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)技術學院 機電工程學院，浙江 臺州318000；3.安徽省滁州市第一職業(yè)高級中學，安徽 滁州239002)

Microsoft Windows CE是一個 32位、緊湊、高效、可擴展的操作系統(tǒng)，適用于各種嵌入式系統(tǒng)和產品。它擁有多線程、多任務、確定性的實時、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，它的模塊化設計方式使得系統(tǒng)開發(fā)人員和應用開發(fā)人員能夠為多種多樣的產品來定制它，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航儀等消費類電子中得到了廣泛的應用。在工業(yè)控制方面，有少數(shù)廠家以它作為內核開發(fā)工業(yè)控制器，也有一些廠家只是作為終端顯示設備。在外圍沒有CPLD、FPGA或DSP協(xié)同工作的情況下，對于實時性較高的應用場合一般不會選擇WinCE。

本文以步進電機驅動程序為例，針對普遍使用的IRQ中斷，提出用ARM處理器的FIQ中斷在實時性能要求高的場合中的應用方法，可以大大提高控制系統(tǒng)實時處理能力，進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

對于一個硬件中斷，系統(tǒng)內核在捕獲之后，會交給OEMInterruptHandler函數(shù)處理，這個函數(shù)就是實現(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中直接對中斷源進行判斷，然后調用服務程序。

另一種中斷處理辦法是應用程序建立中斷服務線程(IST)，然后申請一個系統(tǒng)邏輯中斷號(SYSINTR)，創(chuàng)建一個事件(Event)，使用InterruptInitialize函數(shù)將 Event與SYSINTR綁定，隨后 IST阻塞在等待Event上面。當硬件中斷發(fā)生后，OEMInterruptHandler只給系統(tǒng)返回一個SYSINTR，用來標記需要哪個程序來服務中斷，系統(tǒng)根據綁定關系激活相應的Event，使得隨后的 IST得以運行。在中斷處理完成之后需要調用 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閉、系統(tǒng)被鎖定的時間最短。此外，還需要實現(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。

當使用上文所述IRQ中斷服務程序結構時，為了使實時性更好，采用直接在OEMInterruptHandler中對中斷源進行處理的方式對步進電機驅動器Q2HB44MA和步進電機57BYGHM403進行控制。由于中斷優(yōu)先級和響應速度的原因，步進電機在旋轉過程中產生劇烈振動，根本無法在實際應用場合中使用。

2 FIQ中斷驅動程序在WinCE系統(tǒng)中的實現(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同時產生，那么先處理FIQ。當CPU處于FIQ模式處理FIQ中斷的過程中，預取指令異常，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，不會被其他異常或者中斷打斷。而IRQ不一樣，當ARM處于IRQ模式處理IRQ中斷時，如果來了一個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 步進電機加減速實現(xiàn)

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

經過化簡計算得：

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為加速時間，n為加速過程脈沖數(shù)量。

2.3 添加步進電機結構和IOCTL接口

WinCE操作系統(tǒng)設計借鑒了Windows 2000/XP操作系統(tǒng)的設計，從體系結構上，它具有分層結構的特點，從上到下為應用程序層、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代碼。它的主要作用是對具體的硬件進行抽象，抽象出統(tǒng)一的接口，然后WinCE內核可以使用這些接口與硬件進行通信，這樣在移植WinCE到新的硬件平臺時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上運行。OEM抽象層(OAL)是整個OEM層的主體，它包含了高度硬件相關的代碼，OAL主要負責WinCE內核與硬件交互。

為了能夠用WinCE的流接口驅動程序操作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文件中定義步進電機數(shù)據結構，包括起始頻率、穩(wěn)定頻率、上升脈沖數(shù)、剩余脈沖數(shù)、當前上升/下降沿狀態(tài)等運行參數(shù)和狀態(tài)變量。

在oemioctl.c文件中定義步進電機結構的全局變量。為了使驅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，應用程序和驅動程序可以通過調用KernelIoControl()函數(shù)來訪問WinCE內核，導致調用OEMIoControl函數(shù)，這樣應用程序和驅動程序就可以訪問到OAL中的資源了，可以說OEMIoControl是一個很有用的WinCE內核輸入/輸出函數(shù)。在OEMIoControl函數(shù)中添加case語句使得驅動程序傳來的運行參數(shù)和運行/停止命令可以得到記錄和響應，在更新參數(shù)命令處理中把運行的參數(shù)賦值給步進電機結構變量；在開始運行命令處理中打開定時器FIQ中斷使能、設置定時器周期、開始定時器運行；在停止命令中記錄停止信息使得在當前脈沖循環(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的開始運行命令處理中打開了定時器的FIQ中斷使能，當定時器時間達到時，中斷服務程序不再是 OEMInterruptHandler，而是 FIQHandler。由FIQHandler調用OEMInterruptHandlerFIQ函數(shù)進行處理。

在armtrap.s匯編文件中的FIQHandler入口處，調用OEMInterruptHandlerFIQ函數(shù)的前后應該使用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、脈沖計數(shù)、加減速/恒速狀態(tài)切換、定時器周期之更新等操作，如果當前發(fā)送脈沖為最后一個脈沖的下降沿，則需要關閉FIQ的中斷使能，這樣當脈沖發(fā)送完成后會產生普通IRQ中斷來觸發(fā)OEMInterruptHandler函數(shù)的調用，讓系統(tǒng)通知驅動程序當前運動任務的完成。

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

2.5 驅動程序添加

驅動程序采用WinCE的普通流接口驅動程序，通過KernelIoControl接口對步進電機進行參數(shù)設置和啟/?？刂?，在設置參數(shù)之前應該使用式(2)計算加/減速脈沖個數(shù)。

綜合以上過程，采用FIQ中斷的處理流程圖如圖2所示。

3 試驗測試

文章采用Windows CE5.0嵌入式操作系統(tǒng)，結合ARM處理器的FIQ中斷機制，完成了步進電機驅動程序的實現(xiàn)，在這種機制下，很好地克服了采用普通IRQ中斷的驅動程序實時性能不高的問題，可以在實時性能要求較高的應用場合中應用。在試驗過程中可以看到，使用本文提出的采用FIQ中斷的驅動程序，可以平穩(wěn)地輸出120 kHz的脈沖，遠遠超過普通步進電機驅動器最高輸入脈沖頻率的20 kHz。

本文針對采用普通IRQ中斷的驅動程序實時性能不高的問題，實現(xiàn)了使用ARM處理器的FIQ中斷來開發(fā)驅動程序。使用普通IRQ中斷的驅動程序來發(fā)送脈沖時，由于中斷優(yōu)先級和響應時間的問題，步進電機產生劇烈振動，導致根本不能在實際應用中使用。實踐證明，驅動程序使用FIQ中斷是穩(wěn)定的且能獲得比IRQ中斷更好的實時性能，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自動控制臺的設計與實現(xiàn)[J].微計算機信息，2011(2)：87-88.

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

[3]杜春蕾.ARM體系結構與編程[M].北京：清華大學出版社，2003.

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