基于PCI总线实现E1数据采集卡的设计

作者：马君，张治中 

引言

近年来TD-SCDMA一直是通信行业关注的一个焦点，为了进一步支持TD-SCDMA产业化进展，国家对当前TD-SCDMA产业发展的各个环节给予支持［1］。我国正大力开发TD-SCDMA第三代移动通信（3G）系统，即将大规模组建3G网络，然而却没有所必需的实验研发、建网和运行测试设备，在国际上传统通信测试仪表厂商也只推出了基于CD-MA2000和WCDMA 2种标准的测试仪表。针对这样的情况，研制出具有自主知识产权的TD-SCDMA移动通信网络测试仪，完善TD-SCDMA产业链，形成系列产品并推向市场，必将产生巨大的社会效益及经济效益。该测试仪主要测试的接口包括Iub，Iur，IuCS，IuPS，Nc，Nb，C/D/E/G/Gr/MSCS- SCP，Gn/Gp，Gi等［2-4］，主要实现协议分析（解码）、呼叫跟踪、业务统计及分析、网络异常分析、网络分析和优化、协议仿真等功能，采用工控机结构，多链路、多通道的硬件由多个基于PCI总线的数据采集卡（规程板）组成。E1数据采集卡是其中的一个PCI数据采集卡，它采集的2M信令用于网络的实时维护和管理，是TD-SCDMA网络系统中非常重要的一部分。

1、E1数据采集卡的实现

E1数据采集卡从E1线上采集信令消息（包括七号信令等），用以监视和仿真整个通话流程。控制流程如图1所示，PCI接口芯片（HDLC控制器）是一个多功能设备，包括一个网络控制器和一个PCI桥设备（EBUS）。网络控制器完成时隙映射和DMA传输等功能；PCI桥设备完成选通和配置成帧器，其中成帧器的选通用一个CPLD来完成。信令信号在成帧器成帧后，经过HDLC控制器以DMA方式送入到PC缓冲区，用户依据接口函数到缓冲区读取信令数据并进行分析，数据流程如图2所示。

图1E1数据采集卡控制流程图


图2E1数据采集卡数据流程图

2、E1数据采集卡的驱动设计

2.1开发环境设置

在开发驱动前，首先要对开发、编译环境进行设置。WDM驱动程序开发环境及在Windows XP/Windows2000下编写驱动程序的环境被称为DDKFor WindowsXP/Windows2000或WindowsXP/Windows2000 DDK。DDK是一个命令行下的工作环境。在安装DDK前需要先安装Microsoft Visual C++++和Win32 SDK（可选），安装DDK成功后，一定要在控制面板“系统”属性的“高级”标签环境变量编辑器中设置好这个环境变量。对驱动程序的编译可以通过设置VC ++的项目设置，在VC环境中直接编译驱动程序，但改变设置的工作较繁琐且易出错，因此“DDKbuild.exe”编译联接器是构造驱动程序的主要工具。“DDKbuild.exe”从配置文件Sources中读出待编译的程序的配置，包括源文件、目标文件等，从环境变量Include中得到引用文件的地址，然后调用Visual C++的编译联接器“Nmake.exe”进行实际的编译联接工作。另外，build编译联接器还可以通过查看DIRS文件中的伪指令，确定要编译的驱动程序目录列表。日志文件build.log，build.wrn，build.err中分别记录了编译联接中执行的命令行、遇到的错误和警告。编译完成后的文件后缀为“.sys”。

2.2驱动框架设计

驱动程序在初始化过程中，利用期间识别号（DID）、厂商识别号（VID）和检索号（Index）搜索PCI器件，通过调用PCI BIOS确认其存在，然后利用总线号、器件号、功能号和寻址设备的PCI配置空间（Configuration Space），获得该设备的参数。这部分可以由DRIVERWORKS的向导DriverWizard来完成。

DriverWizard为设计者生成了2个类：一是设备驱动程序类，另一个是设备应用对象类。驱动程序类主要完成WDM（Windows driver model）的DriverEntry和AddDevice例程；设备对象类就是与硬件对应的功能设备对象（FDO）类，与硬件交互的例程都是针对此类的。通过前面驱动框架设计的参数配置，驱动程序就建立了联系，接下来就是驱动功能设计。

2.3 驱动功能设计

E1数据采集卡底层驱动程序的2个部分分别对应接口芯片的2个功能设备：HDLC控制器和成帧器。E1数据采集卡的HDLC控制器和成帧器的配置都是驱动程序通过PCI接口芯片来配置的。

HDLC控制器的配置主要完成映射的共享体的配置。共享体用于HDLC寄存器的初配、接收和发送缓冲区配置。HDLC控制器为每个信道都建立一个消息链表，这样数据缓冲区可以循环利用。HDLC控制器与成帧器的对应关系决定于HDLC控制器端口映射方式的设置。 成帧器就是将E1线上的比特流整合成符合规范的HDLC帧，其中一个标准E1 HDLC帧包括32个时隙，这些时隙可以通过配置映射到HDLC控制器的端口信道上。另外，可以通过时钟配置实现多对多、多对一的灵活时隙映射。自环也是成帧器重要的功能之一，可以将发出的数据直接导到接收端，这对早期开发很重要。成帧器提供3种自环模式，可以满足不同阶段配置的要求，具体如下。

（1）N×64 K模式。在该模式下，E1数据采集卡通过成帧器耦合，将数据导入到一个HDLC控制器端口，这样提供的8个E1接口都可用作接收数据。另外，用户可以根据需要和当前数据量的大小增减时隙配置。

（2）2 M模式。在该模式下，E1数据采集卡将4个成帧器与4个HDLC完全对应，最大数据量达2 Mbit/s。

（3）N×8 K模式。该模式是为某些特殊情况设计的。在有些网络中，七号信令可能只走一个HDLC帧中一个时隙的一个或几个比特。在这种情况下，只将该时隙的对应比特位映射到HDLC端口中，获取准确信息。

卡间同步决定了网络测试仪实时检测性能和仿真性能，是TD-SCDMA网络测试仪的主要技术之一。2 M卡解决了时钟同步问题，可实现一机多卡，为大型网络节点的繁重数据量采集提供升级参考。

3、E1数据采集卡的驱动实现

E1数据采集卡驱动程序采用WDM结构，程序具体模块分析如图3所示。

图3设备驱动程序的组成示意图

3.1驱动程序入口点和回调例程

驱动程序有一个主要的初始化入口点——DriverEntry，当驱动被装载时，内核就调用DriverEntry例程。在 DriverEntry里，有回调例程供内核调用，这些例程是驱动的实现主体。内核通过发送I/O请求包（IRP）来运行驱动程序中的这些例程。驱动程序入口点和回调例程功能列表如表1所示。

表1驱动程序入口点和回调例程

3.2IRP分发例程



“创建”、“关闭”、“读”、“写”、“CTL码”处理的例程就叫分发例程，在本驱动中，用来产生IRP，IRP向上向下转发、传送数据。

3.3创建设备

每个设备接口都有一个惟一标识的GUID码（全局惟一标识符），安装设备驱动时，inf将该信息导入到注册表，形成一个符号链接名来表示设备。这样，操作系统在设备安装后都能够识别设备。

3.4资源分配

资源包括I/O端口、存储器空间、中断和DMA线，这些资源都是由接口提供的。例如，存储器地址可通过KMemoryRange来找寻。



3.5硬件访问

对硬件的访问包括IRP串行处理例程StartIo，StartIo例程可以防止程序的不同部分同时访问相同资源所引起的冲突，在E1数据采集卡中，StartIo例程负责上行处理接收的数据和下行的命令以及发送数据，StartIo可控性很强，能满足采集卡对高速数据采集的要求，具体程序如下。



3.6中断处理

中断例程运行级别很高，windows为了保护操作系统的稳定性，禁止驱动程序调用内核函数。例如，中断程序如果想完成IRP操作，必须要调用DPC例程：m_DpcFor_Irq.Setup（LinkTo（DpcFor_Irq），this）。

3.7驱动卸载

驱动卸载调用Pnp的IRP_MN_STOP_DE-VICE，所有申请内存和中断必须释放，指针置空，例程如下：



3.8测试结果

图4给出了E1数据采集卡采集的测试结果，从中可看到E1线采集的数据经过驱动打标后，被送到了上层测试程序，具有多线路、多业务、实时性等优点，满足了设计要求。另外，板卡经过了超过24小时的大数据量压力测试，测试效果良好。

图4E1数据采集卡采集测试结果

4、结束语

利用E1数据采集卡可以实时监测通信链路的建立、传输、停止等过程，并且可以通过该卡的信令发送功能，实现业务仿真，减小TD-SCDMA网络设计风险。经多次测试证明，E1数据采集卡完全可以应用于TD-SCDMA网络测试。该测试卡驱动代码运行稳定高效，功能模块明晰，可以实时升级，以满足不同用户功能需求。