基于简化HDLC规程的通信卡及驱动程序设计

在我国的靶场测控领域，所有的数据交换都是基于简化版的HDLC规程进行的，因此我们自行研制开发了基于简化HDLC规程的通信卡。简化HDLC规程主要是为了提高通信的实时性，将HDLC规程中所有通信联络命令帧全部简化，只保留数据通信帧，从而保证一定的实时性。由于该卡具有可靠性高，使用简单方便，工作时具有智能化等特点，被广泛地应用于测控系统数据传送的各个领域中。同时，随着Windows XP操作系统在测控系统逐渐应用，开发通信卡Windows XP驱动程序势在必行。因此，我们针对自行研制的通信卡开发出了核心态的驱动程序，经过广泛的用户使用，普遍反映应用好。下面介绍该通信卡的设计以及驱动程序的设计。

通信卡的硬件设计
1 通信卡的主要特点
通信卡的硬件设计目的是智能化通信:在卡上具有4个DMA通道及相应的数据缓冲存储区。在数据的接收过程中，通信卡会自动接收帧数据，判别帧长度，在帧尾将接收到的帧数据提交系统。在发送数据过程中，系统只须把发送的数据提交给本卡，具体的发送过程由该卡自行完成，不因多路通信而使主机增加开销。该卡有内/外时钟两种工作方式，近距离可省去调制解调器，波特率为600b/s～64Kb/s，提供2路符合RS-232/CCITT V.24和RS-422A标准的接口信号。

2 通信卡的电路设计

图1 通信卡框图

通信卡组成框图如图1所示。其主要由DMA控制器、总线竟争仲裁器、串行通信控制器、数据缓冲存储器SRAM、存储器I/O映像和物理地址产生器、总线接口及防护、波特率产生器、接口电路等单元电路组成。
DMA控制器作为通信卡的主设备，控制卡上的数据接收和发送（来自通信控制器和CPU），并负责仲裁优先权。由于在进行数据通信时，允许主机CPU访问本卡SRAM，且主机对其中某一路发控制命令时，不影响其余三路通信，这样将会使主机CPU与本卡DMA竟争本卡总线控制权。而总线上没有给出主机CPU指令排队状态序列，故不能直接设计多主竟争，因而在本卡总线上用门阵列设计了一个状态机，不断地监视总线争用情况，完成本卡总线竟争、仲裁功能。完成HDLC规程的串行通信的器件是INTEL 8274多规程串行控制器，它能完成2个独立的串行接收/发送全双工通信。为了使4个信道在一帧数据的发送或接收过程中，主机不干预，故将发送的一帧数据在发送开始前由CPU用批命令放入卡上的SRAM中；同样，在接收过程中，卡上DMA将接收到的数据放入SRAM中，等一帧接收完成后，再用批命令取出，放入系统存储器中。卡上SRAM不占用主机内存地址，采用I/0映像，该适配器插入主机之后，主机通过系统I/O地址对其访问，这由地址产生器完成。总线接口包括数据收发器，数据开关电路，读、写及中断等控制电路，地址译码等。波特率产生器提供了一个可编程的时钟信号发生器，用户可自行设置通信速率，供工作于内时钟方式时使用。接口电路提供符合RS-232/CCITT V.24和RS-422A标准的接口信号。

3通信流程设计
如果要发送一帧数据，CPU用批命令将数据放到本卡SRAM中，然后设置相应的发送DMA通道。DMA通道是非自动重装方式，启动8274控制器发送，然后CPU就不需要管理，由卡上硬件自动发送。

如果需要接收数据，启动接收通道。接收通路自动搜索输入信号，搜索到数据帧时，由卡上DMA控制器来管理，将接收的数据放入本卡SRAM中，并向CPU请求中断，读出数据。

4 总线竟争设计
由于同时可进行四路通信，且CPU可随时对某一路发控制命令或访问卡上SRAM存储器，就将出现CPU与本卡主设备DMA争用本卡总线的状况。由于ISA总线没能给出 CPU指令排队状态序列，这给总线仲裁带来了困难，而本卡的总线竟争、仲裁是由可编程逻辑器件设计的状态机来完成的。状态机使用一个4MHz信号作为时钟，共设3种状态：
① CPU控制状态。
② DMA控制状态。
③ 空闲状态， CPU及DMA均未能得到控制权。
当状态机检测到无CPU及DMA申请总线使用权时，就进入空闲状态，而一旦CPU或DMA 请求总线，状态机立即将总线使用权交给CPU或DMA。如果正在CPU控制状态期间，DMA申请总线使用权，状态机仍然判定CPU控制总线，让DMA处于等待，直到检测CPU指令完成，状态机才转为DMA控制状态。如果在DMA控制状态时，CPU申请总线使用权，状态机仍然判定DMA控制总线，让CPU处于等待，直至DMA字节传送完，状态机转为CPU控制状态。CPU及DMA对总线的使用权是单个指令或字节传送，不设置总线封锁，因而CPU、DMA可频繁交换使用权，不会出现等待时间过长的现象。

通信卡的驱动程序设计
1 设备驱动程序的I/O模型
通信卡的驱动程序是利用Windows XP的DDK软件开发的标准的核心态设备驱动程序。它使用统一的“文件”形式，用户可以通过代表通信卡设备的文件名，在WIN32子系统中用文件操作函数来访问。该设备驱动和程序可以根据用户的需要，设置为自动加载，或手动加载，也可以动态的加载该驱动程序。通信卡的驱动程序设计成为支持同步I/O模型，也可以为异步I/O模型。

2 发送数据I/O例程设计
在用户态提交发送任务到核心态，由I/O管理程序负责调用驱动程序，驱动程序发送IRP交给硬件，假若当前发送器不忙，则具体的发送操作全部由发送器自行完成，而驱动程序则返回已经一个本帧可以发送的标志。具体的发送完成结果则可以在发送任务完成后查询得到。可是，如果程序向当前设备发送器提交发送任务时，该发送器正在处理上一帧，那么则有两种方法处理。

① 立即方式：立即返回一个错误，当前设备忙，不能发送。
② 阻塞方式：I/O管理器程序会调度相应的异步处理例程，将当前的发送任务放进任务队列中，返回一个标志：I/O挂起，当前设备忙，发送任务提交任务队列。驱动程序会在发送器空闲时，提交任务队列中的发送任务给发送器。完成发送任务后，将相关文件句柄设为有信号状态，通知本次发送任务完成。

3接收数据I/O例程
接收数据例程采用客户/服务器的模式设计。由于用户的接收请求和硬件的接收并不是同步的，所以在设计中，为避免丢失数据，考虑创造一个专门的接收线程。这样，同步用户请求、接收线程、硬件层之间的通信就必须仔细地设计。图2示意了用户态接收请求、接收线程以及硬件层之间的通信同步。

图2 用户态接收请求、接收线程与硬件层之间的通信同步

① 硬件层与接收线程之间通信
硬件层与接收线程之间通信的同步是通过同步事件对象来实现的。同步事件对象通常处于无信号状态，只有当成功地接收到一帧时，才将该事件置为有信号状态。接收线长久等待同步事件对象，在没有收到数据时，因同步事件对象处于无信号状态而阻塞。当硬件检测到数据时，实时中断服务程序负责将同步事件对象置为有信号状态，接收线程就会释放阻塞。将通信卡SRAM上的接收数据读进接收线程缓冲区队列，然后将同步事件对象置为无信号状态，接收线程再次阻塞，等待接收下一帧数据。

② 用户层和接收线程之间的通信
当用户提交接收任务时，由驱动程序的调度程序读取接收线程的缓冲区队列，并将标志置为“空”，同时将缓冲队列事件置为无信号状态，并返回，如果缓冲区是空，则
● 立即方式：立即返回无数据。
● 阻塞方式：阻塞直到有数据队列进入。接收队列的每个缓冲区都对应一个通知事件，如果接收线程将SRAM中的数据读进队列，就将相应的通知事件置为有信号状态，用户请求就等待该通知事件，只要有数据在队列中，就读取返回，否则被阻塞。

4 硬中断服务程序设计
通信卡在全双工的通信中具有实时性，而且在较高的波特率，硬中断非常多。为了防止高优先级中断过多地抢占CPU时间，设计中采用了实时中断服务程序和延迟过程调用的方法。

在Windows XP系统中，每个内核函数和过程都运行于特定的优先级。较高优先级的函数或事件可以抢占较低优先级，反之则不然。实时中断服务程序ISR运行于DIRQL级，具有较高的优先级，它只能被更高级的硬中断所抢占，不会对同级或较低优先级的硬中断的响应。所以，在实时中断服务程序中，只做尽量少的必须工作，即读出中断向量，而将大量的数据传送及处理等工作交给延迟过程DPC去完成。因为DPC过程运行于DISPATCH_LEVEL级，是相对较低的优先级，它可以被任何级的硬中断所抢占。这样，既保证了硬中断的及时响应，又提高了程序的性能。

5 驱动程序入口例程
Windows XP为每个核心态的驱动程序提供了一个默认的标准入口点DriverEntry()。设计中，考虑到该例程运行于PASSIVE_LEVE级，系统只运行该例程一次就抛弃了，所以在驱动程序中用到的重要数据、对象等都不能保存在DriverEntry（）例程中，必须在初始化过程中分配一块NoPaged内存来保存。通信卡的驱动程序的DriverEntry（）例程主要完成如下功能。

读取Registry的硬件配置信息；声明I/O地址、中断等资源；创建代表通信卡的设备名MPSC，该名字对WIN32子系统是可见的；设置调度例程入口点；分配一块NoPaged的内存，存储重要信息；连接硬中断，设置中断服务程序；初始化线程、事件、信号灯、DPC等内核对象；返回状态STATUS_SUCCESS。
如果在以上过程中遇到错误，则需要做以下工作：断开硬中断；释放硬件资源；将相关的错误信息打包，并记录；返回错误信息。

6 设计驱动程序中需要注意的问题
由于通信卡在应用中具有一定的实时性，为了克服中断的不确定性，提高系统的性能，开发了Windows XP系统所有驱动程序中最难的异步驱动程序。在系统的内核开发，异步模型I/O操作中，内核对象的同步十分复杂，细微的差错都会导致系统彻底崩溃。在设计驱动程序中需要注意以下问题。
● 在程序中用到的内核对象：事件、信号灯、线程以及转锁等，都必须将其存储在Nopaged内存中，否则，会造成系统崩溃。
● 在DPC例程中，如果要访问中断服务程序ISR程序中用到端口地址，一定要将访问语句放在系统提供的同步例程中，这是因为当DPC例程访问该端口时，有可能被优先级高的ISR例程所抢占，而造成数据错误。
● 驱动程序一定不要访问WIN32子系统的运行库函数。