专栏首页J博士的博客基于WDF的PCI/PCIe接口卡Windows驱动程序(1)-WDF概述及开发环境搭建

基于WDF的PCI/PCIe接口卡Windows驱动程序(1)-WDF概述及开发环境搭建

原文出处:http://www.cnblogs.com/jacklu/p/4619110.html

本科毕业设计是这方面的工作,所以想开几篇博客来介绍使用WDF开发PCI/PCIe接口卡的驱动程序方法。

这个系列的博客将首先用一个篇幅为不懂Windows 下PCI/PCIe驱动开发的介绍WDF和开发环境搭建,接下来几篇将直接讲述程序编写,

看完这几篇后,希望能够帮助读者了解如何通过500行左右的代码实现一个标准的PCIe接口卡驱动程序。

毕设题目的PCIe板卡是BAR0下映射两个5K的内存,偏移地址为0x20000和0x22000,源代码在文章结束后会考虑公布

如果你觉得这篇博客对你的项目有用,请引用以下论文:

Meng Shengwei, Lu Jianjie. Design of a PCIe Interface Card Control Software Based on WDF. Fifth International Conference on Instrumentation and Measurement, Computer, Communication and Control. IEEE, 2016:767-770.

1.1WDM与WDF

Windows平台下的设备驱动程序从Windows 2000开始都是以WDM ( Windows Driver Model) 框架为平台进行开发。以此模型开发,开发者需要一方面实现驱动程序与硬件的交互,另一方面要对操作系统内核进行操作,难度大。驱动程序容易出现问题,这也是Windows2000以来操作系统容易蓝屏的原因。

为了改善这种局面,降低驱动程序开发者的开发难度,提高系统稳定性,微软推出了新的驱动程序开发模型WDF。WDF对WDM进行了封装,将驱动程序中与操作系统交互的细节由框架实现。这样驱动程序就从内核中分离出来,开发者只需要专注处理与硬件的交互,简化了驱动程序的设计,提高了整个系统的可靠性和稳定性。WDM与WDF样例驱动程序对比如下表所示。通过该表可以看到基于WDF框架的驱动程序,代码量显著减少,开发起来更加容易。

WDF是UMDF(User Mode Driver Framework,用户模式驱动程序框架)和KMDF(Kernel Mode Driver Framework,内核模式驱动程序框架)的总和。由于本课题基于PCIe硬件设备进行驱动开发,涉及到内存读写等内核操作,所以使用KMDF框架来编写驱动程序。

1.2 Windows驱动程序

我们知道Windows是一个分层的操作系统,它的运行依赖于上层组件向下层组件的调用。一个简化的I/O流模型如下图:

1.3 WDF框架

通过参考《竹林蹊径 深入浅出Windows驱动开发》和《Developing_drivers_with_the_Microsoft_Windows_Driver_Foundation》,WDF抽象的框架如下图所示:

WDF已经把驱动程序开发做了很好的封装,开发者只需要定义框架对象和编写事件回调函数。WDF中也采用对象,但是它和C++这种编程语言中的对象不相同,毕竟WDF是C写的。如何解释WDF的对象我也做不到,我的一直把WDF中的对象看做一种数据结构,比如WDFDRIVER对象,其实就是一个与驱动程序相关的结构体。另外,WDF中也有例程这样的称呼,是对routine的翻译,可以理解为函数体。所以简单来说,对PCIe驱动程序来说,开发者需要定义一些结构体,编写几个函数就ok了,具体如何被调用,那就是WDF框架内部的事情了,我们只需要知道,当我们注册好编写好的回调例程之后,当事件发生(设备插入、设备打开、I/O操作等)时,WDF会自动帮我们调用相关的例程。

1.4 开发环境搭建

Windows 驱动程序开发工具包 (WDK) 与 Microsoft Visual Studio 和用于 Windows 驱动程序的调试工具相集成。该集成环境给开发者提供了开发、构建、打包、部署、测试和调试驱动程序时所需的工具。

本课题确定时,微软的最新驱动程序工具包为WDK8.1。WDK8.1 更新与 Microsoft Visual Studio2013 集成。开发者需要首先在微软的官方网站上下载并安装 Visual Studio 2013,然后安装WDK 8.1 更新。微软声明不再对WDK8.0提供支持,也不再对WDK 8.0做任何更新,WDK8.0也不支持Windows8.1的驱动程序开发。所以本课题选用WDK8.1作为开发工具包。然而新技术发展速度飞快,在本课题完成之际,微软打算极力推广的Windows 10操作系统还未正式公布,针对Windows 10的驱动程序开发工具包WDK 10已经推出。未来一定会推广使用WDK10来开发。

下载链接:https://msdn.microsoft.com/zh-cn/windows/hardware/hh852365,下载两个安装包,依次安装,非常简单。

1.5 PCIe简介

最后简要介绍一下PCIe。

PCIe协议采用分层结构,如下图所示,PCIe的结构主要由以下三个层次组成,它们分别是:传输层(Transaction Layer),数据链路层(Data Link Layer)以及物理层(Physical Layer)。其中物理层又可以分为两个子层:逻辑子层(Logical Sub-block)和电气子层(Electrical Sub-Block)。

TLP(Transaction Layer Packet)由传输层产生,通过使用存储器事务,I/O事务,配置事务和消息事务来进行信息数据的通信;DLLP(Data Link Layer Packet)由数据链路层产生,用来在该链路上两个直连设备之间传递信息,其内容主要包括功耗管理信息,流控制信息以及 TLP 的应答信息等。DLLP只开始在数据链路层,并止于数据链路层,不会上传到传输层。

以上是希望读者能够对PCIe有个初步的了解,但是对驱动程序的开发并没什么卵用。

对PCIe设备来说,它可以有三个相互独立的物理地址空间:设备存储器地址空间、I/O地址空间和配置空间。因为PCIe设备支持即插即用,所以并不占用固定的内存地址和I/O地址,而是在设备插入时由操作系统决定其映射的基址。配置空间对设备控制程序设计来说非常关键。PCIe设备支持基本的256字节PCI兼容配置空间。对PCI/PCIe设备来说,其基本的配置空间为前64字节,如下图所示。

由于PCIe是基于PCI提出的,地址空间模型没有变化,所以PCI控制软件可以完全兼容PCIe设备。

下一篇博客将讲述PCIe的WDF驱动程序中几个非常重要的概念,对初学者了解WDF非常有用。

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