基于S3C2440與WinCE平臺上的FIQ驅(qū)動程序的實(shí)現(xiàn)

開元海，汪 超，鄭 勇

(1.貝加萊工業(yè)自動化西安分公司，陜西 西安710075；2.臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 臺州318000；3.安徽省滁州市第一職業(yè)高級中學(xué)，安徽 滁州239002)

Microsoft Windows CE是一個(gè) 32位、緊湊、高效、可擴(kuò)展的操作系統(tǒng)，適用于各種嵌入式系統(tǒng)和產(chǎn)品。它擁有多線程、多任務(wù)、確定性的實(shí)時(shí)、完全搶占式優(yōu)先級的操作系統(tǒng)環(huán)境，專門面向只有有限資源的硬件系統(tǒng)。同時(shí)，它的模塊化設(shè)計(jì)方式使得系統(tǒng)開發(fā)人員和應(yīng)用開發(fā)人員能夠?yàn)槎喾N多樣的產(chǎn)品來定制它，可以選擇、組合和配置Windows CE的模塊和組件來創(chuàng)建用戶版的操作系統(tǒng)[1]。良好的用戶界面使其在導(dǎo)航儀等消費(fèi)類電子中得到了廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)控制方面，有少數(shù)廠家以它作為內(nèi)核開發(fā)工業(yè)控制器，也有一些廠家只是作為終端顯示設(shè)備。在外圍沒有CPLD、FPGA或DSP協(xié)同工作的情況下，對于實(shí)時(shí)性較高的應(yīng)用場合一般不會選擇WinCE。

本文以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動程序?yàn)槔?，針對普遍使用的IRQ中斷，提出用ARM處理器的FIQ中斷在實(shí)時(shí)性能要求高的場合中的應(yīng)用方法，可以大大提高控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理能力，進(jìn)而可以替代某些場合中使用的專用芯片或PLD芯片來滿足性能要求，以節(jié)約成本，降低功耗。

1 IRQ中斷過程簡述

對于一個(gè)硬件中斷，系統(tǒng)內(nèi)核在捕獲之后，會交給OEMInterruptHandler函數(shù)處理，這個(gè)函數(shù)就是實(shí)現(xiàn)中斷處理的中心函數(shù)。函數(shù)可以從CPU的寄存器里獲得中斷的信息，這些信息可以指出是哪個(gè)中斷源觸發(fā)了中斷。

在得到觸發(fā)中斷源信息后，最簡單的中斷處理辦法就是在OEMInterruptHandler中直接對中斷源進(jìn)行判斷，然后調(diào)用服務(wù)程序。

另一種中斷處理辦法是應(yīng)用程序建立中斷服務(wù)線程(IST)，然后申請一個(gè)系統(tǒng)邏輯中斷號(SYSINTR)，創(chuàng)建一個(gè)事件(Event)，使用InterruptInitialize函數(shù)將 Event與SYSINTR綁定，隨后 IST阻塞在等待Event上面。當(dāng)硬件中斷發(fā)生后，OEMInterruptHandler只給系統(tǒng)返回一個(gè)SYSINTR，用來標(biāo)記需要哪個(gè)程序來服務(wù)中斷，系統(tǒng)根據(jù)綁定關(guān)系激活相應(yīng)的Event，使得隨后的 IST得以運(yùn)行。在中斷處理完成之后需要調(diào)用 InterruptDone，參數(shù)為該中斷的SYSINTR，用來通知系統(tǒng)中斷處理完成，系統(tǒng)重新使能該中斷。這種處理方法可以使中斷被關(guān)閉、系統(tǒng)被鎖定的時(shí)間最短。此外，還需要實(shí)現(xiàn)OEMInterruptEnable和OEMInterruptDisable函數(shù)來改變處理器中斷屏蔽寄存器[2]。處理過程如圖1所示。

當(dāng)使用上文所述IRQ中斷服務(wù)程序結(jié)構(gòu)時(shí)，為了使實(shí)時(shí)性更好，采用直接在OEMInterruptHandler中對中斷源進(jìn)行處理的方式對步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器Q2HB44MA和步進(jìn)電機(jī)57BYGHM403進(jìn)行控制。由于中斷優(yōu)先級和響應(yīng)速度的原因，步進(jìn)電機(jī)在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生劇烈振動，根本無法在實(shí)際應(yīng)用場合中使用。

2 FIQ中斷驅(qū)動程序在WinCE系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

2.1 ARM處理器快速中斷FIQ

FIQ和IRQ是ARM處理器中兩種不同類型的中斷。FIQ比IRQ有更高優(yōu)先級，如果FIQ和IRQ同時(shí)產(chǎn)生，那么先處理FIQ。當(dāng)CPU處于FIQ模式處理FIQ中斷的過程中，預(yù)取指令異常，未定義指令異常，軟件中斷全被禁止，所有的中斷被屏蔽。所以FIQ會很快被執(zhí)行，不會被其他異?；蛘咧袛啻驍?。而IRQ不一樣，當(dāng)ARM處于IRQ模式處理IRQ中斷時(shí)，如果來了一個(gè)FIQ中斷請求，那么正在執(zhí)行的IRQ中斷處理程序會被搶斷，ARM切換到FIQ模式去執(zhí)行該FIQ中斷[3]。

2.2 步進(jìn)電機(jī)加減速實(shí)現(xiàn)

步進(jìn)電機(jī)在啟動或停止時(shí)若步進(jìn)脈沖變化太快，轉(zhuǎn)子由于慣性而跟隨不上電信號的變化，會產(chǎn)生失步或超步現(xiàn)象。一般來說對于電機(jī)起始轉(zhuǎn)速小于2 r/s時(shí)，根據(jù)負(fù)載情況可能不會出現(xiàn)失步或超步的現(xiàn)象。但在轉(zhuǎn)速較高、負(fù)載較大的情況下，為了避免失步或超步現(xiàn)象，通常采用加減速控制。加減速過程需要設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的起始頻率、穩(wěn)定頻率和加速時(shí)間，但是在控制中則需要計(jì)算出加速過程所需要的脈沖個(gè)數(shù)。對于加速過程有以下關(guān)系式：

經(jīng)過化簡計(jì)算得：

其中：fa為起始頻率，fΔ為每步增長的頻率，fb為穩(wěn)定頻率，t為加速時(shí)間，n為加速過程脈沖數(shù)量。

2.3 添加步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)和IOCTL接口

WinCE操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)借鑒了Windows 2000/XP操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從體系結(jié)構(gòu)上，它具有分層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，從上到下為應(yīng)用程序?qū)?、操作系統(tǒng)層、OEM層和硬件層。OEM層是邏輯上位于硬件和操作系統(tǒng)之間的一層硬件相關(guān)代碼。它的主要作用是對具體的硬件進(jìn)行抽象，抽象出統(tǒng)一的接口，然后WinCE內(nèi)核可以使用這些接口與硬件進(jìn)行通信，這樣在移植WinCE到新的硬件平臺時(shí)可以減少對操作系統(tǒng)的修改，通俗地說就是為WinCE操作系統(tǒng)抹平MCU的差異，使其能方便地移植到其他MCU上運(yùn)行。OEM抽象層(OAL)是整個(gè)OEM層的主體，它包含了高度硬件相關(guān)的代碼，OAL主要負(fù)責(zé)WinCE內(nèi)核與硬件交互。

為了能夠用WinCE的流接口驅(qū)動程序操作ARM處理器的FIQ中斷，需要修改WinCE系統(tǒng)OEM層中的OAL部分。在s2440.h文件中定義步進(jìn)電機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括起始頻率、穩(wěn)定頻率、上升脈沖數(shù)、剩余脈沖數(shù)、當(dāng)前上升/下降沿狀態(tài)等運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)變量。

在oemioctl.c文件中定義步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)的全局變量。為了使驅(qū)動程序可以訪問到此變量，使用WinCE系統(tǒng)的IOCTL接口。在WinCE5.0中，應(yīng)用程序和驅(qū)動程序可以通過調(diào)用KernelIoControl()函數(shù)來訪問WinCE內(nèi)核，導(dǎo)致調(diào)用OEMIoControl函數(shù)，這樣應(yīng)用程序和驅(qū)動程序就可以訪問到OAL中的資源了，可以說OEMIoControl是一個(gè)很有用的WinCE內(nèi)核輸入/輸出函數(shù)。在OEMIoControl函數(shù)中添加case語句使得驅(qū)動程序傳來的運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行/停止命令可以得到記錄和響應(yīng)，在更新參數(shù)命令處理中把運(yùn)行的參數(shù)賦值給步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)變量；在開始運(yùn)行命令處理中打開定時(shí)器FIQ中斷使能、設(shè)置定時(shí)器周期、開始定時(shí)器運(yùn)行；在停止命令中記錄停止信息使得在當(dāng)前脈沖循環(huán)完成后停止脈沖的輸出。

2.4 添加中斷處理過程代碼

由于在IOCTL的開始運(yùn)行命令處理中打開了定時(shí)器的FIQ中斷使能，當(dāng)定時(shí)器時(shí)間達(dá)到時(shí)，中斷服務(wù)程序不再是 OEMInterruptHandler，而是 FIQHandler。由FIQHandler調(diào)用OEMInterruptHandlerFIQ函數(shù)進(jìn)行處理。

在armtrap.s匯編文件中的FIQHandler入口處，調(diào)用OEMInterruptHandlerFIQ函數(shù)的前后應(yīng)該使用msr匯編指令添加禁止/使能FIQ中斷的操作。

在arminit.c文件的OEMInterruptHandlerFIQ函數(shù)中添加更新GPIO口輸出電平、脈沖計(jì)數(shù)、加減速/恒速狀態(tài)切換、定時(shí)器周期之更新等操作，如果當(dāng)前發(fā)送脈沖為最后一個(gè)脈沖的下降沿，則需要關(guān)閉FIQ的中斷使能，這樣當(dāng)脈沖發(fā)送完成后會產(chǎn)生普通IRQ中斷來觸發(fā)OEMInterruptHandler函數(shù)的調(diào)用，讓系統(tǒng)通知驅(qū)動程序當(dāng)前運(yùn)動任務(wù)的完成。

另外，還需要實(shí)現(xiàn)OEMInterruptEnable和OEMInterruptDisable函數(shù)來改變處理器中斷屏蔽寄存器。

2.5 驅(qū)動程序添加

驅(qū)動程序采用WinCE的普通流接口驅(qū)動程序，通過KernelIoControl接口對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和啟/?？刂疲谠O(shè)置參數(shù)之前應(yīng)該使用式(2)計(jì)算加/減速脈沖個(gè)數(shù)。

綜合以上過程，采用FIQ中斷的處理流程圖如圖2所示。

3 試驗(yàn)測試

文章采用Windows CE5.0嵌入式操作系統(tǒng)，結(jié)合ARM處理器的FIQ中斷機(jī)制，完成了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動程序的實(shí)現(xiàn)，在這種機(jī)制下，很好地克服了采用普通IRQ中斷的驅(qū)動程序?qū)崟r(shí)性能不高的問題，可以在實(shí)時(shí)性能要求較高的應(yīng)用場合中應(yīng)用。在試驗(yàn)過程中可以看到，使用本文提出的采用FIQ中斷的驅(qū)動程序，可以平穩(wěn)地輸出120 kHz的脈沖，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器最高輸入脈沖頻率的20 kHz。

本文針對采用普通IRQ中斷的驅(qū)動程序?qū)崟r(shí)性能不高的問題，實(shí)現(xiàn)了使用ARM處理器的FIQ中斷來開發(fā)驅(qū)動程序。使用普通IRQ中斷的驅(qū)動程序來發(fā)送脈沖時(shí)，由于中斷優(yōu)先級和響應(yīng)時(shí)間的問題，步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生劇烈振動，導(dǎo)致根本不能在實(shí)際應(yīng)用中使用。實(shí)踐證明，驅(qū)動程序使用FIQ中斷是穩(wěn)定的且能獲得比IRQ中斷更好的實(shí)時(shí)性能，合理采用可以替代某些場合中的專用芯片或PLD芯片，以節(jié)約成本，降低功耗。

[1]盧愛臣，王劍宇，郭偉，等.基于 WinCE自動控制臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2011(2)：87-88.

[2]微軟公司.Windows CE設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)指南[M].北京：北京希望電子出版社，1999.

[3]杜春蕾.ARM體系結(jié)構(gòu)與編程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[4]何宗鍵.Windows CE嵌入式系統(tǒng)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.