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???? 關鍵詞：并口，增強型并口，窗口驅動模式，數(shù)據(jù)采集
1 引 言
在目前一些流行的上位機和數(shù)據(jù)采集設備組合的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集設備和上位機的通訊是一個比較關鍵的技術。一般的應用系統(tǒng)設計中，數(shù)據(jù)通訊技術主要采用串行異步通訊方式，但其傳輸速率受到限制，通常最高波特率設定在9600bps左右〔1〕。而在一些數(shù)據(jù)采樣率比較高的場合，如每秒20k～2M字節(jié)的數(shù)據(jù)通訊速率，使用串口通訊技術是遠遠達不到要求的，這就需要使用更為快速的數(shù)據(jù)通訊方案。目前比較合適的通訊技術還有并口和USB通訊方案。本文主要探討并口的通訊在數(shù)據(jù)采集中的運用。
當前許多并口數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都基于Windows98系統(tǒng)平臺，由于該系統(tǒng)可以直接訪問并口硬件資源，在上位機軟件方面比較容易，因此很少被詳細而深入地探討。但隨著Windows2000／WinXP操作系統(tǒng)逐漸成為主流的桌面系統(tǒng)，而該操作系統(tǒng)為了保證其穩(wěn)定性，主機的上層應用程序將無法直接訪問并口，這就需要在Windows2000新的窗口驅動模式WDM下，基于Windows2000中現(xiàn)有的驅動體系，開發(fā)專有的并口數(shù)據(jù)采集設備驅動，以支持上位機采集軟件的開發(fā)和運行。
2 EPP并口通訊
并口通訊技術經(jīng)歷多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)形成了統(tǒng)一的1284標準。在這個標準中，目前定義了5種并口通訊模式〔2〕〔3〕，見表1。
其中，EPP和擴容并口（Extended ParallelPort，ECP）模式支持雙向數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速率都能夠達到1Mbyte／s以上，顯然是滿足一般的數(shù)據(jù)采集要求的，這兩種模式是一般并口外設和主機廣泛支持的并口工作模式。由于EPP模式的操作時序簡單，本文將其作為首選數(shù)據(jù)通訊模式。
??? 而基于EPP協(xié)議的硬件和通訊設計，本文主要依據(jù)并口通訊的特點，采用中斷上傳方式，即外設通過nIntr中斷來通知主機采集數(shù)據(jù)上傳準備就緒，主機捕獲中斷后立即從并口讀取數(shù)據(jù)。
由于并口的頻繁中斷使得系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此，在啟用并口中斷的時候，一定要盡量減少并口中斷的頻率，在這里就是要增加每次中斷處理的數(shù)據(jù)傳輸量。一般的方法是外設采用容量較大的先進先出隊列（First InFirst Out，F(xiàn)IFO），并在一次中斷中，將這些數(shù)據(jù)上傳主機。
基于EPP協(xié)議的硬件設計已經(jīng)在許多文章得到探討，這里不再贅述。
3 Windows2000下并口數(shù)據(jù)采集的軟件設計
在Windows2000／WinXP系統(tǒng)中，考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應用程序已經(jīng)無法直接訪問和操作并口。同時虛擬設備驅動（Virtual Device Driver，VxD）也將為Windows2000下的更為先進的窗口驅動模式體系所取代，因此要在Windows2000／WinXP系統(tǒng)下進行并口數(shù)據(jù)采集設備的軟件開發(fā)，就必須進行并口設備的WDM驅動的開發(fā)。
3．1 Windwos2000驅動體系
圖1顯示了在Windows2000／WinXP系統(tǒng)中應用程序調(diào)用執(zhí)行一個硬件的操作的基本過程，從中我們可以看到驅動的位置及其所起到的作用。
WDM是微軟公司在Windows NT驅動程序體系的基礎上，提出的一個新的設備驅動程序體系。WDM不僅支持即插即用、電源管理、WMI（WindowsManagement Instrumentation）等功能，它強調(diào)驅動程序的分層和模塊化，擁有更強的可擴展性和可移植性，使用更加靈活，運行更加安全，開發(fā)更加快捷，同時，可以很輕易地移植到不同的平臺上運行。
3．2 WDM驅動程序的種類和結構
??? WDM的驅動程序是分層的，一般按照層次分為高層、中間和底層三類〔4〕。顧名思義，高層驅動程序依賴于中間和底層驅動程序完成工作，而中間驅動程序又依賴于底層驅動程序來完成工作。
高層驅動程序主要為請求者提供非物理的抽象，并一次轉換為特定的設備請求。比如文件系統(tǒng)驅動程序（File SystemDriver，F(xiàn)SD）。
中間驅動程序是驅動中相對比較豐富的領域，包括了諸如磁盤鏡像、類驅動程序、微型驅動程序和過濾器驅動程序。這些驅動程序穿插在高層抽象層和低級物理支持之間。其功能多樣，實現(xiàn)方式靈活。
底層驅動程序主要包括諸如硬件總線的控制器等的驅動，這些驅動直接與Windows的硬件抽象層（Hardware Abstract Layer，HAL）和硬件交互，它們包括了物理驅動程序的概念，這些物理驅動程序與一個或多個功能驅動程序發(fā)生作用。
3．3 Windows2000中的并口系統(tǒng)驅動環(huán)境
Windows2000中已經(jīng)為并口提供了一些默認的系統(tǒng)驅動，其中一個是Parport，另一個是Parclass，它們的執(zhí)行映像文件分別對應Parport．sys和Parallel．sys。
Parport是Windows2000提供給并口的系統(tǒng)功能驅動程序，不可取代，它支持WDM的所有的基本特性，負責為每個并行端口創(chuàng)建一個命名的Parport設備對象，并且為每個Parport設備對象分配一個工作隊列。同時還與并口設備類驅動如Parclass或其他特定的并口設備功能驅動程序緊密配合，為它們提供如下的服務功能：
??? （1）并口使用的資源，如端口、中斷等等資源。
??? （2）總線接口信息。
?。?）給其他驅動提供一些回調(diào)過程的指針，通過這些回調(diào)過程可以控制一個并口設備。
Parclass是掛接在并口上的并口設備的類驅動，它依賴于Parport提供的服務，同時，它也是一個即插即用的并口設備的總線驅動。Parclass首先創(chuàng)建一個總線功能設備對象，它代表一個硬件獨立的Parclass總線控制器，同時為每個掛接在并口上的即插即用設備在Parclass總線上創(chuàng)建子對象，或者直接為并行端口創(chuàng)建一個遺留設備對象。
同樣，Parclass也給一些更高層的驅動程序提供一些回調(diào)過程和內(nèi)部IO控制指令，以控制和訪問Parclass總線下的子設備。Parclass目前支持對Parclass子設備的裸訪問，同時支持的并口模式有標準并口、IEEE1284兼容并口、ECP和EPP并口等。
以上兩個驅動是Windows2000／WinXP系統(tǒng)中為并口以及并口設備提供的系統(tǒng)驅動程序，它構成了其他并口以及并口設備驅動開發(fā)的基礎和環(huán)境。
3．4 并口采集驅動的設計
??? 并口數(shù)據(jù)采集驅動的結構設計主要如圖2所示。
本文并口數(shù)據(jù)采集驅動程序結構設計主要有以下要點：
（1）為了避免驅動程序設計過于復雜，減少驅動調(diào)用的層次，本驅動直接構建在并口驅動程序Parport之上，而沒有在Parclass上構建本文的驅動，直接利用Parport提供的基本的并口操作實現(xiàn)本文驅動的功能。
??? （2）驅動工作在EPP高速通訊模式。
?。?）驅動不采用輪詢模式去查詢并口，而是等待并口外設的中斷事件，通知主機外設數(shù)據(jù)上傳準備完畢，驅動中斷伺服例程或者延遲例程，完成并口設備采集數(shù)據(jù)的讀取。
?。?）本系統(tǒng)沒有數(shù)據(jù)的雙向通訊，對上層應用程序和驅動程序而言，只有驅動程序到應用程序的數(shù)據(jù)流，因此它們之間的通訊模式采用了事件模式，即驅動在采集數(shù)據(jù)到達或者數(shù)據(jù)緩沖區(qū)已滿時，通過事件通知上層應用程序，再由上層應用程序來從驅動的系統(tǒng)緩沖區(qū)中讀取采集上來的數(shù)據(jù)。
3．5 并口驅動的實現(xiàn)
并口驅動的實現(xiàn)主要是按照WDM驅動的規(guī)范和接口來實現(xiàn)，這些接口有層次的分為如下幾個部分：驅動程序的初始化（DriverEntry入口函數(shù)）和卸載例程（DriverUnload）、驅動設備的添加例程（AddDevice）和主要IO請求的派發(fā)例程、即插即用（Plug and Play，Pnp）處理例程（其中包括驅動設備的啟動、停止和卸載等等子例程）、控制IO子請求的處理例程、電源管理處理例程、WMI和NT事件通知處理例程。驅動的設計的和實現(xiàn)在許多書籍和文章上都有詳細的介紹〔4〕〔5〕，其一般通用的設計和實現(xiàn)這里不再贅述。這里主要闡述一些與并口操作有著緊密聯(lián)系的關鍵實現(xiàn)。
3．5．1 并口的獲取和訪問
在Windows2000操作系統(tǒng)中，并口驅動Parport自動為每個并口生成一個設備對象，一般最常用的一個并口設備對象的內(nèi)部設備名為“＼Device＼ParllelPort0”，本驅動就是通過這個內(nèi)部設備名來獲得并口對象的。同時，應該注意在設備的卸載時刪除相應的并口設備指針。得到這個設備對象后，就可以通過內(nèi)部控制IO請求和回調(diào)函數(shù)來控制并口操作。具體代碼如下
在獲得并口對象之后就通過底層的Parport驅動發(fā)送內(nèi)部控制IO IOCTL INTERNAL PARALLEL? PORT? ALLOCATE,或者也可以調(diào)用PARALLEL? PORT? INFORMATION的PPARALLEL? TRY? ALLOCATE? ROUTNE例程來占用并口，這樣驅動程序就可以獲得并獨占并口的資源，與并口數(shù)據(jù)采集設備通訊了。
3．5．2 并口模式的設置
首先這里強調(diào)的是，主機的并口必須支持EPP模式的通訊方式，具體地說，就是主機的基本輸入輸出系統(tǒng)（Basic Input Output System，BIOS）中要將并口模式設置為EPP模式或者EPP＋ECP混合模式。在此基礎之上，驅動程序才能正確設置并口工作模式。一般在EPP模式下時，驅動不用設置并口工作模式，但如果在EPP＋ECP工作模式下，則需要驅動程序檢測并設置并口工作模式，這時就需要通過向Parport驅動程序發(fā)送IOCTL INTERNAL PARALLEL SET? CHIP? MODE內(nèi)部控制IO，或調(diào)用TrySetChipMode回調(diào)例程設置并口為EPP工作模式。同時，應注意如果BIOS中設為EPP＋ECP混合模式，在卸載本驅動設備后要將并口模式恢復為原有的模式。
3．5．3 并口中斷的掛接
掛接并口中斷，不推薦直接調(diào)用IoConnectInterrupt例程，而只需要向Parport驅動程
序發(fā)送內(nèi)部控制IO（IOCTL INTERNAL PARALLEL? CONNECT? INTERRUPT）來掛接所指定中斷例程。
3．5．4 并口驅動與應用程序的通訊
主要的方法就是由上層應用程序創(chuàng)建一個事件，然后通過IO MJ DEVICE CONTROL的設備控制IO將此事件句柄作為一個參數(shù)傳給驅動程序，之后應用程序本身就進入等待這個通知事件觸發(fā)的狀態(tài)之中。驅動程序獲得這個通知事件句柄，將其保存在自己的設備擴展之中，當并口有數(shù)據(jù)到達需要向上層應用程序發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，就觸發(fā)這個事件，則上層應用程序將會得到通知，繼而從驅動中讀取數(shù)據(jù)。
4 結束語
本文驅動是在Windows2000設備驅動程序開發(fā)包（Device Drivers Kit，DDK）和VC6下開發(fā)完成的，由Numage公司的SoftIce調(diào)試工具調(diào)試通過。
本驅動程序采用了增強型并口模式作為并口設備驅動的工作模式，此模式下并口開發(fā)相對比較容易，而且極大地擴展了并口通訊容量和速度。同時，本驅動構建在Windows2000為并口提供的系統(tǒng)功能驅動Parport之上，通過Parport提供的各項功能來訪問和控制并口，既減少了本驅動的開發(fā)的難度，又增強了系統(tǒng)的整合性和穩(wěn)定性。目前，實測數(shù)據(jù)采集速率峰值達到1Mbyte／s以上，穩(wěn)定運行時也可達到400K～500Kbyte／s的速度，同時，上層的應用程序耗用的資源相當少，運行平穩(wěn)，效果良好，為Windows2000／WinXP系統(tǒng)下開發(fā)并口數(shù)據(jù)采集設備的軟件系統(tǒng)提供了一些有意義的嘗試和經(jīng)驗。
參考文獻
2 IEEEStd 1284－1994．IEEEStandard Signaling Method fora Bidirectional Parallel Peripheral Interface for Personal Computers．1994
3 宋大雷，張東來，等．IEEE1284標準簡介．電子計算機與外部設備，2000，24（1）：21～24
4?。溃〢rt Baker，Jerry Lozano著．Windows2000設備驅動程序設計指南．施 諾，等譯．北京：機械工業(yè)出版社，2001，9：8～10
5 姜 江，柳 泉，等．基于Windows2000的WDM設備驅動程序的開發(fā)．應用科技，2002，29（7）：45～47
工商網(wǎng)監(jiān)
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