摘  要: 介绍了PCI总线控制芯片PCI2040的功能及内部结构,分析了基于PCI总线的DSP语音卡的硬件结构及实现方法,描述了WDM设备驱动程序" title="设备驱动程序">设备驱动程序的特点及PCI语音卡驱动程序主要模块的设计方法和编程注意要点。

　　关键词: PCI总线  PCI2040  DSP  WDM  驱动

　　CTI(Computer Telephone Integration)即计算机电话集成技术已经发展了30多年。其中电话语音卡是CTI中的典型应用之一,它作为电脑与公用电话网的接口设备,应用领域已经渗透到社会各个部门。同时,在语音卡的开发中也不断注入了新的技术,软件上有语音合成、语音识别等技术,而硬件上最重要的就是DSP技术和PCI总线技术。研制了基于TMS320VC5410 DSP的PCI语音卡,并设计了相应的WDM设备驱动程序,取得了良好的效果。

1 硬件设计

1.1 PCI总线控制芯片PCI2040

　　PCI总线是一种不依附于某个具体处理器的局部总线,它支持32位或64位的总线宽度,频率通常是33MHz，目前最快的PCI2.0总线工作频率是66MHz。工作在33MHz、32位时,理论上最大数据传输速率能达到133MB/s。它支持猝发工作方式,提高了传输速度,支持即插即用" title="即插即用">即插即用,PCI部件和驱动程序可以在各种不同的平台上运行^[1]。

　　实现PCI总线协议一般有两种方法,一是用FPGA设计实现,但PCI协议比较复杂,因此难度较大;二是采用PCI总线控制芯片,如AMCC公司的S5933、PLX公司的PCI9080等通用的PCI接口芯片。TI公司专门推出了针对PCI总线和DSP接口的芯片PCI2040^[2],它不但实现了PCI总线控制的功能,而且提供了和DSP芯片无缝的接口,因而大大简化了系统设计的复杂度并缩短了开发时间。

PCI2040内部功能框图如图1所示。

　　PCI2040是一个PCI-DSP桥接器件,它提供了PCI局部总线和TMS320C54X 8位主机接口(HPI)与TMS320C6X 16位主机接口的无缝连接。一片PCI2040最多能同时挂接4片DSP芯片。同时,它还提供了一个串行EEPROM接口,一个通用输入输出接口(GPIO)和一个16位通用总线接口(为TI JTAG测试总线控制器提供接口)^[2]。PCI2040只能作为PCI目标设备使用,不能作为PCI主设备使用;它只支持单字的读写,不能提供DMA操作。PCI2040能够兼容3.3V和5V信号环境，系统中的3.3V和5V信号可以直接从PCI插槽中获得。

1.2 语音卡硬件设计

1.2.1 功能简介及硬件框图

　　语音卡是基于TMS320VC5410 DSP和PCI2040而设计的。此卡的主要功能是:(1)通过电话信号音检测模块,将对方说话的声音经A/D转换后,交给DSP进行压缩处理,采用G.729编码算法压缩后速率可达到8kbps，然后将压缩后的码流通过PCI2040经PCI总线存放在计算机硬盘上，从而实现录音功能。(2)将存在硬盘上的压缩码流(以文件形式存在),通过PCI2040经PCI总线传送到DSP的内部缓冲区中,进行解压缩处理(G.729解码算法),并将解码后的数据通过D/A转换回放出来。

　　语音卡硬件框图如图2所示。

　　电话信号音检测部分主要实现振铃检测、摘挂机及话音传输功能。系统的核心是DSP,它完成各种复杂算法的处理,包括G.729编解码算法、回声消除算法、话音检测及软件摘挂机算法等。TMS320VC5410是TI 54X系列中一款高性能的DSP,它的处理功能达到100MIPS,因此能满足算法复杂度的要求。它的最大特点是片内集成了64K×16bit的RAM和16K×16bit的ROM^[3]，因而不需要外加SRAM或SDRAM就可以满足系统设计的要求。TMS320VC5410内置了3个多通道缓冲串行口(McBSP)、6个DMA通道和一个8位增强型HPI口，可以方便地和外部进行数据交换。在语音卡的设计中,采用PCI2040来完成DSP与主机交换数据的任务。

1.2.2 PCI2040与TMS320VC5410接口

　　PCI2040与TMS320VC5410 HPI口的连接如图3所示。

　　PCI_AD31～PCI_AD15决定了PCI2040的控制空间基地址(Control Space Base Address)寄存器的值,这个值实际上是系统自动分配的。所有的PNP器件都是如此，它将控制空间映射到主机内存,映射的空间大小为232-17=32KB。DSP芯片的选择是通过解码PCI_AD14、PCI_AD13来实现的。而PCI_AD12和PCI_AD11分别映射到HCNTL1和HCNTL0，用以决定访问DSP HPI寄存器的方式。其对应关系如表1所示。

　　因此,DSP与PC交换数据的过程,也就是读写HPI寄存器的过程。具体描述如下:

　　(1)初始化PCI2040内部配置寄存器,指向特定的DSP(本系统只有一个DSP和PCI2040相连),指定数据传输宽度为8位。

    (2)分配HPI CSR基地址和控制空间基地址,允许PCI2040进行内存映射或I/O" title="I/O">I/O端口映射。值得注意的是,PCI2040控制空间只能映射在主机的内存空间里,不能映射在I/O空间。以上两步都由驱动程序完成。

　　(3)脱离复位状态后,PCI2040解码从PCI总线来的地址,以此来做出响应。若落入32KB的控制空间中,则根据HCNTL1和HCNTL0及片选情况访问相应HPI寄存器。

　　(4)设定HPI控制寄存器中的BOB位,选择正确的高低8位排列方式。

　　(5)主机开始对HPI寄存器进行读写。

2 基于WDM的PCI驱动程序设计

2.1 WDM驱动程序结构及原理

　　WDM是新一代的驱动程序构架,它是一个跨平台的驱动程序模型,在WINDOWS 98以上的操作系统中都实现了全面兼容。不仅如此,WDM驱动程序还可以在不修改源代码的情况下经过重新编译后在非Intel平台上运行,因而为驱动程序开发人员提供了极大的方便。

　　WDM驱动程序是分层的,即不同层上的驱动程序有着不同的优先级,而Windows 9x下的VxD则没有此结构。另外,WDM还引入了功能设备对象FDO(Functional Device Object)与物理设备对象PDO(Physical Device Object)两个新概念来描述硬件。PDO代表实际存在的硬件设备,它是在总线驱动程序(BUS DRIVER)下枚举并建立的,负责与真实硬件进行I/O操作。FDO是由用户驱动程序建立的,一般来说,它是用户与真实硬件进行I/O操作的一个窗口,是Win32赖以沟通内核的一个桥梁。对于驱动程序开发者,真正需要做的就是开发FDO。至于PDO,则由BUS DRIVER建立,并在需要的时候作为参数由I/O Manager或其它系统组件传给你的FDO。

　　在应用层与底层进行通讯时,操作系统为每一个用户请求打包成一个IRP(IO Request Packet)结构,将其发送至驱动程序,并通过识别IRP中的PDO来识别是发送给哪一个设备的。另外,WDM不是通过驱动程序名称,而是通过一个128位的全局惟一标识符(GUID)来识别驱动程序的^[4]。

　　WDM驱动程序都有一个初始化入口点,即DriverEntry，它相当于C语言中的main函数。当WDM驱动程序被装入时,内核调用DriverEntry例程" title="例程">例程。另外WDM设备驱动程序还需要一个即插即用模块,即AddDevice。AddDevice例程就是PnP管理器在用户插入新设备时调用它来创建WDM设备对象的。

2.2 PCI语音卡驱动程序设计

　　PCI总线支持即插即用,因而采用WDM模型来设计驱动程序将使程序更加合理,支持更多的操作系统,并且在安装维护上更加方便。

　　该驱动程序主要用DriverStudio 2.5加VC++ 6.0设计。DriverStudio对DDK进行封装,利用向导可生成驱动程序框架。在此基础上再添加针对语音卡处理的函数及语句即可完成设计,调试工具为SOFTICE。程序结构框图如图4所示。

　　PCI2040.lib和PCI2040.dll处于Ring3层,它封装了和底层驱动打交道的函数,对外只显现出如Open_Device()、Close_Device(HANDLE hDevice)、Record(HANDLE hDevice，LPSTR FileName)、Play(HANDLE hDevice，LPSTR File-Name)等API函数。这样可以让多种编程语言以DLL的形式来调用,给使用者提供了方便。

　　核心编程是PCI2040.sys，它处于Ring0层,为Ring3层和PCI语音卡进行数据交换搭建了一个桥梁。驱动程序中主要模块有：

　　(1)OnStartDevice()，在这个例程里驱动程序将得到PnP管理器为语音卡所分配的硬件资源,包括HPI CSR基地址和HPI控制空间基地址，对PCI配置空间进行初始化。初始化中断等。需要注意的是,在初始化中断之前禁止卡向主机发中断,因此应有屏蔽中断的操作。

    (2)DeviceControl(),在这个例程中可以定制自己的函数来达到Ring3层和Ring0层相互通讯的目的。通过IOCTL_CODE可以区分不同的请求。例如:

　　#define SEND_HEVENT  CTL_CODE(FILE_DEVICE_UNKNOWN， 0x802， METHOD_BUFFERED， FILE_ANY_ACCESS)

　　在DeviceControl()中,可执行如下语句:

　　case SEND_HEVENT：

　　status = SEND_HEVENT_Handler(I)；       　       //接收应用程序传递给WDM的事件句柄

　　m_Irq.Connect(LinkTo(Isr_Irq)， this)；          //连接中断

　　INT_MASK_SET_UL=(ULONG)0x80000001；　　　        //开相应中断屏蔽位

    m_CtlMemoryRange.outw((ULONG)0x0000，0x0b0b)；   //清除中断位,等待中断到来

    break；

　　把连接中断的函数放在DeviceControl()里,并没有和初始化中断(在OnStartDevice()中)放在一起,不然会在Win2000里引起死机。

　　DSP语音卡是基于中断处理的,因此上面的程序就起了这样一个作用:当语音卡向主机发中断时,驱动程序就跳到Isr_Irq执行，并在DpcFor_Irq中将事件设置为信号态,从而通知上层应用程序进行处理。

　　(3)Isr_Irq(),这个例程是用来处理中断的。Windows 2000的中断处理机制是假定多个设备可以共享一个硬件中断。因此,Isr的首要工作就是找出哪一个设备发生了中断。如果没有,则应该立刻返回FALSE,以便HAL能把中断送往其它设备驱动程序^[5]。中断服务例程Isr执行在提升的IRQL上,在DIRQL级别上运行的代码需要尽可能快地运行。通常情况下,若判断中断是由自己的设备产生的,则调用一个在DISPATCH_LEVEL级别上运行的延迟过程调用(DpcFor_Irq)。

    在处理的过程中要注意,当确定是自己卡的中断时,要马上屏蔽中断位防止中断再进来,等到DpcFor_Irq的结尾处再开中断。Dpc中部分语句如下:

    if(m_pEventToSignal!=NULL) m_pEventToSignal->Set()；   //将事件设置为信号态

    t << ″Event Set!n″；

    INT_MASK_SET_UL=(ULONG)(0x80000001)；                  //开中断

    m_CtlMemoryRange.outw((ULONG)0x0000，0x0b0b)；

参考文献

1 陈立学,孙 彪,赵玉连. 微机总线与接口设计. 成都:电子科技大学出版社,1998

2 PCI2040 PCI-DSP Bridge Controller Data Manual. Texas Instruments， 1999

3 TMS320VC5410 Fiexed-Point Digital Signal Processor.Texas  Instruments， 2000

4 武安河,周莉莉.Windows设备驱动程序(VxD与WDM)开发实务.北京:电子工业出版社,2001

5 Walter Oney.Programming the Microsoft Windows Driver Model.Microsoft Press，1999