VxWorks下MPC8270可加載串口驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

摘 要：以基于MPC8270串口驅(qū)動(dòng)為例，分析了VxWorks下串口驅(qū)動(dòng)的層次和機(jī)理，研究了ttyDrv驅(qū)動(dòng)和MPC8270的SCC接口的工作原理。通過(guò)對(duì)可加載串口通信驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)際編寫，詳細(xì)描述了MPC8270體系結(jié)構(gòu)微處理器的串口驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)基本方法、步驟，實(shí)現(xiàn)了串口驅(qū)動(dòng)程序與系統(tǒng)內(nèi)核啟動(dòng)的分離。

關(guān)鍵詞：VxWorks；MPC8270；串口驅(qū)動(dòng)；SCC

中圖分類號(hào)：TP31

VxWorks是一款微內(nèi)核、高性能、可裁剪的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，廣泛地應(yīng)用在通信、航空、制造等實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中。VxWorks下的串口驅(qū)動(dòng)程序的一般是通過(guò)對(duì)板級(jí)支持包（BSP）中文件的修改嵌入到操作系統(tǒng)內(nèi)核中，每次修改必須重新編譯操作系統(tǒng)，這種方式不僅浪費(fèi)大量時(shí)間，而且無(wú)法準(zhǔn)確定位錯(cuò)誤不方便調(diào)試。本文在VxWorks系統(tǒng)下，以MPC8270高性能PowerPC處理器為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了基于MPC8270的SCC接口多路串口驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的串口驅(qū)動(dòng)程序作為可加載的模塊在操作系統(tǒng)啟動(dòng)后以庫(kù)文件的形式加載，不涉及BSP文件的修改，同時(shí)可以方便的使用Tornado的Target Shell工具進(jìn)行調(diào)試。

1 MPC8270處理器

MPC8270是一款通用的高性能嵌入式處理器，它主要由主處理器G2-LE內(nèi)核、系統(tǒng)接口單元（SIU）和通信處理模塊（CPM）組成，具體內(nèi)容包括：

（1）G2-LE內(nèi)核是精簡(jiǎn)指令集（RISC）處理器系列中的一種低功耗實(shí)現(xiàn)，具有16K指令緩存和16K數(shù)據(jù)緩存；

（2）SIU包含一條可配置的64位60x總線、一條32位局部總線（local bus）和存儲(chǔ)控制器等；

（3）CPM包括一個(gè)嵌入式32位RISC處理器CP、2個(gè)串行DMA（SDMA）通道、3個(gè)全雙工串行快速通信控制器（FCC）、1個(gè)多通道控制器（MCC）、4個(gè)全雙工串行通信控制器（SCC）、兩個(gè)全雙工串行管理控制器（SMC）、1個(gè)串行外圍接口（SPI）、1個(gè)I2C總線控制器和1個(gè)時(shí)隙分配器（TSA）等。

2 VxWorks串口驅(qū)動(dòng)程序的架構(gòu)

在VxWorks體系結(jié)構(gòu)中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)模式一般是分層設(shè)計(jì)的，分為應(yīng)用層、虛擬驅(qū)動(dòng)層和設(shè)備驅(qū)動(dòng)層。其中最重要的就是操作系統(tǒng)內(nèi)核提供虛擬驅(qū)動(dòng)層。它將用戶層和設(shè)備驅(qū)動(dòng)層隔離開(kāi)來(lái)，這種隔離使得底層驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)人員只需根據(jù)系統(tǒng)給出的接口實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序，并將其掛接到虛擬設(shè)備層上即可。

串行設(shè)備是一種特殊的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，在串口驅(qū)動(dòng)程序中與硬件設(shè)備無(wú)關(guān)的虛擬驅(qū)動(dòng)層由WindRiver在VxWorks的虛擬設(shè)備ttyDrv中實(shí)現(xiàn)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 串行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)模式

虛擬驅(qū)動(dòng)層ttyDrv管理著I/O系統(tǒng)和真實(shí)系統(tǒng)之間的通信，負(fù)責(zé)與實(shí)際的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行信息交換。其主要功能包括：

（1）向I/O系統(tǒng)注冊(cè)讀寫和控制函數(shù)。注冊(cè)是在ttyDrv（）函數(shù)中完成的。而ttyDrv則調(diào)用iosDrvInstall完成其注冊(cè)功能。其對(duì)I/O系統(tǒng)注冊(cè)的讀寫和控制函數(shù)關(guān)系如表1：

表1 虛擬驅(qū)動(dòng)層與I/O函數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

虛擬驅(qū)動(dòng)層功能上層函數(shù)

ttyOpentty設(shè)備打開(kāi)函數(shù)open

ttyClosetty設(shè)備關(guān)閉函數(shù)Close

ttyReadtty設(shè)備字符讀取函數(shù)Read

ttyWritetty設(shè)備字符發(fā)送函數(shù)Write

ttyIoctltty設(shè)備控制函數(shù)Ioctl

（2）向設(shè)備驅(qū)動(dòng)層注冊(cè)回調(diào)函數(shù)。

3 驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

3.1 SCC的工作原理

CPM有兩個(gè)雙口RAM，其中0X8000～0X9000這兩個(gè)BANK存放的是參數(shù)RAM；在這段內(nèi)存中，F(xiàn)CC、SCC、SMC、SPI等的參數(shù)RAM的首地址都存放在固定的偏移地址中，對(duì)于SCC1而言，需要將參數(shù)RAM的首地址的值存入到相對(duì)雙端口RAM偏移為0x8000的內(nèi)存中。這樣CPM就可以通過(guò)參數(shù)RAM索引找到SCC的參數(shù)RAM，進(jìn)而對(duì)SCC進(jìn)行相應(yīng)操作。參數(shù)RAM中具體包括：發(fā)送/接收緩沖區(qū)描述符（TxBD/RxBD）、RFCR、TFCR、MRBLR 、RSTATE、RBPTR、TSTATE、TBPTR、RCRC、TCRC，其結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 SCC內(nèi)存結(jié)構(gòu)

SCC配置成串口模式的具體流程：

（1）完成參數(shù)RAM的配置，確定發(fā)送/接收緩沖區(qū)描述符（TxBD/RxBD）具體空間地址；

（2）完成CPU I/O通用端口管腳的配置，CPM包含4個(gè)通用目的I/O端口：PA、PB，PC，PD。端口時(shí)每個(gè)引腳都可用于通用目的I/O信號(hào)或外設(shè)接口信號(hào)；

（3）為SCC配置波特率發(fā)生器其提供內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)；

（4）設(shè)置SCC模式寄存器GSMR，SCC工作在URAT模式下，同時(shí)將TEN、REN比位置1使能SCC的發(fā)送和接收中斷。

3.2 驅(qū)動(dòng)程序的具體流程

可加載的串口SCC驅(qū)動(dòng)程序可以完全脫離移植板級(jí)支持包來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要完成將通信處理模塊CPM的SCC配置成UART控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備間通過(guò)串口的通信。本驅(qū)動(dòng)程序基于VxWorks系統(tǒng)下的庫(kù)文件sysSerial.c、m8260Sio.c和m8260Sio.h編寫而成，實(shí)現(xiàn)了初始化、回調(diào)函數(shù)及其所需要的結(jié)構(gòu)體、回調(diào)安裝函數(shù)、發(fā)送接收函數(shù)、I/O控制函數(shù)和中斷服務(wù)程序。其中m8260Sio.h是vxWorks下通用的驅(qū)動(dòng)程序文件。m8260Sio.c用來(lái)實(shí)現(xiàn)基本的串口操作的功能，是SCC設(shè)備UART驅(qū)動(dòng)的主體。syserial.c是串口驅(qū)動(dòng)的配置文件，在邏輯上屬于m8260Sio.c的上一級(jí)接口，其具體流程如圖3：

圖3 串口驅(qū)動(dòng)的操作流程

在m8260sio.h中定義了SCC設(shè)備串行I/O通道的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)M8260_SCC_CHAN，M8260_SCC_CHAN結(jié)構(gòu)體中包括了配置SCC設(shè)備相關(guān)的寄存器以及底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)pDrvFuncs。開(kāi)發(fā)人員如果需要修改串口驅(qū)動(dòng)程序的收發(fā)BD數(shù)目、基址以及SCC通道號(hào)，只需重新配置m8260sio.h中的SCC設(shè)備相關(guān)寄存器的值就可以實(shí)現(xiàn)。

m8260Sio.c用來(lái)實(shí)現(xiàn)基本的串口操作的功能，包括回調(diào)函數(shù)及其所需要的結(jié)構(gòu)體、回調(diào)安裝函數(shù)、發(fā)送接收函數(shù)、I/O控制函數(shù)和中斷服務(wù)程序，m8260SioDrvFuncs結(jié)構(gòu)體中封裝了串口所需的所有函數(shù)，具體實(shí)現(xiàn)如下：

（1）m8260SioIoctlUser（），該函數(shù)通過(guò)對(duì)BRG寄存器操作實(shí)現(xiàn)設(shè)置或獲得波特率；通過(guò)對(duì)寄存器SCCE和SCCM操作實(shí)現(xiàn)禁止和使能發(fā)送、接收中斷；通過(guò)對(duì)模式寄存器PSMR的操作完成包括數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度、停止位以及奇偶校驗(yàn)的設(shè)置。

（2）m8260SioResetChannelUser（），此函數(shù)完成SCC通道初始化，首先初始化參數(shù)RAM中的參數(shù)，建立TxBD、RxBD并初始化每個(gè)BD，包括狀態(tài)/控制字、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)地址；接著設(shè)置SMC模式寄存器GSMRH和GSML，使SMC工作在URAT模式，1個(gè)停止位和8個(gè)數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度，發(fā)送FIFO 是1個(gè)字節(jié)，接收FIFO是8個(gè)字節(jié)，同時(shí)將TEN、REN比特位置1，使能SCC發(fā)送器和接收器；最后設(shè)置SCCE清除SCC所有的中斷及響應(yīng)事件，設(shè)置SCCM屏蔽發(fā)送、接收中斷。

（3）m8260SioIntUser（），此函數(shù)為串口的中斷服務(wù)程序，當(dāng)串口產(chǎn)生中斷時(shí)間進(jìn)入此函數(shù)，首先將SCCM比特位置0屏蔽SCC中斷，當(dāng)處于接收狀態(tài)時(shí)，SCC等待第1個(gè)接收字符。如果第1個(gè)RxBD為空，則開(kāi)始將接收字符存入緩沖區(qū)中。若接收緩沖區(qū)滿或者接收到的空閑字符超過(guò)MAX_IDL所設(shè)置的最大空閑字符，則SCC清空狀態(tài)字的比特位同時(shí)發(fā)出中斷請(qǐng)求。當(dāng)接收數(shù)據(jù)超過(guò)緩沖區(qū)長(zhǎng)度，SCC將會(huì)讀取下一個(gè)空閑的RxBD，繼續(xù)將接收數(shù)據(jù)存入此RxBD的緩沖區(qū)中；當(dāng)處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)，SCC通過(guò)對(duì)TxBD的狀態(tài)/控制字的讀取判斷是否有數(shù)據(jù)發(fā)送，如果有發(fā)送請(qǐng)求，則讀取TxBD的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度確定需要發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，從緩沖區(qū)地址取出數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，同時(shí)向CPM發(fā)中斷請(qǐng)求。

（4）m8260SioStartupUser（）、m8260SioPollInputUser（）、m8260SioPollOutputUser（）等3個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)在檢查SCC通道狀態(tài)后，完成串口查詢模式下的發(fā)送或接收，其具體過(guò)程與中斷方式下的相同，

（5）m8260SioCallbackInstallUser（），串口回調(diào)函數(shù)。

syserial.c是串口驅(qū)動(dòng)的配置文件，在邏輯上屬于m8260Sio.c的上一級(jí)接口。該文件中的ttyDevInit（）通過(guò)調(diào)用ttyDevInit0（）和ttyDevInit1（）將串口初始化到一個(gè)靜止?fàn)顟B(tài)并通過(guò)調(diào)用ttyDevCreate（）向操作系統(tǒng)注冊(cè)例程。

具體的函數(shù)功能以及實(shí)現(xiàn)如下：

（1）ttyDevInit0（），首先配置管腳資源，設(shè)置CMXSCR寄存器將SCC配置成NMSI模式，選擇SCC所使用的波特率發(fā)生器；接著將SCC參數(shù)RAM的內(nèi)存首地址存入雙口RAM偏移0x8000的內(nèi)存中；完成以上操作后配置SCC設(shè)備相關(guān)的寄存器以及安裝底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)pDrvFuncs。

（2）ttyDevInit1（），將SCC中斷向量號(hào)與相應(yīng)的中斷處理函數(shù)m8260SioIntUser進(jìn)行連接，同時(shí)設(shè)置SCCE、SCCM使能發(fā)送和接收中斷事件。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了VxWorks操作系統(tǒng)下基于MPC8270可加載串口設(shè)備驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)方法，作為可加載的應(yīng)用程序在VxWorks系統(tǒng)內(nèi)核啟動(dòng)后運(yùn)行，基本不涉及BSP文件的修改，方便了用戶驅(qū)動(dòng)程序的加入與調(diào)試，縮短了開(kāi)發(fā)周期，本串口驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用和測(cè)試，在整個(gè)系統(tǒng)中運(yùn)行穩(wěn)定，可作為VxWorks下一般串口驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]Motorola.MPC8280PowerQUICC II TMFamily Reference Manual[Z].2004.

[2]Wind River.VxWorks BSPDeveloper，s Guide5.5[Z].2002.

[3]Wind River.TornadoTMPBSP Training Workshop[Z].2002.

作者簡(jiǎn)介：孫志穎（1987-），男，陜西西安人，碩士，研究方向：嵌入式系統(tǒng)，助理工程師；林木（1981-），男，陜西西安人，本科，研究方向：嵌入式系統(tǒng)，工程師。

作者單位：中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安 710119