在Windows2000下用多線(xiàn)程實(shí)現1394串行總線(xiàn)通信

作者Email: zhaoyn2001@163.net

摘 要：基于Windows2000環(huán)境開(kāi)發(fā)了1394主控機與1394設備機間進(jìn)行串行總線(xiàn)通信的軟硬件系統，其中采用了多線(xiàn)程技術(shù)，并利用臨界區實(shí)現線(xiàn)程間共享資源的同步，從而有效地解決了串行通信中的實(shí)時(shí)響應問(wèn)題，降低了數據的丟失率，提高了系統的可靠性。

關(guān)鍵詞：多線(xiàn)程；1394總線(xiàn)；線(xiàn)程同步

1 引言

為了便于LS-1394物理層、鏈路層芯片設計課題的研究，我們采用FPGA和ISA總線(xiàn)開(kāi)發(fā)了基于TI公司的TSB41AB3和TSB12LV01的ISA-1394的1394總線(xiàn)接口卡，并在Windows2000環(huán)境下開(kāi)發(fā)了一套利用多線(xiàn)程技術(shù)實(shí)現1394主控機與1394設備機之間進(jìn)行串行通信的軟件系統。

2 硬件部分

硬件部分主要包括：1394主控機、1394設備機、PCI-1394卡、ISA-1394卡。其中，PCI-1394卡是TI公司的1394總線(xiàn)接口芯片控制卡，該卡插在1394主控機的PCI插槽中；ISA-1394卡是利用一塊型號為EPM7256AETC144-5的FPGA、一塊TI公司的TSB12LV01鏈路層芯片和一塊TSB41AB3物理層芯片自行設計的1394總線(xiàn)接口芯片控制卡，該卡插在1394設備機的ISA插槽中。1394主控機和1394設備機之間通過(guò)1394接口進(jìn)行串行通信，傳輸介質(zhì)為1394線(xiàn)纜。硬件結構圖如圖1所示。

3 軟件部分

軟件設計主要包括1394主控機端和1394設備機端兩大部分，由于1394主控機端有現成的demo應用程序，所以軟件設計主要針對1394設備機端。1394設備機端的編程環(huán)境是WinDriver 5.0 和VC++6.0。

3.1軟件設計思想

1394串行總線(xiàn)有兩種通信方式：等時(shí)通信和異步通信。異步通信采用的是請求/應答模式，數據傳輸可靠性較高，因此這里主要討論異步通信。1394串行總線(xiàn)異步通信的原理為：發(fā)送數據包時(shí)，等待發(fā)送器空閑，將數據包寫(xiě)到1394鏈路層芯片的發(fā)送FIFO中發(fā)送出去；接收數據包時(shí)，一旦有數據包到達，接收器會(huì )將數據包放到1394鏈路層芯片的接收FIFO，接收到數據包后必須立即發(fā)送一個(gè)應答包，否則，對方會(huì )重發(fā)此數據包，直到重發(fā)次數到。需注意的是，用戶(hù)必須自行訪(fǎng)問(wèn)接收FIFO查看是否有數據包并及時(shí)地取出數據包，否則就會(huì )使接收FIFO溢出，丟失數據，造成通信出錯。

在串行通信程序設計中，通常采用定時(shí)查詢(xún)或中斷來(lái)解決上述問(wèn)題，其中采用中斷的方法比定時(shí)查詢(xún)法擁有更高的工作效率和可靠性，因此本系統采用中斷法來(lái)完成1394串行總線(xiàn)的數據通信。

為了實(shí)現數據處理和數據接收及發(fā)送的分離，本系統引入了多線(xiàn)程技術(shù)。在應用程序的主線(xiàn)程之外再創(chuàng )建一個(gè)用戶(hù)線(xiàn)程，即中斷處理線(xiàn)程，在中斷處理線(xiàn)程中實(shí)現數據包的接收和發(fā)送。如果接收中斷到來(lái)，中斷處理線(xiàn)程就負責取出接收FIFO中的數據，放到用戶(hù)定義的接收緩沖區rBuf中；如果發(fā)送中斷到來(lái)，中斷處理線(xiàn)程就負責從用戶(hù)定義的發(fā)送緩沖區sBuf中取出數據放到發(fā)送FIFO中發(fā)送出去。主線(xiàn)程負責調用解釋處理程序對rBuf中的數據包進(jìn)行解釋處理，或者調用其它程序給sBuf中寫(xiě)請求數據包。

由于多個(gè)線(xiàn)程可以訪(fǎng)問(wèn)同一進(jìn)程中的公共數據，所以使用多線(xiàn)程的過(guò)程中需要注意的問(wèn)題是如何防止兩個(gè)或兩個(gè)以上的線(xiàn)程同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)同一個(gè)數據，以免破壞數據的完整性。在本系統中，當中斷處理線(xiàn)程從發(fā)送緩沖區sBuf取數據包，此時(shí)若有一個(gè)線(xiàn)程正給發(fā)送緩沖區sBuf寫(xiě)數據包，這樣就存在訪(fǎng)問(wèn)發(fā)送緩沖區sBuf資源的沖突，即所謂的線(xiàn)程不同步問(wèn)題。針對該問(wèn)題，系統中采用臨界區來(lái)加以解決。它可保證在某一個(gè)時(shí)間只有一個(gè)線(xiàn)程可以訪(fǎng)問(wèn)sBuf，通過(guò)在不同的線(xiàn)程中設置一個(gè)共享的臨界區對像，無(wú)論哪個(gè)線(xiàn)程占有臨界區對像，都可以訪(fǎng)問(wèn)受保護的sBuf，這時(shí)候其它的線(xiàn)程需要等待，直到該線(xiàn)程釋放臨界區對像為止。臨界區被釋放后，另外的線(xiàn)程可以強占這個(gè)臨界區，以便訪(fǎng)問(wèn)sBuf。

3.2軟件結構

基于多線(xiàn)程技術(shù)的1394串行總線(xiàn)通信系統軟件結構如圖2所示。

各模塊的功能如下：

1）主線(xiàn)程：響應用戶(hù)的輸入，提供前端的人機交互界面；完成線(xiàn)程的創(chuàng )建、終止及線(xiàn)程間的同步；接收線(xiàn)程發(fā)來(lái)的消息，并調用相應的線(xiàn)程處理程序；

2）中斷處理線(xiàn)程：當接收中斷到來(lái)時(shí)，接收GRF中的數據包放到接收緩沖區rBuf，并向主線(xiàn)程發(fā)送接收到數據包的消息，當發(fā)送中斷到來(lái)時(shí)，從發(fā)送緩沖區sBuf中取出數據包寫(xiě)到ATF中；

3）解釋處理程序：從接收緩沖區rBuf中取出數據包進(jìn)行解釋處理后放到dataBuf，并構造響應包放到發(fā)送緩沖區sBuf中；

4）初始化程序：初始化串口資源及程序設置；

5）其他程序：從數據緩沖區dataBuf中取數據進(jìn)行進(jìn)一步處理，或者給發(fā)送緩沖區sBuf中寫(xiě)請求數據包。

該軟件采用多線(xiàn)程技術(shù)，使前端人機交互部分、中間處理部分和后臺的串口通信部分并行處理，讓耗時(shí)的I/O通信在后臺運行，在大數據量通信的情況下對改善程序的響應速度是相當有效的。

3.3程序內容

1394設備機端的程序主要由ISA接口卡的驅動(dòng)程序、初始化程序、中斷處理程序及解釋處理程序四大主要部分組成。

3.3.1驅動(dòng)程序

由于WinDriver具有強大的設備驅動(dòng)開(kāi)發(fā)能力，支持用戶(hù)模式下直接對硬件進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，并且WinDriver提供的驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)向導DriverWizard可以自動(dòng)生成驅動(dòng)程序框架，大大降低了設備驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)難度，減少了開(kāi)發(fā)時(shí)間，所以ISA接口卡的驅動(dòng)程序在WinDriver下開(kāi)發(fā)。驅動(dòng)程序主要完成對ISA接口卡的I/O地址讀寫(xiě)及對硬件中斷的處理。該ISA卡的I/O端口地址為：0x300~0x510；中斷號為9。

3.3.2初始化程序

在開(kāi)始通信前，首先要對串口資源、鏈路層寄存器及程序設置進(jìn)行初始化，其中包括鏈路層寄存器初始化、打開(kāi)驅動(dòng)設備、打開(kāi)硬件中斷、定義臨界區對像及收發(fā)緩沖區等工作。

CCriticalSection m_cs; file://定義臨界區對像
bool ISA_Init() file://打開(kāi)驅動(dòng)設備
bool ISA_IntAEnable() file://打開(kāi)硬件使能
List rBuf,sBuf file://定義收發(fā)緩沖區
void BusInit() file://鏈路層寄存器初始化

鏈路層寄存器初始化是1394串行總線(xiàn)能正常工作的基礎，下圖是鏈路層寄存器初始化的流圖。復位中斷寄存器IntFlagReg，使其為零；寫(xiě)中斷屏蔽寄存器IntMaskReg，打開(kāi)中斷允許使能位、發(fā)送中斷位及接收中斷位；寫(xiě)FIFO控制寄存器FifoCtrlReg，清除接收和發(fā)送FIFO，并設置接收和發(fā)送FIFO的大??；寫(xiě)物理層芯片訪(fǎng)問(wèn)寄存器PhyAccessReg，初始化總線(xiàn)復位；寫(xiě)控制寄存器ControlReg，打開(kāi)發(fā)送，接收使能位等。

3.3.3中斷處理程序

InterruptHandle()是一個(gè)全局的中斷處理函數，它一直在等待硬件中斷，一旦有中斷到來(lái)就立即響應。具體形式如下：

UINT InterruptHandle (LPVOID wParam)
{ while(1)
{ ISA_WriteByte(0x502,0x01); file://開(kāi)中斷
WD_IntWait(hWD,Intrp); file://等待中斷
…… file://判斷中斷類(lèi)型，復位中斷寄存器
if(RxDta) file://接收中斷
{ Data = QuadletReadLLC(GRFStatusReg); file://讀GRF狀態(tài)寄存器
WriteCount = (BYTE)Data 0xff; file://獲得接收數據包的大小
pt = (PLISTBLOCK)malloc(sizeof(LISTBLOCK)); file://申請節點(diǎn)pt存放數據包
pd = (DWORD*)malloc(WriteCount*sizeof(DWORD));
pt->pdata = pd;
pt->next = NULL;
for(i=0;i=WriteCount;i++，pd++) file://讀GRF的數據
*pd = QuadletReadLLC(GRFReg);
ps = rBuf; file://給鏈表rBuf尾插入數據節點(diǎn)pt
while(ps->next!=NULL) ps=ps->next;
ps->next = pt;
SendMessage(hWnd,WM_MY_MESSAGE,0,0); file://發(fā)送接收到數據包的消息
}
if(TxRdy) file://發(fā)送中斷
{ m_cs.Lock(); file://鎖定臨界資源
p = sBuf;
if(p->next!=NULL) file://sBuf不為空
{ pd = p->pdata;
sBuf->next = p->next; file://刪除鏈表sBuf的第一個(gè)節點(diǎn)
free(p); file://釋放p
QuadletWriteLLC(ATF_First, *pd); file://寫(xiě)第1個(gè)Quadlet到ATF
pd++;
for(i=1;i=WriteCount-2;i++,pd++) file://第2~(WriteCount-1)個(gè)Quadlet
QuadletWriteLLC(ATF_Continue, *pd);
QuadletWriteLLC(ATF_ContinueUpdata, *pd); file://第WriteCount個(gè)Quadlet
}
m_cs.Unlock(); file://解鎖臨界資源
}
return 0;
}

3.3.4 解釋處理程序

解釋處理程序實(shí)際上是用戶(hù)自定義的一個(gè)消息處理函數，它一直在等待中斷處理程序發(fā)來(lái)的接收到數據包的消息。如果有消息到達，就從rBuf中取出數據包進(jìn)行解釋。如果是自標識包，將接收到的數據放到自標識緩沖區SelfIDbuf中；如果是讀請求包，從dataBuf中取出數據，并根據讀請求數據包的包頭構造相應的讀響應包放到sBuf中；如果是寫(xiě)請求包，從rBuf中取出數據部分放到數據緩沖區dataBuf中等待做進(jìn)一步的處理，并根據寫(xiě)請求數據包的包頭構造相應的寫(xiě)響應包放到sBuf中。

4 結束語(yǔ)

本文針對實(shí)際應用中對1394串行總線(xiàn)通信實(shí)時(shí)性和可靠性的要求 ,采用中斷的方法來(lái)接收和發(fā)送數據，并提出了在Windows2000下運用多線(xiàn)程技術(shù)來(lái)實(shí)現1394串行總線(xiàn)異步通信的方法，有效的解決了在串口通信中出現的數據丟失和不穩定問(wèn)題，提高了系統的執行效率和資源的利用率，實(shí)踐證明這是一種有效的途徑。