CN101526929B - 一种集成设备驱动的系统及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成设备驱动的系统及其应用方法，该系统的处理单元包括中断处理模块、中断延迟调用模块和应用模块；该系统的集成驱动单元包括PCI控制器、通讯端口控制器、至少一IO信号的总线控制器；PCI控制器分别与通讯端口控制器、各路输入输出信号的总线控制器相连接，采用Slave模式与中断处理模块相连接；其还设置中断寄存器，用于存储中断标志；中断处理模块用于接收并管理各中断标志和通讯数据，中断延迟调用模块用于管理各中断标志所对应的事件，应用模块用于处理通讯数据和事件。本发明软件驱动模型简单，中断处理安全且效率更高，从而增加了系统运行的可靠性；并且降低了硬件成本，简化了硬件设计。

Description

一种集成设备驱动的系统及其应用方法

技术领域

本发明涉及外部设备互连设备的驱动，尤其涉及的是，在多路IO口的监控和数据通讯中，一种集成设备驱动的系统及其应用方法。

背景技术

目前基于PCI(Peripheral Component Interconnect，外设互连，也称外部设备互连)总线的设备应用很多，其主要功能在于进行多路IO口的监控和数据通讯。具体而言，它们一方面会监控连接的各个子模块的信号，当有状态改变或者异常的时候触发中断；另一方面，它们会挂载并口或者串口等简单IO通讯端口，能够进行数据通讯。

在2007年02期的《国外电子元器件》(ISSN：1006-6997/CN：61-1281/TN)中，名为《通用信号处理板卡的CPCI(Compact PCI，紧凑型外部设备互连)总线接口设计和驱动开发》的论文，阐述了目前业界实现外围PCI设备的一般方法；其主要采用以下方式：1、设备在PCI总线上同时采用Master(主)和Slave(从)两种工作模式，Master模式主要用于集成设备的大数据dma(Direct MemoryAccess，直接内存存取)方式上传，Slave模式主要用来控制设备IO(Input/Output)地址空间的数据读写；2、中断处理仅通过ISR(Interrupt Service Routine，中断服务例程或中断处理例程)+DPC(Delay Process Call，延迟过程调用)完成。

一般地，在超声主机上都会连接一些设备，除了处理图像扫描等核心功能设备外，还有一些外围设备，它们的功能主要是简单的数据通讯和信号监控。相对于核心设备而言，外围设备处理的数据量不多，但往往是比较关键的数据，比如主板温度、电压、电流和探头状态检测等。当前一些主流系统往往把这些外围功能分开到多个设备中实现，对于设备的数据上传一般采用dma方式。这样会增加硬件成本和设计难度，驱动软件也会复杂一些。另外它们的驱动编写直接使用标准驱动范式，没有彻底解决中断处理安全问题，但是，超声主机对设备的数据处理效率和可靠性要求很高，因此，现有的设备驱动方法，存在以下问题：

1.数据上传都使用dma，要求设备必须实现Master模式，处理Master时序。除了在设备的FPGA(现场可编程门阵列)设计上要增加很多逻辑实现之外，往往还需要在FPGA内部增加一个FIFO(先进先出存储器)或者连接外部RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)作为缓冲，从而增加了硬件的成本和设计开销。另外在软件层面上，驱动处理dma操作也是较复杂的一个环节。因此在上传数据量较大的情况下，这套机制虽然很适用，但如果设备上挂载的是并口或串口等数据传输较少的IO端口，实现Master模式和dma上传就不是一个理想解决方案。

2.WDM(Wavelength Division Multiplexing，波分复用)驱动框架中，ISR在提升的IRQL(Interrupt ReQuest Level，中断请求级别)上执行，所以它冻结了其CPU上所有低于或等于该IRQL的其它活动。为了提高系统性能，ISR应该尽可能快地执行。基本上，只做服务硬件所需的最小量的工作，然后立即返回。如果有额外的工作需要做，应该交给DPC来完成。DPC是一个应用在中断处理中的通用机制。内核调用这个DPC例程(Routine，也称子程序)的IRQL要比ISR低一些，因此DPC中的代码要比ISR中的代码有更少的限制。如果中断仅采用ISR+DPC调用这种处理方式，当ISR将中断1的后续处理提交DPC后就退出当前处理过程，在某些情况下，如果DPC还未得到内核执行，中断2触发了ISR执行，ISR也会提交DPC，那么DPC在得到内核执行的时候，只会处理中断2的数据，中断1就丢失了，从而导致信号丢失，造成丧失关键的外围设备数据的风险。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是在超声诊断仪系统中，如何集成设备驱动系统，将多个外围设备的功能合并到一个集成设备上，同时怎样改进软件驱动方法来安全处理中断，以提高系统可靠性。

本发明的技术方案如下：

一种集成设备驱动的系统，其包括处理单元，所述处理单元包括中断处理模块、中断延迟调用模块和应用模块，所述中断延迟调用模块分别与所述中断处理模块、所述应用模块相连接；其中，所述系统还包括一集成驱动单元；所述集成驱动单元包括外设互连控制器、通讯端口控制器、以及至少一路输入输出信号的总线控制器；所述外设互连控制器分别与通讯端口控制器、各路输入输出信号的总线控制器相连接，并采用从模式与所述中断处理模块相连接；所述外设互连控制器还设置中断寄存器，用于存储中断标志；并且，所述中断处理模块还用于接收并管理各中断标志和通讯数据，所述中断延迟调用模块还用于管理各中断标志所对应的事件，所述应用模块用于处理所述通讯数据和所述事件。

所述的系统，其中，所述处理单元还包括事件缓存模块，其分别与所述中断延迟调用模块、所述应用模块相连接，用于存储各中断标志所对应的事件，接受所述中断延迟调用模块的管理，并通过所述应用模块进行处理。

所述的系统，其中，所述处理单元还包括定时器模块，其分别与所述中断延迟调用模块、所述事件缓存模块、所述应用模块相连接，由所述中断延迟调用模块进行管理，用于将一个预设置周期内的通讯数据合并设置为一个事件，存储在所述事件缓存模块，调用所述应用模块进行处理。

所述的系统，其中，所述处理单元还包括通讯数据模块，其分别与所述中断处理模块、所述应用模块相连接，用于接收并管理来自所述中断处理模块所传输的通讯数据，并通过所述应用模块进行处理。

所述的系统，其中，所述中断处理模块包括中断标志队列子模块，其与所述中断延迟调用模块相连接，用于接收并管理各中断标志，并由所述中断延迟调用模块进行处理。

所述的系统，其中，所述通讯端口控制器的通讯端口至少包括一串口和一并口。

所述的系统，其中，所述处理单元还包括控制模块，其与所述中断处理模块相连接，用于根据中断类型设置中断标志。

所述的系统，其中，所述处理单元采用计算机实现。

所述的系统的应用方法，其包括以下步骤：A1、触发外设互连设备中断时，中断处理例程读取外设互连设备的中断寄存器，设置中断标志；A2、启动中断延迟调用例程，根据所述中断标志，将相应的事件写入事件队列；A3、应用例程读取事件队列中的各种事件进行处理。

所述的方法，其中，步骤A1在设置所述中断标志后，还执行步骤：A11、所述中断处理例程将所述中断标记写入中断标志队列。

所述的方法，其中，步骤A2之后还执行以下步骤：清除已执行完毕的中断标志。

所述的方法，其中，步骤A3之前还执行以下步骤：启动定时器例程，由其触发事件队列中的各种事件，并通知所述应用例程。

所述的方法，其中，步骤A1之前还执行以下步骤：A0、根据各中断类型，预设置中断标志。

所述的方法，其中，步骤A1中，所述中断处理例程还读取通讯数据；并且，步骤A2中，所述中断延迟调用例程根据所述中断标志与所述通讯数据，将相应的事件写入事件队列。

所述的方法，其中，步骤A1之后还执行步骤：A12、所述中断处理例程将所述通讯数据，写入到通讯数据队列。

所述的方法，其中，步骤A3还包括以下步骤：判断所述事件是否包括通讯数据的接收事件，是则读取通讯数据队列中的相关数据，进行后续处理。

采用上述方案，本发明通过将监控和数据通讯集成到一个集成设备中，使用简单的Slave工作模式，软件驱动模型简单，解决了中断丢失的问题，中断处理安全且效率更高，从而增加了系统运行的可靠性；并且降低了硬件成本，简化了硬件设计。

附图说明

图1为本发明的集成设备驱动系统的示意图；

图2为本发明的应用方法的驱动例程执行示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

本发明的主旨是提供一套集成设备驱动系统及其应用方法，首先让PCI设备只工作在Slave模式，就能进行串口或者并口的数据通讯，无需使用设备的Master模式和DMA通讯，减少硬件成本和软硬件的开发成本。其次，通过引入一块内核缓冲，解决ISR到DPC的中断丢失问题。

如图1所示，本发明提供了一种集成设备驱动的系统，其包括处理单元和集成驱动单元。例如，所述系统还包括一计算机，所述处理单元设置在所述计算机中；即所述处理单元可以采用计算机实现。

所述集成驱动单元包括外部设备互连(PCI)控制器、通讯端口控制器、以及至少一路输入输出信号的总线控制器；所述PCI控制器分别与通讯端口控制器、各路输入输出信号的总线控制器相连接，并采用从(Slave)模式与所述中断处理模块相连接；例如通过PCI总线与所述中断处理模块相连接。所述PCI控制器还设置中断寄存器，用于存储中断标志。一般地，所述通讯端口控制器的通讯端口至少包括一串口和一并口。

如图1所示，本发明的系统中，整个集成驱动单元可以通过FPGA逻辑实现，采用FPGA实现一个PCI控制器、通讯端口控制器(串口和并口)和多路IO信号的总线控制器(I2C总线，Inter Integrated-circuit Bus)。这里I2C控制器只是一个特例说明，实际设备设计实现中，可以采用其他类型总线来和监控IO模块进行交互。

从图1可以看出，集成驱动单元最主要的部分包括：Slave模式的PCI通讯模块、通讯端口模块和监控IO模块。因此，本发明的系统另外一个比较重要的特性是：在集成模块内部没有大的FIFO和连接外部内存来实现数据缓冲，仅在内部实现了寄存器的地址空间。

所述处理单元包括中断处理(ISR)模块、中断延迟调用(DPC)模块和应用模块，所述中断延迟调用模块分别与所述中断处理模块、所述应用模块相连接。

所述中断处理模块除执行现有技术所涉及的ISR相关功能之外，还用于接收并管理各中断标志和通讯数据；所述中断延迟调用模块除执行现有技术所涉及的DPC相关功能之外，还用于管理各中断标志所对应的事件，所述应用模块用于处理所述通讯数据和所述事件，例如处理中断触发事件和端口的通讯数据。

一个例子是，所述处理单元还包括事件缓存模块，其分别与所述中断延迟调用模块、所述应用模块相连接，用于存储各中断标志所对应的事件，接受所述中断延迟调用模块的管理，并通过所述应用模块进行处理；从而可将相应的事件写入事件队列，便于对事件进行设置和读取。

又一个例子是，所述处理单元还包括定时器模块，其分别与所述中断延迟调用模块、所述事件缓存模块、所述应用模块相连接，由所述中断延迟调用模块进行管理，用于将一个预设置周期内的通讯数据合并设置为一个事件，存储在所述事件缓存模块，调用所述应用模块进行处理；这样就可以将一个有效周期内的通讯数据合并为一个事件上报给应用处理，提高处理效率。

又一个例子是，所述处理单元还包括通讯数据模块，其分别与所述中断处理模块、所述应用模块相连接，用于接收并管理来自所述中断处理模块所传输的通讯数据，并通过所述应用模块进行处理，这样更有利于设置和管理通讯数据，例如执行插入、更改、删除等操作。

又一个例子是，所述中断处理模块包括中断标志队列子模块，其与所述中断延迟调用模块相连接，用于接收并管理各中断标志，并由所述中断延迟调用模块进行处理。通过中断标志队列，不同中断类型可以被有效缓冲起来，避免了丢中断的情况，而且可以一次性处理多个中断，提高处理效率。

更好的一个例子是，所述处理单元还包括控制模块，其与所述中断处理模块相连接，用于根据中断类型设置中断标志，从而使本发明的应用更为灵活，可以根据实际情况来设置不同的中断标志。

并且，如图2所示，本发明还提供了一种集成设备驱动系统的应用方法，其应用于上述系统中，具体包括以下各步骤。

A1、触发PCI中断时，中断处理例程(ISR例程)读取PCI设备的中断寄存器，设置中断标志；例如，在设置所述中断标志后，还可以执行步骤A11、所述中断处理例程将所述中断标记写入中断标志队列。

在步骤A1之前还可以执行以下步骤A0：根据各中断类型，预设置中断标志；例如通过采用一控制模块来实现，从而使本发明的应用更为灵活，可以根据实际情况来设置不同的中断标志。

A2、启动中断延迟调用例程，根据所述中断标志，将相应的事件写入事件队列；一般地，步骤A2之后还执行以下步骤：清除已执行完毕的中断标志；当然，各中断标志也可以采用FIFO(先进先出)机制和其他各种方法实现，本发明对此不作任何额外限制。

A3、应用例程读取事件队列中的各种事件进行处理。更好的是，步骤A3之前还执行以下步骤：启动定时器例程，由其触发事件队列中的各种事件，并通知所述应用例程。

一个例子是，步骤A1中，所述中断处理例程还读取通讯数据；并且，步骤A2中，所述中断延迟调用例程根据所述中断标志与所述通讯数据，将相应的事件写入事件队列。具体地说，所述中断处理例程可以读取通讯数据，例如，设备中的控制器收到数据后，PCI控制器触发PCI中断，此时所述中断处理例程将中断写入中断标志位，具体情况在下面继续作出说明；也可以不读取通讯数据，例如设备在I2C总线检测到IO状态改变，可以通过PCI控制器触发PCI中断。

在上一例子的基础上，步骤A1之后还可以执行步骤A12、所述中断处理例程将所述通讯数据，写入到通讯数据队列，以便于更好地设置和管理通讯数据。

在上两个例子的基础上，步骤A3还还可包括以下步骤：判断所述事件是否包括通讯数据的接收事件，是则读取通讯数据队列中的相关数据，进行后续处理，这样就可以处理更多的其他情况。

以下结合图2，继续采用实例，详细说明驱动各个例程执行的过程。

首先对图2中的各例程说明如下。

1.应用例程：在应用态运行的功能函数，从应用角度来处理集成设备的中断触发的事件和端口的通讯数据。

2.ISR例程：内核态中的中断处理例程。

3.DPC例程：内核态中的中断延迟调用例程。

4.定时器例程：内核态中的定时器回调例程。因为设备仅工作在Slave方式，通讯端口的每个字节数据都是通过PCI中断来获取的，数据会存入通讯数据队列。定时器例程由DPC例程启动，负责设置通讯数据事件，可以将一个有效周期内的通讯数据合并为一个事件上报给应用处理。

下面对内核缓冲进行说明。

1.中断标志位：每个中断都会在ISR中写入中断标志位，具体位数可以根据设备中断类型数目而定。比如设备的中断类型只有17个，可以将这个标志位设计成为32bit的双字，每个bit标识一个中断类型。PCI中断触发后，ISR例程会读取PCI设备的中断寄存器设置这个标志位。在DPC例程中再将所有中断标记缓冲到中断标志队列中，并清理响应的中断标志位。通过中断标志位，不同中断类型可以被有效缓冲起来，避免了丢中断的情况，而且在DPC例程中可以一次性处理多个中断。

2.事件队列：中断标志位是记录的只是PCI总线中断的信息，驱动以对它进行集中处理，放入事件队列中。事件队列可以看作应用所关心的设备“中断”缓冲。在集成设备驱动模型中，和应用态交互的内核事件只有一种，应用接收事件通知后，根据事件队列中不同事件类型来进行相应处理。

3.通讯数据队列：负责缓冲通讯端口的数据。

然后，结合各个例程和缓冲来说明一下设备和驱动的工作过程。

1.监控IO中断处理过程：设备在I2C总线检测到IO状态改变，通过PCI控制器触发PCI中断。驱动中的ISR例程将中断写入中断标志位，启动DPC例程。DPC例程得到执行后，清理中断标志位里面缓冲的所有中断，包括监控IO中断和数据通讯中断，将监控IO的中断类型转换为应用需要处理的事件写入事件队列，最后触发事件给应用例程。应用例程收到事件后，依次读取事件队列中的各种事件进行集中处理。

2.通讯端口数据处理过程：设备中的并口或串口控制器收到一个字节的数据后，PCI控制器会触发PCI中断。驱动中的ISR例程将中断写入中断标志位，然后读取设备中的通讯数据字节到通讯数据队列中，启动DPC例程。当DPC例程得到执行后，清理中断标志位里面缓冲的所有中断，包括监控IO中断和数据通讯中断；可以通过启动定时器例程来具体实现。定时器例程得到执行后，将通讯端口数据接收的事件写入事件队列，最后触发事件给应用例程。应用例程收到事件后，依次读取事件队列中的各种事件进行集中处理。如果事件包括通讯数据的接收事件，它还会从通讯数据队列中将数据全部拿出进行后续处理。

本发明仅用Slave模式实现的PCI集成设备系统和驱动模型，并且使用了内核缓冲解决中断丢失问题和批量处理中断的方法；这样，就可以只用了一个集成设备来处理串口、并口通讯和电压、电流、温控和机械开关闭合的监控，在实验中取得了很好的效果。通过采用上述本发明的系统及其应用方法，就可以用软件驱动的方法来实现通讯端口数据上传，设备无须工作在master模式和进行缓冲处理，减少了硬件的成本和软硬件开发成本。并且，由于在驱动中使用了内核缓冲，结合ISR和DPC例程的协作处理，解决了丢失中断的问题，并能够对多个中断进行集中处理，效率得到提高。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。例如，上述列举的PCI总线和I2C总线可能在某些应用下发生变更，但通过修改硬件设备逻辑和软件中的总线驱动，基本系统和方案没有变化的情况下，也能使用到这些新的应用场景中。因此，除了超声诊断设备之外，本发明还可以用于其他PC模块总线支持的设备中。

Claims (15)

1.一种集成设备驱动的系统，其包括处理单元，所述处理单元包括中断处理模块、中断延迟调用模块和应用模块，所述中断延迟调用模块分别与所述中断处理模块、所述应用模块相连接；其特征在于，所述系统还包括一集成驱动单元；

所述集成驱动单元包括外设互连控制器、通讯端口控制器、以及至少一路输入输出信号的总线控制器；

所述外设互连控制器分别与通讯端口控制器、各路输入输出信号的总线控制器相连接，并采用从模式与所述中断处理模块相连接；所述外设互连控制器还设置中断寄存器，用于存储中断标志；

并且，所述中断处理模块还用于接收并管理各中断标志和通讯数据，所述中断延迟调用模块还用于管理各中断标志所对应的事件，所述应用模块用于处理所述通讯数据和所述事件。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理单元还包括事件缓存模块，其分别与所述中断延迟调用模块、所述应用模块相连接，用于存储各中断标志所对应的事件，接受所述中断延迟调用模块的管理，并通过所述应用模块进行处理。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述处理单元还包括定时器模块，其分别与所述中断延迟调用模块、所述事件缓存模块、所述应用模块相连接，由所述中断延迟调用模块进行管理，用于将一个预设置周期内的通讯数据合并设置为一个事件，存储在所述事件缓存模块，调用所述应用模块进行处理。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理单元还包括通讯数据模块，其分别与所述中断处理模块、所述应用模块相连接，用于接收并管理来自所述中断处理模块所传输的通讯数据，并通过所述应用模块进行处理。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述中断处理模块包括中断标志队列子模块，其与所述中断延迟调用模块相连接，用于接收并管理各中断标志，并由所述中断延迟调用模块进行处理。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述通讯端口控制器的通讯端口至少包括一串口和一并口。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理单元还包括控制模块，其与所述中断处理模块相连接，用于根据中断类型设置中断标志。

8.根据权利要求1至7任一所述的系统，其特征在于，所述处理单元采用计算机实现。

9.根据权利要求1所述的系统的应用方法，其包括以下步骤：

A1、触发外设互连设备中断时，中断处理例程读取外设互连设备的中断寄存器，设置中断标志；

A2、启动中断延迟调用例程，根据所述中断标志，将相应的事件写入事件队列；

A3、应用例程读取事件队列中的各种事件进行处理；

步骤A1中，所述中断处理例程还读取通讯数据；

并且，步骤A2中，所述中断延迟调用例程根据所述中断标志与所述通讯数据，将相应的事件写入事件队列。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤A1在设置所述中断标志后，还执行步骤：A11、所述中断处理例程将所述中断标志写入中断标志队列。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤A2之后还执行以下步骤：清除已执行完毕的中断标志。

12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤A3之前还执行以下步骤：启动定时器例程，由其触发事件队列中的各种事件，并通知所述应用例程。

13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤A1之前还执行以下步骤：A0、根据各中断类型，预设置中断标志。

14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤A1之后还执行步骤：A12、所述中断处理例程将所述通讯数据，写入到通讯数据队列。

15.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤A3还包括以下步骤：判断所述事件是否包括通讯数据的接收事件，是则读取通讯数据队列中的相关数据，进行后续处理。

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