Windows驱动中的PCI, DMA, ISR, DPC, ScatterGater, MapRegsiter, CommonBuffer, ConfigSpace

忘是亡心i 2021-06-26 16:06 323阅读 0赞

最近有些人问我`PCI`设备驱动的问题, 和他们交流过后, 我建议他们先看一看`<<The Windows NT Device Driver Book>>`这本书, 个人感觉, 这本书写得非常连贯流畅.

`PCI`设备驱动基本包括了`PCI`的资源获取, 配置空间的读写, 中断的处理, 中断后半部在`DPC`中的处理.

同时, 也必须了解`DMA, ScatterGater, MapRegister, Common Buffer`等基础.

## 1.1 `PCI`设备资源获取 ##

`PCI`设备的资源是系统根据设备的属性(配置空间中寄存器的值)来动态分配的.

驱动中只需在`PNP START`中获取这些系统分配的资源:

例如: 笔者开发的`PCI`电视卡驱动中, 就使用到了其中了两类资源, `CmResourceTypePort`与`CmResourceTypeInterrupt`.

`Port`地址作为设备寄存器首地址, 之后, 可以使用`WRITE_PORT_ULONG`与`READ_PORT_ULONG`加上相应的`OFFSET`来对设备寄存器进行访问.

`Interrupt`资源中解释出来的内容, 则主要作为`IoConnectInterrupt`系统函数的参数, 将设备的硬件中断与`ISR`相关联, `KINTERRUPT`的实例则是设备中断的软件形式的载体.

## 1.2 `DMA` ##

`DMA`设备, 在系统中分为`MASTER`与`SLAVE`, 另外一个很重要的能力就是是否支持`Scatter/Gather`.

这些能力最终表现在`DEVICE_DESCRIPTION`所定义的数据结构的成员中, 例如:`DmaWidth`, `ScatterGather`, `Master, Dma32BitAddresses, Dma64BitAddresses`.

系统最终将各种不同类型的设备`DMA`抽象为`DMA_ADAPTER`的实例, 它是设备`DMA`软件形式的载体.

驱动代码通过`IoGetDmaAdapter`系统调用, 将物理设备对象`PDO`与`DMA`描述结构作为参数, 最终得到这个`DMA_ADAPTER`对象, 作为后续一系列`DMA`相关操作的实体对象.

## 1.3 `Map Register` ##

用户空间, 内核空间的虚拟内存与物理内存的关联是通过页表来映射的, 驱动程序员常常会使用`MDL`, 它也是某一特定区域虚拟内存与物理内存的映射关系.

而`DMA`设备则需要从总线地址(MSDN中又叫逻辑地址)与内存物理的映射关系角度去看待系统内存.

这个映射的关系就是由`Map Register`承担的.

不过, 这批`Map Register`则根据系统而定, 有些是硬件实现, 有些是软件中划分出来的特定的一块内存.

`IoGetDmaAdapter`的调用, 也是向系统申请`Map Register`的过程.

## 1.4 `Common Buffer` ##

这也是大家问得最多的问题

简单地讲, `Common buffer`是以`DMA_ADAPTER`为代表所申请的, 申请成功后, 既能通过虚拟地址访问, 也可以通过`DMA`控制器所属逻辑地址空间的地址来访问的连续物理内存.

它的好处就是物理上连续, 存在的问题是系统中连续物理内存是随着系统的运行时间的流逝, 越来越稀缺.

`AllocateCommonBuffer`系统调用是作为`DMA_ADAPTER`的`DmaOperations`形式存在的, 所以, 具体的一块`Common Buffer`可以说, 是与具体的一个`DMA`控制器所关联的.

`AllocateCommonBuffer`成功调用后, 会返回虚拟地址与`DMA`控制器所属逻辑空间的逻辑地址.

笔者开发的`PCI`电视卡, 就是通过`AllocateCommonBuffer`分配一块较小的连续物理内存, 用来存放`Scatter/Gather`列表 (某块内存的逻辑地址`SCATTER_GATHER_LIST.Elements[i].Address.LowPart` 与该内存的长度`SCATTER_GATHER_LIST.Elements[i].Length`, 相应操作通过`common buffer`的虚拟地址 ).

这个`Scatter/Gather` List列表最终由具有`S/G`能力的`DMA`控制器来读取(相应操作通过`common buffer`的逻辑地址), 根据其中的表项, 进行`DMA`读/写操作.

## 1.5 S/G ##

`S/G的`能力是`DMA`控制器的特性, 如果具有`S/G`的能力, 则可以批量地`DMA`操作, 否则, 必须一次一次地使用`MapTransfer`来完成`DMA`操作.

系统空间的中虚拟内存与物理内存之间的联系通过`IoAllocateMdl`与`MmBuildMdlForNonPagedPool`建立特定的`MDL`来表示.

其后,通过`DMA_ADAPTER`的`DmaOperations`中的`GetScatterGatherList`获取`MDL`所描述的虚拟地址内存的`S/G`列表, 最后, 在`GetScatterGatherList`的  
`ExecutionRoutine` 函数中, 将该列表填入`Common buffer`的`TABLE`(起始逻辑地址 与 长度)中, 以供`DMA Controller`所用.

1.6 `ISR`与`DPC`刚才已经提到, `ISR`是通过`IoConnectInterrupt`注册的.`ISR`在设备中断到来时实调用, 但具体的事项则交由(`KeInsertQueueDpc`)`DPC`来处理.而`DPC`则是通过`KeInitializeDpc`系统调用, 将`DPC`对象`KDPC`与具体的`KDEFERRED_ROUTINE DPC`处理函数相关联的.

## 1.7 PCI设备配置空间的访问 ##

事实上, 一般情况下, `Windows PCI`设备并不需要访问`PCI`设备配置空间.但作为一个完整的`PCI`设备驱动, 这里提及一下.  
由于`PCI`设备的配置空间与`IO/MEM`空间是分开的, 前面已经提及`IO/MEM`的访问方式, 配置空间的访问如下:定义变量:`BUS_INTERFACE_STANDARD m_BusInterfaceStandard`;建立: `IRP`, 主与次分别为`IRP_MJ_PNP`, `IRP_MN_QUERY_INTERFACE`, 得到`BUS_INTERFACE_STANDARD`数据结构.之后, 通过`BUS_INTERFACE_STANDARD`中的`SetBusData`与`GetBusData`来进行`PCI`配置空间的寄存器读写.