PCI总线语音卡及WDM驱动程序设计

CTI(Computer Telephone Integration)即计算机电话集成技术已经发展了30多年。其中电话语音卡是CTI中的典型应用之一，它作为电脑与公用电话网的接口设备，应用领域已经渗透到社会各个部门。同时，在语音卡的开发中也不断注入了新的技术，软件上有语音合成、语音识别等技术，而硬件上最重要的就是DSP技术和PCI总线技术。研制了基于TMS320VC5410 DSP的PCI语音卡，并设计了相应的WDM设备驱动程序，取得了良好的效果。

1 硬件设计

1.1 PCI总线控制芯片PCI2040

PCI总线是一种不依附于某个具体处理器的局部总线，它支持32位或64位的总线宽度，频率通常是33MHz，目前最快的PCI2.0总线工作频率是66MHz。工作在33MHz、32位时，理论上最大数据传输速率能达到133MB/s。它支持猝发工作方式，提高了传输速度，支持即插即用，PCI部件和驱动程序可以在各种不同的平台上运行[1]。

实现PCI总线协议一般有两种方法，一是用FPGA设计实现，但PCI协议比较复杂，因此难度较大；二是采用PCI总线控制芯片，如AMCC公司的S5933、PLX公司的PCI9080等通用的PCI接口芯片。TI公司专门推出了针对PCI总线和DSP接口的芯片PCI2040[2]，它不但实现了PCI总线控制的功能，而且提供了和DSP芯片无缝的接口，因而大大简化了系统设计的复杂度并缩短了开发时间。

PCI2040内部功能框图如图1所示。

PCI2040是一个PCI-DSP桥接器件，它提供了PCI局部总线和TMS320C54X 8位主机接口(HPI)与TMS320C6X 16位主机接口的无缝连接。一片PCI2040最多能同时挂接4片DSP芯片。同时，它还提供了一个串行EEPROM接口，一个通用输入输出接口(GPIO)和一个16位通用总线接口(为TI JTAG测试总线控制器提供接口)[2]。PCI2040只能作为PCI目标设备使用，不能作为PCI主设备使用；它只支持单字的读写，不能提供DMA操作。PCI2040能够兼容3.3V和5V信号环境系统中的3.3V和5V信号可以直接从PCI插槽中获得。

1.2 语音卡硬件设计

1.2.1 功能简介及硬件框图

语音卡是基于TMS320VC5410 DSP和PCI2040而设计的。此卡的主要功能是：(1)通过电话信号音检测模块，将对方说话的声音经A/D转换后，交给DSP进行压缩处理，采用G.729编码算法压缩后速率可达到8kbps，然后将压缩后的码流通过PCI2040经PCI总线存放在计算机硬盘上，从而实现录音功能。(2)将存在硬盘上的压缩码流(以文件形式存在)，通过PCI2040经PCI总线传送到DSP的内部缓冲区中，进行解压缩处理(G.729解码算法)，并将解码后的数据通过D/A转换回放出来。

语音卡硬件框图如图2所示。

电话信号音检测部分主要实现振铃检测、摘挂机及话音传输功能。系统的核心是DSP，它完成各种复杂算法的处理，包括G.729编解码算法、回声消除算法、话音检测及软件摘挂机算法等。TMS320VC5410是TI 54X系列中一款高性能的DSP，它的处理功能达到100MIPS，因此能满足算法复杂度的要求。它的最大特点是片内集成了64K×16bit的RAM和16K×16bit的ROM[3]因而不需要外加SRAM或SDRAM就可以满足系统设计的要求。TMS320VC5410内置了3个多通道缓冲串行口(McBSP)、6个DMA通道和一个8位增强型HPI口，可以方便地和外部进行数据交换。在语音卡的设计中，采用PCI2040来完成DSP与主机交换数据的任务。[page]

1.2.2 PCI2040与TMS320VC5410接口

PCI2040与TMS320VC5410 HPI口的连接如图3所示。

PCI_AD31~PCI_AD15决定了PCI2040的控制空间基地址(Control Space Base Address)寄存器的值，这个值实际上是系统自动分配的。所有的PNP器件都是如此它将控制空间映射到主机内存，映射的空间大小为232-17=32KB。DSP芯片的选择是通过解码PCI_AD14、PCI_AD13来实现的。而PCI_AD12和PCI_AD11分别映射到HCNTL1和HCNTL0，用以决定访问DSP HPI寄存器的方式。其对应关系如表1所示。

因此，DSP与PC交换数据的过程，也就是读写HPI寄存器的过程。具体描述如下：

(1)初始化PCI2040内部配置寄存器，指向特定的DSP(本系统只有一个DSP和PCI2040相连)，指定数据传输宽度为8位。

(2)分配HPI CSR基地址和控制空间基地址，允许PCI2040进行内存映射或I/O端口映射。值得注意的是，PCI2040控制空间只能映射在主机的内存空间里，不能映射在I/O空间。以上两步都由驱动程序完成。

(3)脱离复位状态后，PCI2040解码从PCI总线来的地址，以此来做出响应。若落入32KB的控制空间中，则根据HCNTL1和HCNTL0及片选情况访问相应HPI寄存器。

(4)设定HPI控制寄存器中的BOB位，选择正确的高低8位排列方式。

(5)主机开始对HPI寄存器进行读写。

2 基于WDM的PCI驱动程序设计

2.1 WDM驱动程序结构及原理

WDM是新一代的驱动程序构架，它是一个跨平台的驱动程序模型，在WINDOWS 98以上的操作系统中都实现了全面兼容。不仅如此，WDM驱动程序还可以在不修改源代码的情况下经过重新编译后在非Intel平台上运行，因而为驱动程序开发人员提供了极大的方便。
WDM驱动程序是分层的，即不同层上的驱动程序有着不同的优先级，而Windows 9x下的VxD则没有此结构。另外，WDM还引入了功能设备对象FDO(Functional Device Object)与物理设备对象PDO(Physical Device Object)两个新概念来描述硬件。PDO代表实际存在的硬件设备，它是在总线驱动程序(BUS DRIVER)下枚举并建立的，负责与真实硬件进行I/O操作。FDO是由用户驱动程序建立的，一般来说，它是用户与真实硬件进行I/O操作的一个窗口，是Win32赖以沟通内核的一个桥梁。对于驱动程序开发者，真正需要做的就是开发FDO。至于PDO，则由BUS DRIVER建立，并在需要的时候作为参数由I/O Manager或其它系统组件传给你的FDO。

在应用层与底层进行通讯时，操作系统为每一个用户请求打包成一个IRP(IO Request Packet)结构，将其发送至驱动程序，并通过识别IRP中的PDO来识别是发送给哪一个设备的。另外，WDM不是通过驱动程序名称，而是通过一个128位的全局惟一标识符(GUID)来识别驱动程序的[4]。

WDM驱动程序都有一个初始化入口点，即DriverEntry，它相当于C语言中的main函数。当WDM驱动程序被装入时，内核调用DriverEntry例程。另外WDM设备驱动程序还需要一个即插即用模块，即AddDevice。AddDevice例程就是PnP管理器在用户插入新设备时调用它来创建WDM设备对象的。

2.2 PCI语音卡驱动程序设计

PCI总线支持即插即用，因而采用WDM模型来设计驱动程序将使程序更加合理，支持更多的操作系统，并且在安装维护上更加方便。[page]

该驱动程序主要用DriverStudio 2.5加VC++ 6.0设计。DriverStudio对DDK进行封装，利用向导可生成驱动程序框架。在此基础上再添加针对语音卡处理的函数及语句即可完成设计，调试工具为SOFTICE。程序结构框图如图4所示。

PCI2040.lib和PCI2040.dll处于Ring3层，它封装了和底层驱动打交道的函数，对外只显现出如Open_Device()、Close_Device(HANDLE hDevice)、Record(HANDLE hDevice，LPSTR FileName)、Play(HANDLE hDevice，LPSTR FileName)等API函数。这样可以让多种编程语言以DLL的形式来调用，给使用者提供了方便。

核心编程是PCI2040.sys，它处于Ring0层，为Ring3层和PCI语音卡进行数据交换搭建了一个桥梁。驱动程序中主要模块有:

(1)OnStartDevice()，在这个例程里驱动程序将得到PnP管理器为语音卡所分配的硬件资源，包括HPI CSR基地址和HPI控制空间基地址，对PCI配置空间进行初始化。初始化中断等。需要注意的是，在初始化中断之前禁止卡向主机发中断，因此应有屏蔽中断的操作。

(2)DeviceControl()，在这个例程中可以定制自己的函数来达到Ring3层和Ring0层相互通讯的目的。通过IOCTL_CODE可以区分不同的请求。例如：

#define SEND_HEVENT CTL_CODE(FILE_DEVICE_UNKNOWN， 0x802， METHOD_BUFFERED， FILE_ANY_ACCESS)

在DeviceControl()中，可执行如下语句：

case SEND_HEVENT：

status = SEND_HEVENT_Handler(I)；//接收应用程序传递给WDM的事件句柄

m_Irq.Connect(LinkTo(Isr_Irq), this)； //连接中断

INT_MASK_SET_UL=(ULONG)0x80000001； //开相应中断屏蔽位

m_CtlMemoryRange.outw((ULONG)0x0000，0x0b0b)；//清除中断位，等待中断到来

break；

把连接中断的函数放在DeviceControl()里，并没有和初始化中断(在OnStartDevice()中)放在一起，不然会在Win2000里引起死机。

DSP语音卡是基于中断处理的，因此上面的程序就起了这样一个作用：当语音卡向主机发中断时，驱动程序就跳到Isr_Irq执行，并在DpcFor_Irq中将事件设置为信号态，从而通知上层应用程序进行处理。

(3)Isr_Irq()，这个例程是用来处理中断的。Windows 2000的中断处理机制是假定多个设备可以共享一个硬件中断。因此，Isr的首要工作就是找出哪一个设备发生了中断。如果没有，则应该立刻返回FALSE，以便HAL能把中断送往其它设备驱动程序[5]。中断服务例程Isr执行在提升的IRQL上，在DIRQL级别上运行的代码需要尽可能快地运行。通常情况下，若判断中断是由自己的设备产生的，则调用一个在DISPATCH_LEVEL级别上运行的延迟过程调用(DpcFor_Irq)。

在处理的过程中要注意，当确定是自己卡的中断时，要马上屏蔽中断位防止中断再进来，等到DpcFor_Irq的结尾处再开中断。Dpc中部分语句如下：

if(m_pEventToSignal!=NULL) m_pEventToSignal->Set() //将事件设置为信号态

t << ″Event Set!\n″;

INT_MASK_SET_UL=(ULONG)(0x80000001)； //开中断

M_CtlMemoryRange.outw((ULONG)0x0000，0x0b0b)；

参考文献

1 陈立学，孙 彪，赵玉连． 微机总线与接口设计． 成都：电子科技大学出版社，1998

2 PCI2040 PCI-DSP Bridge Controller Data Manual. Texas Instruments， 1999

3 TMS320VC5410 Fiexed-Point Digital Signal Processor.Texas Instruments， 2000

4 武安河，周莉莉．Windows设备驱动程序(VxD与WDM)开发实务．北京：电子工业出版社，2001

5 Walter Oney．Programming the Microsoft Windows Driver Model．Microsoft Press，1999