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基于DSP的PCI语音卡及相应WDM设备驱动

关键词:DSP PCI语音卡 WDW设备驱动

时间:2020-04-27 10:29:30      来源:网络

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。

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。

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,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)。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 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。

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。

(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。

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。

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。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!";

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

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

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