引言
VxWorks是美國Wind River公司專門為嵌入式處理器設(shè)計(jì)的一種模塊化、高性能的實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)。嵌入式軟件多采用交叉開發(fā)的方式，即主機(jī)運(yùn)行開發(fā)工具Tonado，通過某種連接方式連接目標(biāo)機(jī)，硬件平臺為PC／104+架構(gòu)。這里提出一種VxWorks操作系統(tǒng)下CompactPCI總線驅(qū)動程序的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)使用德國Kontron DT-64，它是一款高性能嵌入式計(jì)算機(jī)。采用Dual PentiLim 3 CPU，工作頻率高達(dá)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(biāo)準(zhǔn)完全兼容，并遵從PC／104+標(biāo)準(zhǔn)。具有PC／104結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，適用于各種復(fù)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，是用戶所編寫的啟動代碼和部分設(shè)備驅(qū)動程序的集合。在VxWorks操作系統(tǒng)中，BSP是介于底層硬件環(huán)境和VxWorks之間的一個軟件接口，它的主要功能是系統(tǒng)加電后初始化目標(biāo)機(jī)硬件、初始化操作系統(tǒng)及提供部分硬件的驅(qū)動程序。BSP與VxWorks之間的關(guān)系如圖1所示。從圖1發(fā)現(xiàn)，BSP不是一個設(shè)備驅(qū)動程序。它只能運(yùn)行于指定設(shè)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(shè)計(jì)過程中，如何利用DT-64 BSP來實(shí)現(xiàn)PCI總線的驅(qū)動程序。
3 總線及接口技術(shù)
由于CompactPCI規(guī)范定義基于PCI總線方式的復(fù)印加堅(jiān)固而耐用的PCI版本，并且適用于工業(yè)和嵌入式應(yīng)用，本設(shè)計(jì)采用此規(guī)范。CompactPCI總線是3種技術(shù)的集成：通用PCI局部總線(Local Bus)的高性能，安裝牢固的歐卡結(jié)構(gòu)，接觸可靠的針孔連接器(pin-antl-soeket connector)。
PCI局部總線是一種地址和數(shù)據(jù)復(fù)用的高性能32，64位總線，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總線為CPU和板上外設(shè)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(dú)立于處理器的32 bit或64 bit局部總線，在工作頻率為33 MHz總線寬度為32 bit最低規(guī)格時其峰值吞吐速率可達(dá)到132 MB／s，適用于網(wǎng)絡(luò)適配器、硬盤驅(qū)動器、視頻卡、圖形卡等各類高速外設(shè)。連接到PCI總線上的設(shè)備分為主控和目標(biāo)兩類，PCI支持多主系統(tǒng)。PCI總線的一個重要特點(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?qū)淼南到y(tǒng)配置機(jī)制，實(shí)現(xiàn)參數(shù)自動配置。系統(tǒng)軟件通過讀取配置空間中相應(yīng)參數(shù)，即可確定PCI總線上掛接了什么設(shè)備以及需要哪些資源，通過對地址空間的重定位分配資源避免競爭，實(shí)現(xiàn)PCI設(shè)備的即插即用。
連接到PCI總線的用戶功能板卡需要使用PCI總線接口控制器和PCI總線進(jìn)行交互，在應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)時采用OL5064器件。QL5064是一款32 bit／33 MHz的通用PCI總線控制器，符合PCI規(guī)范2．2版，本突發(fā)傳輸速率達(dá)到132 MB／s。可作為PCI總線的主控設(shè)備控制總線，也可作為目標(biāo)設(shè)備響應(yīng)總線。Ql5064提供了PCI總線、E2ROM、LOCAL總線3個接口。LOCAL總線支持復(fù)用／非復(fù)用的32 bit地址／數(shù)據(jù)，有3種工作模式：M、C和J。在系統(tǒng)實(shí)際數(shù)據(jù)采集時，將LOCAl總線設(shè)置為C模式，這是一種目標(biāo)設(shè)備模式。選用NM93CS56L型串行E2PROM作為QL5064的配置器件，該器件通過E2ROM接口和QL5064相連。QL5064的長配置方式要求68個字節(jié)的信息，主要包括：設(shè)備識別號、供應(yīng)商代碼號、LO-CAL總線3個空間的性質(zhì)、范圍以及基址等，這些配置信息內(nèi)容一般要預(yù)先設(shè)計(jì)并用編程器事先寫入配置器件中。在計(jì)算機(jī)啟動時，系統(tǒng)將根據(jù)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總線和LOCAL總線之間有3種主要數(shù)據(jù)傳輸模式：
(1)PCI Initiator數(shù)據(jù)傳輸模式 主控模式，LOCAL總線主設(shè)備通過QL5064訪問PCI總線存儲空間和I／O空間；
(2)PCI Target數(shù)據(jù)傳輸模式PCI總線主設(shè)備通過QL5064訪問LOCAL總線存儲空問和I／O空間；
(3)DMA數(shù)據(jù)傳輸模式QL5064作為兩總線的主設(shè)備，從PCI總線存儲空間讀數(shù)據(jù)到LOCAL總線存儲空間或者從LOCAL總線存儲空間讀數(shù)據(jù)到PCI總線存儲空間。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，使用PCI Target數(shù)據(jù)傳輸模式讀寫控制模塊中的寄存器。
4 設(shè)備的配置技術(shù)
VxWorks是專門為實(shí)時嵌人式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的操作系統(tǒng)軟件，提供高效的實(shí)時任務(wù)調(diào)度、中斷管理、實(shí)時的系統(tǒng)資源分配以及實(shí)時的任務(wù)間通信。程序員可將主要精力放在應(yīng)用程序本身，而不用關(guān)心對系統(tǒng)資源的管理。
為闡明在VxWorks操作系統(tǒng)下如何實(shí)現(xiàn)CompaetPCI總線設(shè)備的驅(qū)動，需了解PCI設(shè)備的配置寄存器空間。PCI設(shè)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局部總線設(shè)備中配置寄存器空間是一容量為256 KB并具有特定記錄結(jié)構(gòu)的地址空間，該空間分為頭標(biāo)區(qū)和設(shè)備有關(guān)區(qū)兩部分，空間頭標(biāo)區(qū)的定義如圖2所示。
在配置空間中，只讀空間有設(shè)備標(biāo)識、供應(yīng)商代碼、修改版本、分類代碼以及頭標(biāo)類型。其中供應(yīng)商代碼用來標(biāo)識設(shè)備供應(yīng)商；設(shè)備標(biāo)識用來標(biāo)識某一特殊的設(shè)備；修改版本標(biāo)識設(shè)備的版本號；分類代碼用來標(biāo)識設(shè)備的種類；而頭標(biāo)類型用來標(biāo)識頭類型以及是否為多功能設(shè)備。除供應(yīng)商代碼之外，其他字段的值由供應(yīng)商分配。
PCI設(shè)備可以在地址空間中重定位是其重要功能之一，使得系統(tǒng)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內(nèi)工作而不會產(chǎn)生地址沖突。基地址寄存器的功能是分配PCI設(shè)備的系統(tǒng)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標(biāo)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(xiàn))，位1為保留位并且其讀出值必須為0，其余各位用來把設(shè)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1兩位用來表示映射類型，其余各位用來將設(shè)備映射到存儲器空間。
系統(tǒng)配置軟件通過向基址寄存器寫入全“1”后再讀回的方式確定設(shè)備要求的地址空間范圍，與地址空間無關(guān)的位其返回值為0。
在VxWorks操作系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)CompactPCI總線設(shè)備的驅(qū)動過程主要包括下面步驟：
(1)查找CompaetPCI設(shè)備在VxWorks操作系統(tǒng)中通過函數(shù)peiFindDeviee()來實(shí)現(xiàn)，該函數(shù)可根據(jù)給定的設(shè)備標(biāo)識和供應(yīng)商代碼找到相應(yīng)的設(shè)備。并返回總線號、設(shè)備號以及功能號。函數(shù)的定義如下：
)
(2)配置CompactPCI設(shè)備 通過操作系統(tǒng)提供的API函數(shù)訪問CompactPCI設(shè)備的配置空間，配置CompactPCI設(shè)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(shè)備的中斷號等。在VxWorks操作系統(tǒng)中訪問CompactPCI設(shè)備配置空間的函數(shù)有pciConfigInLong()、pciConfigOutLong()等，它們分別完成對CompactPCI設(shè)備配置空間的讀寫操作。這一系列操作也稱為PCI設(shè)備枚舉。然后，根據(jù)CompactPCI設(shè)備的配置參數(shù)，對不同的設(shè)備編寫初始化程序、中斷服務(wù)程序以及對PCI設(shè)備存儲空間的訪問程序。
5 中斷的響應(yīng)與控制
硬件中斷處理是實(shí)時系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，系統(tǒng)通過中斷與外部事件交互。為了獲得盡可能快的中斷響應(yīng)時間，Vx-Works的中斷處理程序需要運(yùn)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總線的中斷，因此在系統(tǒng)進(jìn)行中斷服務(wù)程序的配置時，必須設(shè)定該寄存器的內(nèi)容，否則系統(tǒng)不能正常響應(yīng)中斷 在VxWorks系統(tǒng)下可以使用pciIntConnect()函數(shù)將中斷和特定的C程序連接起來，該函數(shù)將指定的C函數(shù)與中斷向量相聯(lián)系，甬?dāng)?shù)的地址將存儲在這個中斷向量里。所以當(dāng)中斷發(fā)生時，系統(tǒng)將調(diào)用這個被稱為中斷服務(wù)程序的函數(shù)。因此，cPCI設(shè)備的中斷響應(yīng)設(shè)置主要有兩點(diǎn)：
(1)調(diào)用pciIntConnect()函數(shù)設(shè)置中斷服務(wù)程序，該函數(shù)的定義如下：
如果要禁止該設(shè)備的中斷響應(yīng)，可以給QL5064的中斷控制寄存器寫入0x0f000000即可。
中斷服務(wù)程序ISR負(fù)責(zé)協(xié)凋系統(tǒng)的采集任務(wù)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時采用信號量的方式實(shí)現(xiàn)任務(wù)間的同步，因此ISR的程序非常簡單，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(diào)外部事件與任務(wù)的執(zhí)行。通用二進(jìn)制信號量能夠滿足兩種類型的任務(wù)協(xié)調(diào)需要：互斥與同步。二進(jìn)制信號量需要的系統(tǒng)開銷小，因而適用于高性能的需求。二進(jìn)制信號量可以看成一個標(biāo)記：對應(yīng)的資源是可用f滿)還是不可用(空)。當(dāng)任務(wù)調(diào)用函數(shù)semTake()取一個信號量時，其結(jié)果依賴于在調(diào)用的時刻信號量是否可用。如果此時信號量可用，調(diào)用semTake()的結(jié)果使信號量變?yōu)椴豢捎茫蝿?wù)繼續(xù)執(zhí)行；如果此時信號量不可用，調(diào)用semTake()的任務(wù)進(jìn)入一個阻塞隊(duì)列，進(jìn)入等待狀態(tài)該信號量變?yōu)榭捎米枞麪顟B(tài)。通過信號量來同步整個系統(tǒng)中數(shù)據(jù)，可保證系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時性和可靠性。
6 結(jié)束語
采用上述控制技術(shù)，在系統(tǒng)中成功實(shí)現(xiàn)控制驅(qū)動對多種CompactPCI板卡以及DSP信號處理板、高速A／D通道、低速A／D轉(zhuǎn)換通道、計(jì)數(shù)器通道等均能正常工作。達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，因此可說明VxWorks系統(tǒng)CompactPCI總線的驅(qū)動與控制方法可行，保證系統(tǒng)實(shí)時數(shù)據(jù)采集的可靠性。
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