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-- 發(fā)布時(shí)間：2010-12-1 11:00:24
-- VxWorks 下PMC-FPGA板卡驅(qū)動(dòng)的開發(fā)與研究
摘 要： 討論了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks的I/O系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)的原理，并根據(jù)PMC-FPGA轉(zhuǎn)接卡的開發(fā)，詳細(xì)分析了VxWorks下PCI9030設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)過程及相 關(guān)代碼。同時(shí)就該驅(qū)動(dòng)程序?qū)ο到y(tǒng)性能及實(shí)時(shí)性的提高作了必要的分析和討論。
關(guān)鍵詞： VxWorks I/O系統(tǒng) PMC-FPGA PCI9030
隨著通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)越來越廣泛地應(yīng)用到無(wú)線通信、交通、工業(yè)控制、軍事、航空航天、衛(wèi)星通信等各個(gè)領(lǐng)域。由于這些領(lǐng)域?qū)?shí)時(shí)性、可靠性要求很高，從而使得實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)迅速發(fā)展起來。其中VxWorks是目前公認(rèn)的最出色的一種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。VxWorks具有可裁減的微內(nèi)核；高效的任務(wù)管理；優(yōu)先級(jí)搶占和時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度；準(zhǔn)確的上下文切換；快速靈活的任務(wù)間通信等優(yōu)點(diǎn)。它已成為實(shí)際的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和軍用標(biāo)準(zhǔn)[1]。嵌入式系統(tǒng)特別強(qiáng)調(diào)“量身定做”的原則，基于某一種特殊用途，可以針對(duì)這項(xiàng)用途開發(fā)出截然不同的一項(xiàng)系統(tǒng)，這就是所謂的客制化[2]。通常需要根據(jù)系統(tǒng)的功能、成本、尺寸及用戶需求等方面來定制合適的硬件系統(tǒng)，這就要求用戶開發(fā)自己的硬件驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)是系統(tǒng)開發(fā)的重要組成部分，其性能、實(shí)時(shí)性、可靠性、指令的簡(jiǎn)練性關(guān)系著應(yīng)用系統(tǒng)的性能和可靠性，所以驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)顯得至關(guān)重要。
本文針對(duì)以PCI9030為接口控制芯片的PMC－FPGA（PCI Mezzanine Card）轉(zhuǎn)接卡的開發(fā)，論述了VxWorks下設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)及PMC－FPGA板卡驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)。
1 VxWorks下I/O系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)程序
1.1 I/O系統(tǒng)簡(jiǎn)介
VxWorks下I/O系統(tǒng)為各種設(shè)備提供一個(gè)簡(jiǎn)單、統(tǒng)一、獨(dú)立的設(shè)備接口，VxWorks下I/O系統(tǒng)的獨(dú)特設(shè)計(jì)使其比其他I/O系統(tǒng)更快、更靈活。這是實(shí)時(shí)系統(tǒng)的一個(gè)重要特征。[3]I/O系統(tǒng)的功能是將用戶的I/O請(qǐng)求路由到合適的驅(qū)動(dòng)程序中的對(duì)應(yīng)函數(shù)。它通過一個(gè)文件描述符表來實(shí)現(xiàn)這一功能。VxWorks設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序基本上通過I/O系統(tǒng)進(jìn)行訪問，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序被作為內(nèi)核過程來實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。I/O系統(tǒng)把設(shè)備作為特殊文件進(jìn)行處理，提供了統(tǒng)一的管理、統(tǒng)一的界面和統(tǒng)一的使用方法，并把設(shè)備、文件、網(wǎng)絡(luò)通信組織成為一致的層次抽象。圖1描述了I/O系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)程序間的層次關(guān)系。
VxWorks下I/O系統(tǒng)中三個(gè)主要的元素是：驅(qū)動(dòng)程序、設(shè)備和文件[3]。文件是用戶訪問設(shè)備的統(tǒng)一接口；驅(qū)動(dòng)程序是實(shí)現(xiàn)I/O系統(tǒng)所需的七個(gè)具體基本函數(shù)；設(shè)備是實(shí)際物理設(shè)備的抽象定義。
1.2 驅(qū)動(dòng)程序的執(zhí)行邏輯
VxWorks下I/O系統(tǒng)提供七個(gè)基本的I/O函數(shù)：creat( ), delete( ), open( ), close( ), read( ), write( )及ioctl（），并將用戶的I/O請(qǐng)求路由到設(shè)備對(duì)應(yīng)的子程序。這主要是通過找到驅(qū)動(dòng)列表中對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)號(hào)來實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)列表如表1所示。
在驅(qū)動(dòng)程序中通過調(diào)用iosDrvInstall（）函數(shù)將驅(qū)動(dòng)程序中的子程序（myOpen( ), myRead( )等）注冊(cè)到系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)列表中并返回一個(gè)驅(qū)動(dòng)號(hào)，如表1中所示的驅(qū)動(dòng)號(hào)3。
然后編寫創(chuàng)建設(shè)備子程序，通常命名為xxCreate（），這要定義一個(gè)雙向鏈表的DL_NODE結(jié)構(gòu)和一個(gè)設(shè)備描述符的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中第一個(gè)變量是DEV_HDR類型，稱為設(shè)備頭。調(diào)用iosDevAdd（）函數(shù)，將設(shè)備添加到設(shè)備列表中（見圖2）。其中有管道設(shè)備、串口設(shè)備及PCI9030設(shè)備，pmcfpga是設(shè)備名稱。
在iosLib.h()頭文件中，對(duì)設(shè)備頭DEV_HDR定義如下：
typedef struct
{ DL_NODE node; /* 設(shè)備表結(jié)點(diǎn) */
short drvNum; /* 設(shè)備的驅(qū)動(dòng)號(hào) */
char * name; /* 設(shè)備名 */
} DEV_HDR;
此外還要定義一個(gè)稱為設(shè)備描述符表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來將設(shè)備和驅(qū)動(dòng)聯(lián)系起來（見表2）。這個(gè)設(shè)備描述符表中除了包含設(shè)備頭DEV_HDR、設(shè)備信息（包括設(shè)備號(hào)、廠商號(hào)、總線號(hào)、功能號(hào)、中斷號(hào)等）外，還可包含其他一些與設(shè)備無(wú)關(guān)的變量，如文件偏移量、布爾代碼設(shè)置的標(biāo)志等。定義如下：
typedef struct PCI9030Device
{DEV_HDR;
PCI9030_INFO;
}PCI9030_DEVICE;
從表2中可以看出設(shè)備名是pmcfpga, 驅(qū)動(dòng)號(hào)為3，文件描述符號(hào)是2。通過調(diào)用iosDrvInstall()將驅(qū)動(dòng)程序添加到驅(qū)動(dòng)程序表并返回一個(gè)驅(qū)動(dòng)號(hào)，再調(diào)用iosDevAdd()將設(shè)備描述符添加到設(shè)備列表并用設(shè)備名字（drvName）和驅(qū)動(dòng)程序號(hào)(drvNum)對(duì)DEV_HDR初始化。
驅(qū)動(dòng)程序裝載完畢后，用戶執(zhí)行open(“/ pmfpga”, 參數(shù)2，參數(shù)3)，I/O系統(tǒng)根據(jù)文件名找到設(shè)備及驅(qū)動(dòng)號(hào)，并通過驅(qū)動(dòng)表找到對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)子程序入口函數(shù)myOpen()，同時(shí)返回文件描述符號(hào)fd。以后就可根據(jù)fd執(zhí)行其他函數(shù)的操作，如：close (fd)、read (fd, 參數(shù)2，參數(shù)3)等。圖3給出了設(shè)備、驅(qū)動(dòng)程序連接的邏輯示意圖。
2 PCI9030設(shè)備的訪問
2.1 PCI9030簡(jiǎn)介
本設(shè)計(jì)的PMC轉(zhuǎn)接卡選用PLX公司的PCI9030作PCI總線的接口控制芯片，執(zhí)行PMC總線標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用于目前較為流行的一些只有PMC接口的單板機(jī)上，例如：VMIC公司生產(chǎn)的VMIVME系列；MEN公司生產(chǎn)的PowerPC單板機(jī)等。在PMC轉(zhuǎn)接卡上可以掛上FPGA、 DSP等數(shù)字處理能力較強(qiáng)的芯片以實(shí)現(xiàn)高速控制器，提高數(shù)字處理速度和運(yùn)算速度，從而進(jìn)一步滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。PMC轉(zhuǎn)接卡內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖4所示。
這里FPGA作為PCI9030接口芯片的外設(shè)掛到PCI局部總線上，主板上的CPU要從PMC接口通過PCI9030才能訪問到外設(shè)，因此需要實(shí)現(xiàn)從PCI總線通過PCI9030到局部總線的訪問，所以驅(qū)動(dòng)程序的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)PCI局部總線到PCI總線的地址映射。
2.2 訪問PCI9030外設(shè)的實(shí)現(xiàn)
PCI9030有一個(gè)64字節(jié)的目標(biāo)設(shè)備讀FIFO和一個(gè)128字節(jié)的PCI目標(biāo)寫FIFO，用來實(shí)現(xiàn)PCI主設(shè)到局部總線的訪問，并允許5個(gè)地址空間去訪問局部地址空間，它們分別是space0、space1、space2、space3和Expansion ROM。每個(gè)PCI地址空間到局部地址空間的映射關(guān)系由三個(gè)寄存器來決定： Local Address Range（局部基地址范圍）——LASxRR 及EROMRR; Local Base Address(局部基地址)——LASxBA及EROMBA; PCI Base Address（PCI基地址）——PCIBAR2、PCIBAR3、 PCIBAR4、 PCIBAR5及PCIERBAR[4]。每一個(gè)空間的映射是一一對(duì)應(yīng)的，規(guī)定space0映射到PCI BASE2, space1映射到PCI BASE3,以此類推。圖5為地址映射示意圖。
PCI9030復(fù)位初始化時(shí)需定義一次地址空間的映射，具體實(shí)現(xiàn)方法是在E2PROM中配置好三個(gè)寄存器的值：①Range：指定PCI總線訪問局部總線空間范圍的PCI地址位。除去最低一個(gè)字節(jié)，左起第一個(gè)為1的數(shù)對(duì)應(yīng)的位就是該空間范圍。例如:配置Range=FFF00008，去掉第一個(gè)字節(jié)，左起第一個(gè)1在bit20, 所以空間范圍是220=1MB。②Remap(Local Base Address)：根據(jù)自己的硬件設(shè)計(jì)決定設(shè)備在局部總線的基地址，bit0必須置為1，表明允許對(duì)應(yīng)的局部空間地址映射。③Descriptor：指定局部總線的特征，包括總線寬度、讀延時(shí)、寫延時(shí)的延時(shí)時(shí)鐘數(shù)、是否預(yù)取等。
驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)備初始化子程序給PCI Base Address 寄存器寫入全1，即FFFFFFFF，然后讀回的寄存器的值就是CPU根據(jù)E2PROM中的配置分配的PCI的基地址范圍值。在VxWorks中通過調(diào)用以下兩個(gè)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)：
pciConfigInLong(busNo,deviceNo,funcNo,PCI_CFG_BASE_ADDRESS_2,& baseAddress)；
pciConfigOutLong(busNo,deviceNo,funcNo,PCI_CFG_BASE_ADDRESS_2,& baseAddress)；
當(dāng)需要訪問某一設(shè)備時(shí)，只需要訪問該設(shè)備占用的局部地址空間所對(duì)應(yīng)的PCI地址空間即可，一般用PCI基地址加偏移量的方式訪問，例如：PCI_READ(MEMBase2,0x04,buffer)。此外PCI9030 還提供了四個(gè)片選信號(hào)，以便對(duì)多個(gè)外設(shè)進(jìn)行訪問，這四個(gè)片選信號(hào)是CS0、CS1、CS2、CS3，對(duì)應(yīng)四個(gè)片選基地址寄存器：CS0BASE, CS1BASE、CS2BASE、CS3BASE, 當(dāng)片選基地址寄存器表達(dá)的基地址與某一局部空間基地址相同且設(shè)定的地址范圍也相同時(shí)，這一片選信號(hào)上所掛的設(shè)備就落在該局部空間[4]。本次設(shè)計(jì)中所用的FPGA芯片使用了CS0片選信號(hào)，設(shè)計(jì)的CS0BASE基地址和范圍落在space0，這樣通過PCI BASE2 ADDRESS 就可訪問到FPGA。
2.3 PCI9030的中斷及控制寄存器
PCI9030提供了兩個(gè)局部中斷引腳LINTi1和LINTi2以及中斷控制寄存器INTCSR(軟中斷)[7]，用來觸發(fā)PCI中斷輸入引腳INTA#輸出有效信號(hào)，向CPU申請(qǐng)中斷。同時(shí)PCI中斷引腳寄存器PCIIPR必須在E2PROM中設(shè)置為1h, 表明通過INTA#申請(qǐng)中斷。BIOS能夠?qū)NTA#路由到一個(gè)中斷控制器的中斷請(qǐng)求（IRQ）輸入，為系統(tǒng)分配一個(gè)與標(biāo)準(zhǔn)的中斷控制器8259的IRQ相應(yīng)的中斷號(hào)，并由BIOS將此中斷號(hào)寫到PCI中斷線（PCI Interrupt Line）寄存器PCIILR中。因此在寫驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，讀取PCIILR中的值是將中斷服務(wù)子程序ISR連接到中斷控制器的關(guān)鍵。三種中斷形式的設(shè)置可在中斷控制寄存器INTCSR中配置。也可通過設(shè)置中斷控制寄存器INTCSR[6]來禁止INTA#中斷。
通過E2PROM編程器或PLX公司的PlxMon軟件對(duì)E2PROM編程，可寫入幾個(gè)重要寄存器的值，其中包括配置寄存器（PCI配置首區(qū)[5]）、局部配置寄存器等的值。系統(tǒng)上電后自動(dòng)將這些數(shù)據(jù)從E2PROM傳到PCI9030內(nèi)部寄存器。在PCI配置寄存器00h中放置兩個(gè)重要參數(shù)Device ID（設(shè)備ID）和Vendor ID（廠商ID）, 它們是表明設(shè)備身份的關(guān)鍵，在VxWorks中利用這兩個(gè)參數(shù)來調(diào)用如下函數(shù)：
pciFindDevice(PCI_VENDOR_ID, CI_DEVICE_ID, index,&busNo, &deviceNo, &funcNo) ；
找到設(shè)備并讀取busNo（總線號(hào)）、deviceNo（設(shè)備號(hào)）、
funcNo（功能號(hào)）等參數(shù)后，再利用這三個(gè)參數(shù)找到PCI基地址和中斷號(hào)，最后作地址映射，將基地址加到內(nèi)存管理單元MMU中。這是PCI9030設(shè)備初始化的重要步驟。
3 VxWorks下的PCI9030驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)及流程
3.1驅(qū)動(dòng)程序的框架
前面提到在VxWorks下有七個(gè)基本I/O函數(shù)，所以寫PCI9030驅(qū)動(dòng)程序時(shí)首先要寫PCI9030的I/O接口子程序PCI9030Open()、PCI9030Close()、PCI9030Read()等。 此外還需要寫三個(gè)重要的程序[3]:
PCI9030Drv()。該程序的主要工作是執(zhí)行必要的硬件初始化；通過調(diào)用iosDrvInstall()函數(shù)裝載驅(qū)動(dòng)程序到I/O系統(tǒng)，連接I/O接口子程序PCI9030Open()、PCI9030Close()、PCI9030Read()等到I/O系統(tǒng)；連接中斷等。
PCI9030Create()。該程序的主要工作是將設(shè)備添加到I/O系統(tǒng)，通過調(diào)用iosDevAdd（）函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。
中斷服務(wù)子程序ISR。該程序完成寫入中斷響應(yīng)后需要執(zhí)行的操作。
3.2 程序流程圖
圖6和圖7分別為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序PCI9030Drv()的流程圖及設(shè)備所需接口函數(shù)的框圖。
3.3 部分程序代碼
(1)sysPCI9030Init（）子程序。
void sysPCI9030Init (void)
{設(shè)備初始化……
pciIntConnect(INUM_TO_IVEC(((int) btRes->irq)+INT_NUM_IRQ0),(VOIDFUNCPTR)myISR,IntParameter);
/*連接到中斷服務(wù)子程序*/ }
(2)PCI9030Drv（）程序，裝載驅(qū)動(dòng)程序到驅(qū)動(dòng)表并連接I/O接口函數(shù)。
int PCI9030Drv()
{
int pci9030DrvNum; /*定義驅(qū)動(dòng)號(hào)*/
pci9030DrvNum=iosDrvInstall((FUNCPTR)PCI9030open,0,
(FUNCPTR)PCI9030open, (FUNCPTR)PCI9030close,
(FUNCPTR)PCI9030read, (FUNCPTR)PCI9030write,0);
……
}
本文針對(duì)PMC-FPGA轉(zhuǎn)接板的開發(fā)設(shè)計(jì)，研究了在VxWorks下的驅(qū)動(dòng)程序的編寫及PCI接口控制芯片PCI9030的應(yīng)用，論述了VxWorks下PCI9030驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)方法。由于VxWorks操作系統(tǒng)的微內(nèi)核可裁減及高效的多任務(wù)管理方式，為提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性作了很大貢獻(xiàn)。又因VxWorks有豐富高效的接口函數(shù)，使編程更加簡(jiǎn)單方便。I/O系統(tǒng)將設(shè)備程序作為內(nèi)核過程實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)性、可靠性都得到很大提高。在硬件設(shè)計(jì)中，采用FPGA可編程邏輯門陣列芯片，通過編程實(shí)現(xiàn)硬件邏輯運(yùn)算，大大提高了運(yùn)算速度，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。這里設(shè)計(jì)的PMC-FPGA轉(zhuǎn)接板也為高速控制器的設(shè)計(jì)提供了硬件條件，對(duì)控制系統(tǒng)中實(shí)時(shí)性、快速性的實(shí)現(xiàn)具有現(xiàn)實(shí)意義。