基于VxWorks的PCI總線多功能數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動開發(fā)

張 原，鄒程帥，張 帥，宋 鵬

（西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710129）

VxWorks是一種高性能的嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS），它由WindRiver公司開發(fā)，具有小巧的內(nèi)核，可根據(jù)需要進(jìn)行裁減；它還獲得廣泛的硬件支持，像X86系列的CPU，Motorola 68K系列的CPU，Motorola/IBM Power PC等等；它還具有很高的可靠性和實時性，像美國登陸的火星探測器使用的就是VxWorks操作系統(tǒng)；它還有其它的很多優(yōu)點，因此被廣泛地使用在通信、軍事、航空、控制等高精尖技術(shù)以及實時性要求極高的領(lǐng)域中。

PCI總線由于其即插即用、獨立于微處理器、通用性好、具有很高的兼容性等等優(yōu)良的特點，使得它成為運(yùn)用最廣泛的局部總線標(biāo)準(zhǔn)，而且具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＪ顾蔀榫哂泻芎冒l(fā)展?jié)摿Φ木植靠偩€標(biāo)。多功能數(shù)據(jù)采集卡在工業(yè)控制中有著廣泛的運(yùn)用，它是信號和嵌入式處理器的有效交互的工業(yè)控制系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，特別是它的中斷功能能提供很有效的實時性。在VxWorks下，一個重要的問題就是如何開發(fā)出高效率的數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動，只有驅(qū)動穩(wěn)定了，才能使系統(tǒng)高效地運(yùn)轉(zhuǎn)。文中結(jié)合Adlink公司的7396芯片，探討在VxWorks下基于PENTIUM CPU的PCI多功能數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動開發(fā)。

1 VxWorks下的設(shè)備驅(qū)動程序

1.1 VxWorks下的I/O系統(tǒng)

I/O系統(tǒng)全稱為（Input/Output）輸入輸出系統(tǒng)，在VxWorks系統(tǒng)中，I/O系統(tǒng)向用戶屏蔽了硬件層，為用戶提供了一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口，使得應(yīng)用層的用戶只要了解I/O系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)接口使用方法，就可以正確地操作外部設(shè)備[1]。I/O系統(tǒng)為設(shè)備提供了7個標(biāo)準(zhǔn)的I/O接口函數(shù):creat（...）、delete（...）、open（...）、close（...）、read（...）、write（...）、ioctl（...）。驅(qū)動程序設(shè)計者只要根據(jù)實際項目、工程的需要設(shè)計完成相應(yīng)功能的接口函數(shù)，然后在使用時I/O系統(tǒng)就可以把應(yīng)用程序的I/O請求轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的設(shè)計好的設(shè)備驅(qū)動程序進(jìn)行處理。在VxWorks系統(tǒng)中I/O系統(tǒng)是通過維護(hù)文件描述符表、設(shè)備描述符表和驅(qū)動程序列表這3張表格來實現(xiàn)對驅(qū)動程序的管理的。

1.2 VxWorks設(shè)備驅(qū)動程序的分類

在VxWorks系統(tǒng)中，輸入/輸出設(shè)備從宏觀上分為3種類型：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。依據(jù)設(shè)備的類型，VxWorks下設(shè)備驅(qū)動程序的管理也被劃分成3種模塊：字符設(shè)備驅(qū)動程序模塊、塊設(shè)備驅(qū)動程序模塊、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序模塊[2]。從架構(gòu)上說，字符設(shè)備驅(qū)動程序的實現(xiàn)相對來說是最簡單的，它向上只是與I/O系統(tǒng)接口，所以只需要提供內(nèi)個接口就可以了。塊設(shè)備驅(qū)動程序相對于字符設(shè)備來說相對的復(fù)雜，它還要與中間的文件系統(tǒng)相連，為文件系統(tǒng)提供服務(wù)，塊設(shè)備的最大特點就是以“塊”為單位進(jìn)行操作，在讀取其中的數(shù)據(jù)時，必須將所在塊的數(shù)據(jù)完全讀出。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備則提供了另外的接口，相對于字符設(shè)備和塊設(shè)備來說，處于相對底層，這是由網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的復(fù)雜性決定的。為了更好地支持網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，VxWorks在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序之間增加了 MUX接口[3]。

1.3 驅(qū)動程序和I/O系統(tǒng)

驅(qū)動程序的結(jié)構(gòu)包括3個部分：初始化部分，函數(shù)功能部分和中斷服務(wù)程序ISR。初始化部分主要是初始化硬件，分配硬件所需要的系統(tǒng)資源。函數(shù)功能主要是根據(jù)實際的需要，完成系統(tǒng)指定的功能。中斷服務(wù)程序主要是響應(yīng)外部中斷，使系統(tǒng)能夠快速地對外部交互作出反應(yīng)，由于中斷服務(wù)程序要求盡可能地反應(yīng)快，所以中斷服務(wù)程序應(yīng)該盡可能簡單。

VxWorks中設(shè)備驅(qū)動程序與I/O系統(tǒng)的關(guān)系非常簡單。對于塊設(shè)備來說，應(yīng)用程序通過I/O系統(tǒng)訪問文件系統(tǒng)，而后由文件系統(tǒng)調(diào)用驅(qū)動程序訪問設(shè)備。而其它的非塊設(shè)備則是I/O系統(tǒng)直接調(diào)用驅(qū)動程序訪問設(shè)備。圖1顯示了應(yīng)用程序、I/O系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動程序之間的關(guān)系。

圖1 應(yīng)用程序、I/O系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動程序之間關(guān)系Fig.1 Relationship of Application，the I/O systems and device drivers

2 多功能數(shù)據(jù)采集卡7396簡介

PCI-7396是專門為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計的96位并行數(shù)字輸入/輸出（DIO）卡。PCI-7396是模擬4個8255可編程外圍 接口（PPI）芯片。每個PPI提供3個8位可同步訪問的DIO端口。總共有12個可獨立配置為輸入或輸出的端口。

PCI-7396產(chǎn)品具有通過外部觸發(fā)來鎖定數(shù)字輸入數(shù)據(jù)的特點，同時提供狀態(tài)改變（COS）中斷，這意味著當(dāng) 任何數(shù)字輸入狀態(tài)改變的時候，中斷就會發(fā)生。用戶可以通過用跳線設(shè)置上拉/下拉電阻輕松地以用戶自定義 狀態(tài)（高或低）來設(shè)定PCI-7396數(shù)字I/O上電狀態(tài)。

7396有3種類型的寄存器：PCI配置寄存器，它是要實現(xiàn)板卡的功能所要訪問和操作的寄存器；本地配置寄存器，其是它就是操作9050所要訪問的寄存器；還有一個是PCI-6308寄存器。

3 PCI配置空間

PCI（Peripheral Component Interconnect），外部 設(shè)備互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，是由Intel公司提出的一種局部總線標(biāo)準(zhǔn)。每個PCI設(shè)備有3種物理空間:配置空間、存儲器空間和I/O空間。配置空間是長度256字節(jié)的一段連續(xù)空間（16個32位寄存器）其中前64個字節(jié)為頭標(biāo)，其余192字節(jié)為設(shè)備相關(guān)信息。在64字節(jié)的頭標(biāo)中，前16字節(jié)的定義是確定的，后48字節(jié)的具體含義因設(shè)備而異。配置空間頭標(biāo)區(qū)如圖2所示。配置空間中的一個重要部分是基地址寄存器（BaseAddresss Register），它的內(nèi)容是 PCI設(shè)備的地址空間映射到系統(tǒng)地址空間的起始物理地址。其中，bit0=1表示IO空間映射，bit0=0表示存儲器空間映射。所有PCI設(shè)備必須實現(xiàn)存儲器空間映射。通過向BAR寫全1即可確定所需地址空間的大小[4]。在VxWorks下要訪問一個PCI設(shè)備，只需要知道該設(shè)備的廠商號和設(shè)備號。

圖2 PCI配置頭空間Fig.2 PCI configuration header space

4 數(shù)據(jù)采集卡設(shè)備驅(qū)動的實現(xiàn)

Adlink公司的7396數(shù)據(jù)采集卡是PCI設(shè)備，PCI設(shè)備驅(qū)動程序?qū)儆赩xWorks體系結(jié)構(gòu)中的I／O系統(tǒng)部分，它往上為應(yīng)用程序提供API接口，往下通過BSP訪問PCI設(shè)備[5]?；赩xWorks的PCi設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)流程如圖3所示。分為4個步驟：①創(chuàng)建設(shè)備；②根據(jù)PCI設(shè)備的配置參數(shù)，對PCI設(shè)備編寫功能函數(shù)程序；③編寫測試程序進(jìn)行功能測試；④驅(qū)動程序工作正常可靠，即可發(fā)布驅(qū)動程序，將其加載入VxWorks操作系統(tǒng)內(nèi)核，完成驅(qū)動程序的開發(fā)[6]。

圖3 開發(fā)流程Fig.3 Development process

在前面的一節(jié)中提到過，要訪問一個PCI設(shè)備，首先要知道它的廠商號和設(shè)備號，在實際工作中，可以通過WinDriver這個在windows平臺下運(yùn)行的編寫驅(qū)動的軟件獲得，這樣比較方便和直觀，通過它，得到7396的廠商號（Dev 7396_VENDOR_ID）為 0x144a，設(shè)備號（Dev7396_DEVICE_ID）為0x7396。知道廠商號和設(shè)備號后，就可以利用VxWorks提供的函數(shù)pciFindDevice（）獲得設(shè)備的總線號、設(shè)備編號和功能號。然后調(diào)用 pciConfigInLong（）獲得多功能數(shù)據(jù)采集卡設(shè)備的配置空間、內(nèi)存空間、I/O空間的地址；pciConfigInByte得到設(shè)備中斷號。7396設(shè)備沒有要訪問的內(nèi)存空間，所以沒有涉及到內(nèi)存的映射和操作。主要的實現(xiàn)代碼如下所示：

在讀取設(shè)備的基地址時，要特別注意結(jié)合設(shè)備相關(guān)的說明書進(jìn)行，在前面的章節(jié)中提到過，7396設(shè)備包含3個寄存器空間（詳見2多功能數(shù)據(jù)采集卡7396簡介），所以讀出來的基地址空間有可能是3個里面的一個。

由于使用的是PENTIUM系列的CPU來進(jìn)行板卡驅(qū)動的開發(fā)，所以在邊接中斷向量的時候，中斷號要加上0x20。

特別要注意操作9050的控制寄存器的偏移為0x4c的地方的操作，它是要實現(xiàn)中斷必須要進(jìn)行的操作，沒有操作正確的話，中斷是不能夠正確運(yùn)行的，而且9050的這個寄存器的各個位和9052還是不一樣的，雖然都是PLX公司的產(chǎn)品。

讀取完上面的I/O基地址和相應(yīng)的中斷后，就可以操作I/O空間了，這要根據(jù)相應(yīng)板卡說明書上的基地址偏移來操作，而且還要注意設(shè)置端口是輸入端口還是輸出端口。中斷服務(wù)程序在VxWorks下也有嚴(yán)格的要求，要注意。

5 結(jié)束語

文中結(jié)合具體的Adlink公司的7396數(shù)據(jù)采集卡，介紹了在VxWorks下編寫PCI設(shè)備驅(qū)動的相關(guān)方法以及要注意的事項，并介紹了VxWorks的I/O系統(tǒng)和驅(qū)動相關(guān)的理論知識，它們是開發(fā)驅(qū)動的基礎(chǔ)。根據(jù)上面方法開發(fā)出的7396驅(qū)動已經(jīng)在某綜合控制系統(tǒng)中穩(wěn)定地運(yùn)行。

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