在注册表中的硬件信息，Ser_GetRegistryData在内部调用系统提供的DDKReg_GetIsrInfoDDK和DDKReg_GetWindowInfo函数得到在HLM\Drivers\BuiltIn\Serial下保存的IRQ、SysIntr、IsrDll、IsrHandler、IoBase、IoLen。IRQ是逻辑中断号，IsrDll表示当前驱动程序的可安装ISR所在的DLL名称，IsrHandler 表示可安装ISR的函数名称。在这里顺便提一下可安装ISR，读者在我以前发表的关于OAL的文章中可以了解到OEM在OEMInit函数中关联IRQ和SysIntr，当硬件设备发生中断时，ISR会禁止同级和低级中断，然后根据IRQ返回关联的SysIntr，内核根据ISR返回的SysIntr唤醒相应的IST（SysIntr与IST创建的Event关联），IST处理中断之后调用InterruptDone解除中断禁止。在OEMInit中关联的缺点是一旦编译了CE内核后就无法添加这种关联了，而一些硬件设备会随时插拔或者共享中断，要关联这样的硬件设备解决方法就是可安装ISR，可安装ISR专用于处理指定的硬件设备发出的中断，所以如果硬件设备需要可安装ISR必须在注册表中添加IsrDll、IsrHandler。多数硬件设备采用CE默认的可安装ISR giisr.dll，格式如下：

 "IsrDll"="giisr.dll"
"IsrHandler"="ISRHandler"

　　如果一个硬件驱动程序需要可安装ISR而开发者又不想自己写一个，那么可以利用giisr.dll来实现。除了在注册表中添加如上所示外，还要在驱动程序中调用相关函数注册可安装ISR。伪代码如下：

g_IsrHandle = LoadIntChainHandler(IsrDll, IsrHandler, (BYTE)Irq);
GIISR_INFO Info;
PHYSICAL_ADDRESS PortAddress = {PhysAddr, 0};
TransBusAddrToStatic(BusType, dwBusNumber, PortAddress, dwAddrLen, &dwIOSpace, &(PVOID)PhysAddr)
Info.SysIntr = dwSysIntr;
Info.CheckPort = TRUE;
Info.PortIsIO = (dwIOSpace) ? TRUE : FALSE;
Info.UseMaskReg = TRUE;
Info.PortAddr = PhysAddr + 0x0C;
Info.PortSize = sizeof(DWORD);
Info.MaskAddr = PhysAddr + 0x10;
KernelLibIoControl(g_IsrHandle, IOCTL_GIISR_INFO, &Info, sizeof(Info), NULL, 0, NULL);

　　LoadIntChainHandler函数负责注册可安装ISR，参数1为DLL名称，参数2为ISR函数名称，参数3为IRQ。TransBusAddrToStatic函数在后面讲。如果要利用giisr.dll作为可安装ISR，必须先填充GIISR_INFO结构体，CheckPort=TRUE表示giisr要检测指定的寄存器来确定当前发出中断的是否是这个设备。PortIsIO表示寄存器地址属于哪个地址空间，FALSE表示是内定空间，TRUE表示IO空间。UseMaskReg=TRUE表示设备有一个掩码寄存器，专用于指定当前设备是否是中断源，也就是发出中断，而MaskAddr表示掩码寄存器的地址。如果对Info.Mask赋值，那么PortAddr表示一个特殊的寄存器地址，这个寄存器的值与Mask的值&运算的结果如果为真，则证明当前设备是中断源，否则返回SYSINTR_CHAIN（表示当前ISR没有处理中断，内核将调用ISR链中下一个ISR），如果UseMaskReg=TRUE，那么MaskReg寄存器的值与PortAddr指定的寄存器的值&运算的结果如果为真，则证明当前设备是中断源。
　　函数SerInit接着调用函数Ser_InternalMapRegisterAddresses转换IO地址并且映射地址，Ser_InternalMapRegisterAddresses在内部调用系统提供的HalTranslateBusAddress(Isa, 0, ioPhysicalBase, &inIoSpace, &ioPhysicalBase)函数将与总线相关的地址转换为系统地址，参数1为总线类型，参数2为总线号，参数3为要转换的地址（PHYSICAL_ADDRESS类型，实际是LARGE_INTEGER型），参数4指定寄存器地址属于IO地址空间还是物理地址空间，参数5返回转换后的物理地址。观察HalTranslateBusAddress的源码得知如果是在x86平台，这个函数除了把参数3赋给了参数5其余什么都没有做，而非x86平台将inIoSpace的值置为0，表示一定是物理地址。在调用HalTranslateBusAddress前要确定从注册表中得到的寄存器地址到底是属于哪个地址空间的，例如：

ULONG inIoSpace = 1; ///1表示是IO空间
PHYSICAL_ADDRESS ioPhysicalBase = {iobase, 0}; ///相当于ioPhysicalBase.LowPart = iobase

　　在地址转换后就要将转换后的地址映射到驱动程序（一般IST和应用程序一样运行在用户模式）能够访问的虚拟地址空间（0x80000000以下）和ISR能够访问的静态虚拟地址空间中（0x80000000以上）。例如：

////如果地址属于物理地址空间
ioPortBase = (PUCHAR)MmMapIoSpace(ioPhysicalBase, Size, FALSE);
TransBusAddrToStatic(Isa, 0, ioPhysicalBase, Size, &inIoSpace, ppStaticAddress);

　　MmMapIoSpace函数负责将物理地址映射到驱动程序能够访问的虚拟地址空间中，通过源码分析MmMapIoSpace在内部分别调用：

pVirtualAddress =VirtualAlloc(0, SourceSize, MEM_RESERVE, PAGE_NOACCESS);
VirtualCopy(pVirtualAddress, (PVOID)(SourcePhys >> 8), SourceSize, PAGE_PHYSICAL |
PAGE_READWRITE | (CacheEnable ? 0 : PAGE_NOCACHE));

　　VirtualAlloc分配一块和MemLen一样大小的虚拟地址空间，因为参数1为0，所以内核自动分配。一般MemLen小于2MB，所以会在应用程序的地址空间中分配。VirtualCopy负责将硬件设备寄存器的物理地址与VirtualAlloc分配的虚拟地址做一个映射关系，这样驱动程序访问PvirtualAddress实际上就是访问第一个寄存器。因为硬件设备寄存器的物理地址一定是在512MB（CE支持RAM的最大值）以上，所以除了最后的参数要加PAGE_PHYSICAL外，第二个参数物理地址也要右移8位（或者除以256）。映射硬件寄存器当然PAGE_NOCACHE是必须加的。TransBusAddrToStatic函数负责将物理地址映射到ISR能够访问的静态虚拟地址空间中，当出现中断共享时，ISR要负责访问硬件设备的某一个寄存器来判断中断源，所以将寄存器的物理地址映射到静态虚拟地址空间中是必要的（ISR只能访问静态的虚拟地址空间）。所谓静态虚拟地址空间是指在OEMAddressTable中定义的虚拟地址空间（当然是0x80000000以上）。在x86平台一般这个表只定义RAM的物理地址与虚拟地址对应关系，而硬件设备的寄存器地址并不在该表中定义，所以如果要创建一块静态的虚拟地址空间供ISR访问，必须在此之前调用CreateStaticMapping函数在0xC4000000到0xE0000000虚拟地址空间中分配。TransBusAddrToStatic函数在内部就是调用了CreateStaticMapping函数。注：硬件设备的寄存器地址也可以在OEMAddressTable中定义。

////如果地址属于IO空间
ioPortBase = (PUCHAR)ioPhysicalBase.LowPart;
*ppStaticAddress=ioPortBase

这种情况只属于x86平台，是IO空间就可以直接访问，即使是用户模式。
　　SerInit函数接着初始化SER_INFO结构体成员，之后调用SL_Init函数，这个函数在ser16550中定义，负责初始化SER16550_INFO结构体，在这个结构体中保存串口8个寄存器的地址。SerInit函数执行完毕后COM_Init函数创建接收缓冲区，然后调用StartDispatchThread函数初始化中断并且创建IST。StartDispatchThread函数在内部调用InterruptInitialize函数关联SysIntr和Event，然后调用InterruptDone函数告诉内核当前串口可以中断处理，接着调用CreateThread函数创建IST线程。（over吧，再往下说就和串口硬件有关了，看多了没注释的代码我也烦！！）