基于CPCI的伺服卡的DMA和中斷研究-基礎(chǔ)電子

精品文檔-下載后可編輯基于CPCI的伺服卡的DMA和中斷研究-基礎(chǔ)電子摘要：為簡(jiǎn)化當(dāng)前光電設(shè)備電子學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，本文提出了基于CPCI總線，以DSP和FPGA為控制的伺服控制卡結(jié)構(gòu)，來(lái)取代原來(lái)的控制子系統(tǒng)；在Windows2000下，利用DriverStudio為其開(kāi)發(fā)的WDM驅(qū)動(dòng)程序，采用DMA結(jié)合中斷的數(shù)據(jù)傳輸方式，使其與上位機(jī)的通信速率在突發(fā)模式下能達(dá)到26.3Mbytes/s,滿足了系統(tǒng)對(duì)伺服控制器的實(shí)時(shí)性要求。

引言

在當(dāng)前光電子學(xué)系統(tǒng)中，以PC104作為伺服控制分系統(tǒng)，體積龐大，不便于系統(tǒng)管理。開(kāi)發(fā)具有伺服控制能力的處理卡，用一塊板卡替代原來(lái)的系統(tǒng)，能簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的集成度，使電子學(xué)系統(tǒng)終成為一個(gè)高度集成的控制平臺(tái)。

CPCI（CompactPCI）總線在PCI總線基礎(chǔ)之上，采用了歐洲卡結(jié)構(gòu)，拋棄金手指式互連方式，改用2mm密度的針孔連接器，并具有可熱插拔性，使其具有了更高的可靠性和開(kāi)放性，并且能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，在工業(yè)控制、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。自行開(kāi)發(fā)的伺服控制卡基于CPCI總線，以DSP作為卡上控制CPU，與FPGA結(jié)合實(shí)現(xiàn)控制。本論文以該伺服控制卡為依托，在概述其硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，介紹了在Windows2000下CPCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，重點(diǎn)闡述了橋接芯片PCI9054的DMA數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)及中斷處理機(jī)制。

1.伺服控制卡的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與硬件實(shí)現(xiàn)方案

伺服控制卡以TI公司的TMS320F2812DSP作為處理器，與FPGA結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)板卡的控制功能，通過(guò)CPCI總線完成與上位PC機(jī)的通信，其系統(tǒng)功能框圖如圖1所示：

圖1伺服控制卡硬件結(jié)構(gòu)圖

FPGA選用Altera公司的EPF10K30A，它內(nèi)嵌1536Byte的RAM，此RAM為主機(jī)與DSP共享，用于上位機(jī)與DSP之間的高速數(shù)據(jù)緩沖，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)接收上位機(jī)傳遞的命令和參數(shù)等數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后發(fā)送給DSP進(jìn)行相應(yīng)的控制操作，同時(shí)反饋信息給上位機(jī)。TMS32F2812的主要任務(wù)就是完成復(fù)雜的伺服控制算法，特別是位置控制和速度控制。

FPGA通過(guò)2812的外部中斷XINT1和XINT2來(lái)觸發(fā)2812接收控制命令和參數(shù)，2812接收到命令后，根據(jù)自身定義的工作協(xié)議進(jìn)入相應(yīng)的工作狀態(tài)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用PLX公司的PCI9054作為總線接口芯片，實(shí)現(xiàn)CPCI局部總線與FPGA的通信。PCI9054采用C模式，在該模式下，PCI的數(shù)據(jù)線與地址線是非復(fù)用的，設(shè)計(jì)時(shí)只需關(guān)注9054的本地端總線。

2.WDM驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

在Windows環(huán)境下，位于用戶態(tài)的應(yīng)用程序不能之間訪問(wèn)硬件資源，而要通過(guò)執(zhí)行核心態(tài)的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)間接完成對(duì)硬件資源的訪問(wèn)，因此，對(duì)于上位機(jī)上的應(yīng)用程序，要對(duì)伺服控制卡進(jìn)行訪問(wèn)，必須要為其開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序。

WDM驅(qū)動(dòng)程序是一種Pnp驅(qū)動(dòng)程序，它能夠?qū)崿F(xiàn)Windows98與Windows2000、WindowsXP之間的源代碼級(jí)兼容。Windows2000性能穩(wěn)定，在調(diào)試自行開(kāi)發(fā)的板卡時(shí)，仍然是的操作系統(tǒng)。在Windows2000中，所有對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的I/O請(qǐng)求都轉(zhuǎn)化為I/O請(qǐng)求包（IRP)來(lái)表示，IRP是I/O管理器在響應(yīng)I/O請(qǐng)求時(shí)從非分頁(yè)系統(tǒng)內(nèi)存中分配的一個(gè)可變大小的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，I/O管理器負(fù)責(zé)產(chǎn)生代表I/O操作的IRP，并將IRP傳至正確的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，并通過(guò)分層的驅(qū)動(dòng)程序傳遞給物理設(shè)備。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序則接收IRP，執(zhí)行相應(yīng)的操作，完成后再將IRP傳送回I/O管理器，表示I/O操作的完成或者通過(guò)I/O管理器將其傳遞給其他的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

3.伺服控制卡的WDM驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)環(huán)境常用的有微軟的DDK、Jungo的WinDriver和Numega的DriverStudio。DriverStudio把DDK封裝成類(lèi)，包含完善的代碼生成和調(diào)試工具，并且提供對(duì)WDM驅(qū)動(dòng)的完全支持，利用它開(kāi)發(fā)的態(tài)驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行效率也很高。本系統(tǒng)在VC環(huán)境下利用DriverStudio開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序。

接口芯片PCI9054支持主模式、從模式和DMA模式三種數(shù)據(jù)傳輸方式。DMA傳輸不通過(guò)處理器，直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可以節(jié)省CPU資源；并且DMA模式還支持CPCI總線與本地總線之間的高效突發(fā)。

3.1DMA數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)

PCI9054集成了兩個(gè)互相獨(dú)立的DMA通道，每一個(gè)通道由一個(gè)DMA控制器和一個(gè)專(zhuān)用雙向FIFO組成，都支持塊DMA和分散/集中DMA操作，這里選用DMA通道0，采用塊DMA方式實(shí)現(xiàn)傳輸。在DriverWorks中提供了三個(gè)類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)DMA傳輸，分別是KDmaAdapter類(lèi)、KDmaTransfer類(lèi)和KCommonDmaBuffer類(lèi)。

3.1.1.DMA適配器

對(duì)于DMA傳輸，驅(qū)動(dòng)程序需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)DMA適配器，來(lái)表明一個(gè)DMA通道的特性和提供串行化訪問(wèn)的服務(wù)。KDmaAdapter類(lèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)DMA適配器的操作。在它的初始化函數(shù)Initialize（PDEVICE_DESCRIPTIONpDesc,PDEVICE_OBJECTpPdo）中個(gè)參數(shù)是一個(gè)DEVICE_DESCRIPTION結(jié)構(gòu)的指針，這個(gè)參數(shù)用于對(duì)DMA通道的屬性進(jìn)行設(shè)置。

3.1.2.DMA控制器

采用DMA方式時(shí)，CPU要放棄對(duì)系統(tǒng)總線的使用權(quán)，主存儲(chǔ)器和外部設(shè)備是被控制的對(duì)象，它們之間沒(méi)有相互控制的能力，需要利用DMA控制器來(lái)代替CPU完成控制功能。

在用DriverWorks開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)時(shí)，KDmaTransfer類(lèi)用于控制DMA的傳輸；它可以啟動(dòng)一個(gè)DMA傳輸，指定DMA傳輸?shù)姆较?，DMA傳輸數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的物理地址和要傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)。KDmaTransfer類(lèi)的Initiate()函數(shù)用于初始化一個(gè)KDmaTransfer對(duì)象；在成功初始化一個(gè)KDmaTransfer類(lèi)對(duì)象后，將會(huì)調(diào)用DMA準(zhǔn)備就緒回調(diào)例程O(píng)nDmaReady,在該例程中獲取要傳輸?shù)膬?nèi)存的地址和字節(jié)數(shù)，并調(diào)用StartDMA例程開(kāi)始DMA傳輸。

與中斷結(jié)合的DMA傳輸在傳輸結(jié)束后會(huì)再次調(diào)用KDmaTransfer類(lèi)的Continue()函數(shù)發(fā)起下的DMA傳輸操作，直到傳輸完成。

3.1.3.DMA公共緩沖區(qū)

在DriverWorks中KCommonDmaBuffer類(lèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)公用緩沖區(qū)的操作。在實(shí)際使用時(shí)，聲明一個(gè)KCommonDmaBuffer類(lèi)對(duì)象并初始化。在傳輸結(jié)束后，釋放公共緩沖區(qū)，以防止內(nèi)存丟失。

3.1.4.寄存器設(shè)置

PCI9054在DMA模式下傳輸，驅(qū)動(dòng)程序要通過(guò)I/O指令設(shè)置DMA控制器內(nèi)部的寄存器以實(shí)現(xiàn)兩總線間的數(shù)據(jù)傳送，需要設(shè)置的內(nèi)部寄存器及其具體功能如下表1所示：

3.2驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)中的中斷處理機(jī)制及實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序采用塊DMA與中斷結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)主機(jī)與伺服控制卡之間的數(shù)據(jù)傳輸。以讀操作為例，每次DMA傳輸完后，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)DMA中斷，中斷處理程序應(yīng)答中斷，并獲取公共緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，通知主機(jī)端有數(shù)據(jù)到達(dá)；可以看出，高效的DMA處理依賴(lài)于高效的中斷處理過(guò)程。

中斷處理完成CPU與I/O設(shè)備之間的信息交換，在為硬件板卡開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)需要為中斷配置相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)處理。在處理中斷之前要對(duì)中斷資源進(jìn)行配置，首先定義并初始化一個(gè)中斷對(duì)象，在初始化階段，提取IRP資源中的中斷級(jí)別、中斷模式、中斷向量、共享模式等信息。利用上面獲得的參數(shù)來(lái)連接中斷，連接中斷操作的主要目的是注冊(cè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的中斷服務(wù)例程（ISR），以便在中斷發(fā)生后中斷服務(wù)例程能夠被調(diào)用。在DriverWorks中用KInterrupt類(lèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件中斷的處理。

status=m_Irq.InitializeAndConnect(pResListTranslated,LinkTo(Isr_Irq),this)

當(dāng)硬件發(fā)生中斷時(shí)，硬件抽象層（HAL)把中斷級(jí)別（IRQL）提升到合適的中斷級(jí)別，然后調(diào)用中斷服務(wù)例程（ISR)。CPCI總線是中斷共享的，因此，ISR首先確定是哪一個(gè)設(shè)備發(fā)生了中斷，如果不是當(dāng)前設(shè)備的中斷，立即返回FALSE，以便HAL把中斷發(fā)送給其他設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。如果是當(dāng)前設(shè)備的中斷，則在清除該中斷，并做相應(yīng)的處理。中斷處理的整個(gè)過(guò)程如下圖2所示：

ISR執(zhí)行在高于DISPATCH_LEVEL的IRQL上，它凍結(jié)了其CPU上所有低于或等于該IRQL上的其他活動(dòng)，為了提高系統(tǒng)性能，ISR例程應(yīng)該盡可能快的完成；此外，ISR中使用的所有代碼和數(shù)據(jù)必須存在于非分頁(yè)內(nèi)存中，能調(diào)用的內(nèi)核模式函數(shù)也十分有限。

圖2：中斷處理流程圖

Windows2000提供了延遲過(guò)程調(diào)用（DPC）機(jī)制來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，ISR決定當(dāng)前請(qǐng)求的完成并請(qǐng)求一個(gè)DPC，之后，內(nèi)核在DISPATCH_LEVEL級(jí)上調(diào)用這個(gè)DPC例程。當(dāng)有當(dāng)前設(shè)備的中斷到來(lái)時(shí)，把一個(gè)DPC插入到DPC隊(duì)列中。實(shí)現(xiàn)代碼如下：

m_DpcFor_Irq.Setup(LinkTo(DpcFor_Irq),this);//創(chuàng)建一個(gè)DPCm_DpcFor_Irq.Request(NULL,NULL)//把一個(gè)DPC插入到DPC隊(duì)列等待執(zhí)行

4．應(yīng)用程序與驅(qū)動(dòng)程序的通信

4.1通信的實(shí)現(xiàn)策略

應(yīng)用程序采用Win32事件通知的方式與驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行通信：應(yīng)用程序調(diào)用API函數(shù)CreatFile打開(kāi)設(shè)備，調(diào)用CreateEvent創(chuàng)建事件句柄hEvent并置為無(wú)信號(hào)態(tài),把hEvent作為函數(shù)DeviceIoControl的參數(shù)傳遞給驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)調(diào)用CreateThread創(chuàng)建等待線程；WDM驅(qū)動(dòng)程序接收事件句柄hEven，初始化KEvent類(lèi)對(duì)象m_hEvent,當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，在DPC中執(zhí)行m_hEvent-Set()，將事件設(shè)置為信號(hào)態(tài)，喚醒應(yīng)用程序中的等待線程，然后調(diào)用DeviceIoControl完成數(shù)據(jù)傳輸。

4.2數(shù)據(jù)傳輸速率測(cè)量

在實(shí)際測(cè)量時(shí)，采用了硬件測(cè)量法，應(yīng)用程序不斷向DSP處理卡發(fā)送數(shù)據(jù)/接收數(shù)據(jù)，利用示波器來(lái)觀測(cè)BLAST#和ADS#信號(hào)的變化周期，得出每組數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間。該DSP卡本地端總線為8位，在DMA模式下，測(cè)得的發(fā)送/接收時(shí)的測(cè)量結(jié)果如下表2所示:

從以上結(jié)果可以看出，無(wú)限突發(fā)DMA模式傳輸速率，可達(dá)26.3Mbyte/s,若本地端總線為32位，則數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到26.3*4=105.2Mbyte/s，接近32位PCI總線的極限傳輸速率133Mbyte/s，能夠滿足大部分高速數(shù)據(jù)傳輸要求。

5.結(jié)束語(yǔ)

自行開(kāi)發(fā)的伺服控制卡，基于高速的CPCI總線，以DSP作為卡上處理器，以FPGA實(shí)現(xiàn)邏輯處理，能夠作為一個(gè)獨(dú)立的單元替代原來(lái)的工控機(jī)子系統(tǒng)，大大簡(jiǎn)化了當(dāng)前光電子學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；