VxWorks下ComPactPCI總線(xiàn)驅動(dòng)程序設計

　　引言

　　VxWorks是美國Wind River公司專(zhuān)門(mén)為嵌入式處理器設計的一種模塊化、高性能的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統。嵌入式軟件多采用交叉開(kāi)發(fā)的方式，即主機運行開(kāi)發(fā)工具Tonado，通過(guò)某種連接方式連接目標機，硬件平臺為PC／104+架構。這里提出一種VxWorks操作系統下ComPactPCI總線(xiàn)驅動(dòng)程序的設計及實(shí)現。該設計使用德國Kontron DT-64，它是一款高性能嵌入式計算機。采用Dual PentiLim 3 CPU，工作頻率高達866 MHz，具有128 KB一級高速緩存和128 KB二級高速緩存。KontronDT-64與PC／AT標準完全兼容，并遵從PC／104+標準。具有PC／104結構的優(yōu)點(diǎn)，適用于各種復雜的工作環(huán)境。

　　2 BSP與VxWorks的關(guān)系

　　板級支持包BSP(board support packet)通常是針對具體的硬件平臺，是用戶(hù)所編寫(xiě)的啟動(dòng)代碼和部分設備驅動(dòng)程序的集合。在VxWorks操作系統中，BSP是介于底層硬件環(huán)境和VxWorks之間的一個(gè)軟件接口，它的主要功能是系統加電后初始化目標機硬件、初始化操作系統及提供部分硬件的驅動(dòng)程序。BSP與VxWorks之間的關(guān)系如圖1所示。從圖1發(fā)現，BSP不是一個(gè)設備驅動(dòng)程序。它只能運行于指定設備的硬件環(huán)境中，對其進(jìn)行控制和初始化。這里主要闡述在PCM發(fā)送，接收模塊的設計過(guò)程中，如何利用DT-64 BSP來(lái)實(shí)現PCI總線(xiàn)的驅動(dòng)程序。

　　3 總線(xiàn)及接口技術(shù)

　　由于CompactPCI規范定義基于PCI總線(xiàn)方式的復印加堅固而耐用的PCI版本，并且適用于工業(yè)和嵌入式應用，本設計采用此規范。CompactPCI總線(xiàn)是3種技術(shù)的集成：通用PCI局部總線(xiàn)(Local Bus)的高性能，安裝牢固的歐卡結構，接觸可靠的針孔連接器(pin-antl-soeket connector)。

　　PCI局部總線(xiàn)是一種地址和數據復用的高性能32，64位總線(xiàn)，它在高度集成的外圍控制器件、外圍插件板和處理器／存儲器之間起連接作用。PCI總線(xiàn)為CPU和板上外設提供了方便的高速通信連接，工作頻率為66 MHz或更高。PCI作為一種同步的、獨立于處理器的32 bit或64 bit局部總線(xiàn)，在工作頻率為33 MHz總線(xiàn)寬度為32 bit最低規格時(shí)其峰值吞吐速率可達到132 MB／s，適用于網(wǎng)絡(luò )適配器、硬盤(pán)驅動(dòng)器、視頻卡、圖形卡等各類(lèi)高速外設。連接到PCI總線(xiàn)上的設備分為主控和目標兩類(lèi)，PCI支持多主系統。PCI總線(xiàn)的一個(gè)重要特點(diǎn)是存在配置空間，它提供一種配置關(guān)聯(lián)，適合于目前或將來(lái)的系統配置機制，實(shí)現參數自動(dòng)配置。系統軟件通過(guò)讀取配置空間中相應參數，即可確定PCI總線(xiàn)上掛接了什么設備以及需要哪些資源，通過(guò)對地址空間的重定位分配資源避免競爭，實(shí)現PCI設備的即插即用。

　　連接到PCI總線(xiàn)的用戶(hù)功能板卡需要使用PCI總線(xiàn)接口控制器和PCI總線(xiàn)進(jìn)行交互，在應用系統設計時(shí)采用OL5064器件。QL5064是一款32 bit／33 MHz的通用PCI總線(xiàn)控制器，符合PCI規范2．2版，本突發(fā)傳輸速率達到132 MB／s?？勺鳛镻CI總線(xiàn)的主控設備控制總線(xiàn)，也可作為目標設備響應總線(xiàn)。Ql5064提供了PCI總線(xiàn)、E2ROM、LOCAL總線(xiàn)3個(gè)接口。LOCAL總線(xiàn)支持復用／非復用的32 bit地址／數據，有3種工作模式：M、C和J。在系統實(shí)際數據采集時(shí)，將LOCAl總線(xiàn)設置為C模式，這是一種目標設備模式。選用NM93CS56L型串行E2PROM作為QL5064的配置器件，該器件通過(guò)E2ROM接口和QL5064相連。QL5064的長(cháng)配置方式要求68個(gè)字節的信息，主要包括：設備識別號、供應商代碼號、LO-CAL總線(xiàn)3個(gè)空間的性質(zhì)、范圍以及基址等，這些配置信息內容一般要預先設計并用編程器事先寫(xiě)入配置器件中。在計算機啟動(dòng)時(shí)，系統將根據配置信息分配器件所申請的資源。Q155064作為一種橋接器件，在PCI總線(xiàn)和LOCAL總線(xiàn)之間有3種主要數據傳輸模式：

　　(1)PCI Initiator數據傳輸模式 主控模式，LOCAL總線(xiàn)主設備通過(guò)QL5064訪(fǎng)問(wèn)PCI總線(xiàn)存儲空間和I／O空間；

　　(2)PCI Target數據傳輸模式PCI總線(xiàn)主設備通過(guò)QL5064訪(fǎng)問(wèn)LOCAL總線(xiàn)存儲空問(wèn)和I／O空間；

　　(3)DMA數據傳輸模式QL5064作為兩總線(xiàn)的主設備，從PCI總線(xiàn)存儲空間讀數據到LOCAL總線(xiàn)存儲空間或者從LOCAL總線(xiàn)存儲空間讀數據到PCI總線(xiàn)存儲空間。在系統設計中，使用PCI Target數據傳輸模式讀寫(xiě)控制模塊中的寄存器。

　　4 設備的配置技術(shù)

　　VxWorks是專(zhuān)門(mén)為實(shí)時(shí)嵌人式系統設計開(kāi)發(fā)的操作系統軟件，提供高效的實(shí)時(shí)任務(wù)調度、中斷管理、實(shí)時(shí)的系統資源分配以及實(shí)時(shí)的任務(wù)間通信。程序員可將主要精力放在應用程序本身，而不用關(guān)心對系統資源的管理。

　　為闡明在VxWorks操作系統下如何實(shí)現CompaetPCI總線(xiàn)設備的驅動(dòng)，需了解PCI設備的配置寄存器空間。PCI設備有3種物理存儲空間：配置寄存器空間、存儲器空間和I／O空間。PCI局部總線(xiàn)設備中配置寄存器空間是一容量為256 KB并具有特定記錄結構的地址空間，該空間分為頭標區和設備有關(guān)區兩部分，空間頭標區的定義如圖2所示。

　　在配置空間中，只讀空間有設備標識、供應商代碼、修改版本、分類(lèi)代碼以及頭標類(lèi)型。其中供應商代碼用來(lái)標識設備供應商；設備標識用來(lái)標識某一特殊的設備；修改版本標識設備的版本號；分類(lèi)代碼用來(lái)標識設備的種類(lèi)；而頭標類(lèi)型用來(lái)標識頭類(lèi)型以及是否為多功能設備。除供應商代碼之外，其他字段的值由供應商分配。

　　PCI設備可以在地址空間中重定位是其重要功能之一，使得系統可合理地分配資源，甚至完全相同的兩塊PCI卡也能夠在同一總線(xiàn)內工作而不會(huì )產(chǎn)生地址沖突?；刂芳拇嫫鞯墓δ苁欠峙銹CI設備的系統地址空間，在基地址寄存器中，位0(最低位)均為只讀位并且用來(lái)標識是存儲器空間還是I／O地址空間。如果該位為0，表示映射到存儲器空間。映射到I／O空間的基址寄存器寬度總是32 bit，其中位0值為1 (用硬件實(shí)現)，位1為保留位并且其讀出值必須為0，其余各位用來(lái)把設備映射到I／O空間。映射到存儲器空間的基址寄存器可以是32 bit寬度，也可以是64 bit寬度。其中位0也要用硬件方式使其恒為0。位2和位1兩位用來(lái)表示映射類(lèi)型，其余各位用來(lái)將設備映射到存儲器空間。

　　系統配置軟件通過(guò)向基址寄存器寫(xiě)入全“1”后再讀回的方式確定設備要求的地址空間范圍，與地址空間無(wú)關(guān)的位其返回值為0。

　　在VxWorks操作系統下實(shí)現ComPactPCI總線(xiàn)設備的驅動(dòng)過(guò)程主要包括下面步驟：

　　(1)查找CompaetPCI設備在VxWorks操作系統中通過(guò)函數peiFindDeviee()來(lái)實(shí)現，該函數可根據給定的設備標識和供應商代碼找到相應的設備。并返回總線(xiàn)號、設備號以及功能號。函數的定義如下：

　　)

　　(2)配置CompactPCI設備 通過(guò)操作系統提供的API函數訪(fǎng)問(wèn)CompactPCI設備的配置空間，配置CompactPCI設備基址寄存器、中斷、ROM基地址寄存器等，可得到Compact-PCI的仔儲器空間和I/O地址空間映射、設備的中斷號等。在VxWorks操作系統中訪(fǎng)問(wèn)CompactPCI設備配置空間的函數有pciConfigInLong()、pciConfigOutLong()等，它們分別完成對CompactPCI設備配置空間的讀寫(xiě)操作。這一系列操作也稱(chēng)為PCI設備枚舉。然后，根據CompactPCI設備的配置參數，對不同的設備編寫(xiě)初始化程序、中斷服務(wù)程序以及對PCI設備存儲空間的訪(fǎng)問(wèn)程序。

　　5 中斷的響應與控制

　　硬件中斷處理是實(shí)時(shí)系統設計的關(guān)鍵環(huán)節，系統通過(guò)中斷與外部事件交互。為了獲得盡可能快的中斷響應時(shí)間，Vx-Works的中斷處理程序需要運行在特定的上下文中，也就是在所有任務(wù)上下文之外。因此，中斷處理不會(huì )涉及任何任務(wù)上下文的切換。QL5064接幾器件的寄存器序列巾有一個(gè)中斷控制/狀態(tài)寄存器，其偏移地址為0x68H。該寄存器可以使能或禁止CompactPCI總線(xiàn)的中斷，因此在系統進(jìn)行中斷服務(wù)程序的配置時(shí)，必須設定該寄存器的內容，否則系統不能正常響應中斷nBSP; 在VxWorks系統下可以使用pciIntConnect()函數將中斷和特定的C程序連接起來(lái)，該函數將指定的C函數與中斷向量相聯(lián)系，甬數的地址將存儲在這個(gè)中斷向量里。所以當中斷發(fā)生時(shí)，系統將調用這個(gè)被稱(chēng)為中斷服務(wù)程序的函數。因此，cPCI設備的中斷響應設置主要有兩點(diǎn)：

　　(1)調用pciIntConnect()函數設置中斷服務(wù)程序，該函數的定義如下：

　　如果要禁止該設備的中斷響應，可以給QL5064的中斷控制寄存器寫(xiě)入0x0f000000即可。

　　中斷服務(wù)程序ISR負責協(xié)凋系統的采集任務(wù)，在系統設計時(shí)采用信號量的方式實(shí)現任務(wù)間的同步，因此ISR的程序非常簡(jiǎn)單，只給出和特定中斷事件相關(guān)的信號量即可。舉例如下：

　　VxWorks信號量是提供任務(wù)間通信、同步和互斥的最優(yōu)選擇，它提供任務(wù)問(wèn)的最快速通信，也是提供任務(wù)間同步和互斥的主要手段。對于同步，信號量可以協(xié)調外部事件與任務(wù)的執行。通用二進(jìn)制信號量能夠滿(mǎn)足兩種類(lèi)型的任務(wù)協(xié)調需要：互斥與同步。二進(jìn)制信號量需要的系統開(kāi)銷(xiāo)小，因而適用于高性能的需求。二進(jìn)制信號量可以看成一個(gè)標記：對應的資源是可用f滿(mǎn))還是不可用(空)。當任務(wù)調用函數semTake()取一個(gè)信號量時(shí)，其結果依賴(lài)于在調用的時(shí)刻信號量是否可用。如果此時(shí)信號量可用，調用semTake()的結果使信號量變?yōu)椴豢捎?，任?wù)繼續執行；如果此時(shí)信號量不可用，調用semTake()的任務(wù)進(jìn)入一個(gè)阻塞隊列，進(jìn)入等待狀態(tài)該信號量變?yōu)榭捎米枞麪顟B(tài)。通過(guò)信號量來(lái)同步整個(gè)系統中數據，可保證系統運行的實(shí)時(shí)性和可靠性。

　　6 結束語(yǔ)

　　采用上述控制技術(shù)，在系統中成功實(shí)現控制驅動(dòng)對多種CompactPCI板卡以及DSP信號處理板、高速A／D通道、低速A／D轉換通道、計數器通道等均能正常工作。達到系統設計要求，因此可說(shuō)明VxWorks系統CompactPCI總線(xiàn)的驅動(dòng)與控制方法可行，保證系統實(shí)時(shí)數據采集的可靠性。