摘要：本文給出了一種使用DriverStudio設(shè)計WDM驅(qū)動程序的方法，用以實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用程序?qū)\(yùn)動控制卡的訪問。文中以基于PCI總線的運(yùn)動控制卡為對象，在構(gòu)架其硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，闡述了設(shè)計WDM驅(qū)動程序的主要步驟，開發(fā)了WDM驅(qū)動程序，在Windows環(huán)境下進(jìn)行測試，達(dá)到了預(yù)期目的。

關(guān)鍵詞：WDM;PCI;DriverStudio

1、引言

　　目前，開放式數(shù)控系統(tǒng)正得到日益廣泛的應(yīng)用，其中，基于Windows和PC機(jī)的開放式數(shù)控系統(tǒng)將成為數(shù)控技術(shù)發(fā)展的趨勢。本文研究的數(shù)控系統(tǒng)采用NC嵌入PC的開放式結(jié)構(gòu)，并以Windows2000操作系統(tǒng)為平臺。NC嵌入PC型數(shù)控系統(tǒng)是指將運(yùn)動控制卡插入計算機(jī)的擴(kuò)展槽中，由PC機(jī)完成非實時性處理任務(wù)，實時控制則由運(yùn)動控制卡來承擔(dān)。由于在Windows環(huán)境下，用戶態(tài)的應(yīng)用程序不能直接訪問硬件，而要通過調(diào)用執(zhí)行于核心態(tài)的設(shè)備驅(qū)動程序間接地訪問硬件資源，因而，應(yīng)用程序要對該數(shù)控系統(tǒng)中的運(yùn)動控制卡進(jìn)行訪問，必須為其開發(fā)設(shè)備驅(qū)動程序。

　　本文以該數(shù)控系統(tǒng)中基于PCI總線的DSP運(yùn)動控制卡為研究對象，主要討論該運(yùn)動控制卡在Windows2000環(huán)境下的WDM驅(qū)動程序的設(shè)計。

2、WDM驅(qū)動程序的結(jié)構(gòu)及開發(fā)工具簡介

2.1WDM驅(qū)動程序的結(jié)構(gòu)

　　WindowsDriverModel（WDM）驅(qū)動程序是一種PnP（即插即用）驅(qū)動程序，它同時還遵循電源管理協(xié)議，并能在Windows98，Windows2000和WindowsXP間實現(xiàn)源代碼級兼容。在WDM驅(qū)動程序模型中，每個硬件設(shè)備至少有兩個驅(qū)動程序。其中一個驅(qū)動程序稱為功能驅(qū)動程序，負(fù)責(zé)初始化I/O操作，處理I/O操作完成時帶來的中斷事件，并為用戶提供一種連接設(shè)備的控制方式;另一驅(qū)動程序稱為總線驅(qū)動程序，它負(fù)責(zé)管理硬件與計算機(jī)連接[1]。

　　WDM驅(qū)動程序采用分層的結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示[2]。圖1中左邊是一個設(shè)備對象堆棧，設(shè)備對象是操作系統(tǒng)為幫助軟件管理硬件而創(chuàng)建的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。處于堆棧最底層的設(shè)備對象稱為物理設(shè)備對象，簡稱為PDO。在設(shè)備對象堆棧的中間有一個對象稱為功能設(shè)備對象，簡稱為FDO。在FDO的上面和下面還會有一些過濾器設(shè)備對象，簡稱為FiDO。位于FDO上面的過濾器設(shè)備對象稱為上層過濾器，位于FDO下面的過濾器設(shè)備對象稱為下層過濾器。在單個硬件的驅(qū)動程序堆棧中，總線驅(qū)動程序管理計算機(jī)與PDO所代表的設(shè)備的連接。功能驅(qū)動程序管理FDO所代表的設(shè)備。過濾器驅(qū)動程序用于監(jiān)視和修改I/O請求包（IRP）流。

               
                              圖1WDM設(shè)備對象和驅(qū)動程序的層次結(jié)構(gòu)

2.2開發(fā)工具簡介

　　開發(fā)驅(qū)動程序的軟件很多，如NuMega公司的DriverStudio、Jungo公司的WinDriver和Microsoft公司的DDK等。在使用中，雖然利用DDK開發(fā)的驅(qū)動程序代碼非常簡潔，結(jié)構(gòu)清晰，效率也高，但是開發(fā)難度較大[3]。利用DriverStudio、WinDriver等第三方開發(fā)工具則使用簡單，開發(fā)速度較快。因此選用NuMega公司提供的DriverStudio作為開發(fā)工具。

　　NuMega公司的DriverStudio是一套用來簡化微軟Windows平臺下設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)、調(diào)試和測試的工具包。DriverStudio包括DriverWorks、DriverNetworks、SoftICE和VToolsD等工具模塊。其中，DriverWorks包含一個非常完善的源代碼生成工具（DriverWizard）以及相應(yīng)的類庫和驅(qū)動程序樣本，它提供了在C++下進(jìn)行設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)的支持。

3、運(yùn)動控制卡的硬件結(jié)構(gòu)

　　所設(shè)計的運(yùn)動控制卡采用TI公司的TMS320LF2407DSP芯片為核心處理器。該運(yùn)動控制卡的硬件系統(tǒng)包括PCI接口子模塊、數(shù)字信號處理器（DSP）子模塊和軸控制接口子模塊。

　　該運(yùn)動控制卡的PCI接口采用PLX公司的PCI9052接口芯片，這是PLX技術(shù)公司為擴(kuò)展適配板卡推出的能提供一種混合高性能PCI總線目標(biāo)模式的接口芯片。它可與多種局部總線相連，并具有異步操作、中斷產(chǎn)生器、FIFO等特點。運(yùn)動控制卡與上位PC機(jī)通過PCI總線進(jìn)行連接，PCI接口子模塊通過雙端口存儲器RAM器件IDT7026與DSP子模塊連接。雙端口存儲器（RAM）是一個雙向FIFO數(shù)據(jù)存儲器，起數(shù)據(jù)緩沖的作用。軸控制接口子模塊則通過CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）與DSP子模塊連接。運(yùn)動控制卡硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示[4]。

4、運(yùn)動控制卡驅(qū)動程序的設(shè)計

　　使用DriverWorks為該運(yùn)動控制卡開發(fā)WDM驅(qū)動程序主要有三個步驟：創(chuàng)建WDM驅(qū)動程序框架;實現(xiàn)驅(qū)動程序的具體功能;生成WDM驅(qū)動程序。下面是借助DriverWorks設(shè)計運(yùn)動控制卡WDM驅(qū)動程序的具體方法。

4.1使用DriverWizard生成WDM驅(qū)動程序框架

　　DriverWizard是DriverWorks創(chuàng)建WDM框架程序的工具。在創(chuàng)建一個PCI設(shè)備的WDM驅(qū)動程序框架時，共有十一步，其中以下幾點需特別注意：

　　（1）第四步：選擇硬件設(shè)備所支持的總線類型，這里選PCI，并根據(jù)具體硬件填寫PCIVendorID、PCIDeviceID、PCISubsystemID和PCIRevisionID。這些參數(shù)可以從硬件生產(chǎn)廠家得到，如果所填寫的參數(shù)和目標(biāo)PCI設(shè)備寄存器中不一致的話系統(tǒng)將安裝不上此驅(qū)動程序。

　　（2）第六步：選擇驅(qū)動程序支持的功能項，選中Read、Write、DeviceIOControl和Cleanup四個復(fù)選框。

　　（3）第七步：選擇I/O請求IRP處理的方式，選擇DriverManaged，由驅(qū)動程序管理的StartIO處理排隊隊列，并選擇讀寫請求分別進(jìn)行排隊隊列處理。

　　（4）第九步：選擇設(shè)備文件中的類名和接口類型，類名通常取默認(rèn)值，選擇GUID接口方式作為應(yīng)用程序打開設(shè)備的方式。在資源欄中分別點擊AddIOPort（s）、AddMemoryRange...和AddIRQ...聲明所需的資源。

　　（5）第十一步：為了調(diào)試方便和更好地了解WDM驅(qū)動程序的運(yùn)行過程，選擇讓系統(tǒng)生成控制臺測試程序和用SoftICE調(diào)試的跟蹤代碼（TraceCode）。

　　至此，驅(qū)動程序框架已形成。DriverWizard生成了兩個類：一個是驅(qū)動程序文件中的類，主要完成WDM的DriverEntry和AddDevice例程;另一個是設(shè)備文件中的類，主要完成與硬件交互的例程。

4.2驅(qū)動程序功能的實現(xiàn)

　　DriverWizard創(chuàng)建的WDM驅(qū)動程序框架中包含了很多例程。這些例程可分為兩種：必需的基本例程和根據(jù)需要可選擇的擴(kuò)展例程。根據(jù)需要修改相應(yīng)的例程即可實現(xiàn)該運(yùn)動控制卡驅(qū)動程序的具體功能。

4.2.1初始化驅(qū)動程序——DriverEntry例程

　　DriverEntry例程負(fù)責(zé)驅(qū)動程序的初始化，所有的驅(qū)動程序都必須包含DriverEntry例程。當(dāng)裝載驅(qū)動程序時，PnP管理器為每個驅(qū)動程序調(diào)用一次DriverEntry例程。DriverEntry用以初始化驅(qū)動程序范圍的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和資源。

　　DriverEntry例程主要有以下三個功能：

　　（1）設(shè)置AddDevice、Unload、Dispatch和其他例程的入口指針

　　（2）可以從注冊表中獲取一些必要的信息以初始化驅(qū)動程序

　　（3）初始化其他的在驅(qū)動程序范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和資源

4.2.2串行讀例程——SerialRead例程

　　在該驅(qū)動程序中，對IRP進(jìn)行串行處理采用的是由驅(qū)動程序管理的IRP隊列。當(dāng)硬件設(shè)備處于忙狀態(tài)時，將IRP排隊;當(dāng)硬件設(shè)備處于空閑狀態(tài)時，將排隊的IRP取出處理。SerialRead例程是擴(kuò)展例程，向SerialRead例程中添加功能代碼就可以實現(xiàn)PC機(jī)對運(yùn)動控制卡的串行讀操作，應(yīng)用程序可以通過該WDM驅(qū)動程序讀取雙端口RAM中的數(shù)據(jù)及參數(shù)。

4.2.3串行寫例程——SerialWrite例程

　　在該驅(qū)動程序中，要實現(xiàn)PC機(jī)對運(yùn)動控制卡的串行寫，需要使用SerialWrite例程。串行寫操作主要負(fù)責(zé)處理運(yùn)動函數(shù)原型的解讀，并將解讀后的指令寫入雙端口RAM中。

4.3生成WDM驅(qū)動程序

　　設(shè)計完成后的WDM驅(qū)動程序?qū)⑸梢粋€工作區(qū)（Workspace）和兩個工程（Project），生成的工作區(qū)包括了驅(qū)動程序工程和應(yīng)用程序工程。分別選擇兩個工程，并分別將其設(shè)置成為當(dāng)前活動工程，用VisualC++6.0對其進(jìn)行編譯。對于驅(qū)動程序的編譯，不用進(jìn)行任何設(shè)置，單擊Build圖標(biāo)即可生成后綴名為.sys的驅(qū)動程序文件。

5、運(yùn)動控制卡驅(qū)動程序的安裝與應(yīng)用

　　生成后綴名為.sys的驅(qū)動程序后，安裝之前，首先要修改INF文件，然后將其拷貝到“..sysobjchki386”目錄下。修改INF文件只要將文件雙引號中的提示改為相應(yīng)的內(nèi)容即可生成設(shè)備信息文件。對該驅(qū)動程序的INF文件作如下修改：

　　[Strings]

　　ProviderName=“數(shù)控研究中心”//公司名稱

　　MfgName=“華南理工大學(xué)機(jī)械與工程學(xué)院”//硬件制造商名稱

　　DeviceDesc=“高級運(yùn)動控制卡V3.2”//設(shè)備描述

　　DeviceClassName=“高級運(yùn)動控制”//設(shè)備類描述

　　SvcDesc="運(yùn)動控制"http://服務(wù)描述

　　使用控制面板中的添加新硬件來搜索新硬件，根據(jù)提示指定INF文件和編譯后生成的.sys驅(qū)動程序文件，系統(tǒng)就可以自動安裝新硬件的驅(qū)動程序。

　　驅(qū)動程序安裝好之后，在Windows2000環(huán)境下對運(yùn)動控制卡及其設(shè)備驅(qū)動程序進(jìn)行實際測試[4]。測試結(jié)果表明，此設(shè)備驅(qū)動程序能使運(yùn)動控制卡在Windows2000環(huán)境穩(wěn)定工作，并能對多軸的運(yùn)動位置和速度進(jìn)行準(zhǔn)確控制。同時，將該驅(qū)動程序移植到Windows98/XP系統(tǒng)中，也能驅(qū)動運(yùn)動控制卡正常工作。

6、結(jié)束語

　　傳統(tǒng)的驅(qū)動程序都是用DDK開發(fā)，開發(fā)效率不高。本文以基于PCI總線的運(yùn)動控制卡為研究對象，以DriverWorks為工具，方便快捷地設(shè)計完成了設(shè)備驅(qū)動程序。在Windows環(huán)境下對運(yùn)動控制卡及其驅(qū)動程序進(jìn)行測試，結(jié)果表明，此驅(qū)動程序能使該運(yùn)動控制卡在Windows環(huán)境下穩(wěn)定工作。實質(zhì)上，驅(qū)動程序仍滿足DDK對WDM的要求，調(diào)用的仍是DDK所提供的基本函數(shù)。利用DriverStudio對數(shù)控系統(tǒng)中的運(yùn)動控制卡開發(fā)驅(qū)動程序，對數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)開放式軟件結(jié)構(gòu)及人機(jī)界面具有重要意義。

　　本文作者創(chuàng)新點：利用DriverStudio來設(shè)計運(yùn)動控制卡的WDM驅(qū)動程序，實現(xiàn)了在Windows2000環(huán)境下，上位機(jī)和運(yùn)動控制卡的正常通訊，并能根據(jù)上位機(jī)的指令通過運(yùn)動控制卡對多軸運(yùn)動位置和速度進(jìn)行準(zhǔn)確控制。