曾勇

（中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036）

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，低速串行設(shè)備動態(tài)擴(kuò)展和多低速串行設(shè)備全雙工通信技術(shù)在嵌入式領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。利用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA（Field Programmable Gates Army）完全可以將若干接口電路的功能集成到一片F(xiàn)PGA中，這不僅具有集成度高、體積小和功耗低等優(yōu)點(diǎn)，而且還具有用戶可編程能力，同時還可實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能重構(gòu)以及項目過程中一些特殊低速串行設(shè)備傳輸方式，這是專用低速串行設(shè)備實(shí)現(xiàn)芯片所不具備的功能。

嵌入式系統(tǒng)一般采用PowerPC+FPGA的架構(gòu)方式，F(xiàn)PGA主要完成底層接口協(xié)議處理，PowerPC的任務(wù)主要實(shí)現(xiàn)控制功能。FPGA與PowerPC通過內(nèi)部總線（Local Bus）方式連接，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)基于總線的時序操作；采用內(nèi)存映射方式，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)的多個低速串行設(shè)備的設(shè)置、操作寄存器以及FIFO的入口出口映射為PowerPC可尋址的一段內(nèi)存空間，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方法采用中斷復(fù)用方式或者使用多個Po werPC中斷號。

在驅(qū)動程序傳統(tǒng)開發(fā)過程中，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)的多個低速串行設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計不受驅(qū)動體系約束，只是簡單地根據(jù)上層應(yīng)用的需求提供接口，導(dǎo)致應(yīng)用程序代碼可移植性、可讀性差，開發(fā)流程并行度不高，層次性不明確。實(shí)際調(diào)試過程中則需要應(yīng)用程序人員、驅(qū)動開發(fā)人員同時對各自的程序進(jìn)行修改、重新編譯。

本文在原有工程基礎(chǔ)上對FPGA驅(qū)動程序進(jìn)行了更改、封裝，實(shí)現(xiàn)了基于FPGA的多個低速串行設(shè)備在VxWorks系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)I/O設(shè)備驅(qū)動，并在此基礎(chǔ)上提出了一種低速串行設(shè)備驅(qū)動層次化設(shè)計方法。

1 低速串行設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計

在VxWorks中，串行設(shè)備是一種特殊字符設(shè)備。與字符設(shè)備不同的是，串行設(shè)備的驅(qū)動程序并不是直接掛在I/O系統(tǒng)中，而是通過虛擬設(shè)備ttyDrv來使用[1]。ttyDrv與I/O系統(tǒng)以及真實(shí)驅(qū)動程序之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 ttyDrv與I/O系統(tǒng)以及真實(shí)驅(qū)動程序關(guān)系

ttyDrv和 tyLib實(shí)現(xiàn)了以下的功能[2]：（1）I/O 系統(tǒng)請求 （在驅(qū)動表中增加入口函數(shù)，創(chuàng)建設(shè)備描述符等）；（2）管 理 I/O系 統(tǒng) 的 入 口 函 數(shù) ， 如 tyOpen，ttyIoctl，tyRead，tyWrite等；（3）管理 selectLib 的調(diào)用；（4）管理數(shù)據(jù)緩沖區(qū)以及緩沖區(qū)上的線程同步互斥；（5）ttyDrv處理 open 和 ioctl操 作 （ttyOpen and ttyIoctl）；（6）tyLib 處理 read和write操作（tyRead and tyWrite）。

真實(shí)的低速串行設(shè)備驅(qū)動函數(shù) （xxDrv）通過ttyDrv安裝的回調(diào)函數(shù)在I/O系統(tǒng)和設(shè)備之間移動數(shù)據(jù)；tyLib提供了 2個回調(diào)函數(shù)（tyITx和 tyIRd）。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動程序的構(gòu)造

SIO_DRV_FUNCS結(jié)構(gòu)體是串行設(shè)備驅(qū)動程序的一個重要的組成部分，它是驅(qū)動函數(shù)的入口，在串行設(shè)備的驅(qū)動程序中必須要有一個包含指向SIO_DRV_FUNCS指針的結(jié)構(gòu) （xx_CHAN），xx_CHAN包含了 xxDrv中所需要的設(shè)備特定信息，以及提供給高層函數(shù)的底層操作函數(shù)；由于系統(tǒng)不知道驅(qū)動函數(shù)中所使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，VxWorks提供了一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)SIO_CHAN來進(jìn)行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換[3]。SIO_CHAN結(jié)構(gòu)僅定義了一個指向SIO_DRV_FUNCS結(jié)構(gòu)體的指針。

FPGA實(shí)現(xiàn)的多個低速串行設(shè)備驅(qū)動程序的結(jié)構(gòu)構(gòu)造實(shí)例如下：

1.2 驅(qū)動函數(shù)和回調(diào)函數(shù)的掛接

ttyDrv通過SIO_DRV_FUNCS提供的入口對 xxDrv的服務(wù)進(jìn)行訪問，xxDrv通過回調(diào)函數(shù)來訪問ttyDrv提供的服務(wù)[4]。xxDrv驅(qū)動函數(shù)在 SIO_DRV_FUNCS中的掛接實(shí)例如下：

1.3 驅(qū)動程序標(biāo)準(zhǔn)操作函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)寫函數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)的I/O系統(tǒng)寫函數(shù)write（）調(diào)用tyWrite（）函數(shù)——ttyDrv加載在驅(qū)動表中的寫入口函數(shù)，tyWrite（）函數(shù)將數(shù)據(jù)放入環(huán)形緩沖隊列中并調(diào)用驅(qū)動函數(shù)fpgaTxStartup（）發(fā)起一次傳輸過程。write函數(shù)的調(diào)用關(guān)系如圖2所示。

圖2 write函數(shù)的調(diào)用關(guān)系

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)讀函數(shù)

通過中斷方式從FPGA生成的FIFO出口地址讀取數(shù)據(jù)，通過綁定的回調(diào)函數(shù)將數(shù)據(jù)傳送到接收環(huán)形緩沖隊列中，并調(diào)用ttyDrv加載在驅(qū)動表中的讀入口函數(shù)tyRead（）驅(qū)動函數(shù)，通知阻塞的I/O系統(tǒng)寫函數(shù) read（）函數(shù)完成一次傳輸過程。read函數(shù)的調(diào)用關(guān)系如圖3所示。

圖3 read函數(shù)的調(diào)用關(guān)系

1.3.3 I/O操作函數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)的 I/O系統(tǒng)寫函數(shù) ioctl（）調(diào)用 ttyIoctl（）函數(shù)，ttyIoctl（）函數(shù)調(diào)用 FPGAIoctl（）進(jìn)行操作，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需要實(shí)現(xiàn)部分設(shè)置項。I/O操作函數(shù)的調(diào)用關(guān)系如圖4所示。

圖4 I/O操作函數(shù)調(diào)用關(guān)系

2 低速串行設(shè)備的加載

（1）根據(jù)實(shí)際需求修改config.h中NUM_TTYS宏；

（2）參照 sysSerialHwInit（）函數(shù)實(shí)現(xiàn) FpgaSerialHwInit（），對NUM_TTYS個低速串行設(shè)備結(jié)構(gòu)體FPGA_CHAN進(jìn)行初始化以及驅(qū)動函數(shù)和回調(diào)函數(shù)的掛接；

（3）參 照 sysSerialHwInit2 （）函 數(shù) 實(shí) 現(xiàn)FpgaSerialHwInit2（），掛接中斷處理函數(shù) fpgaRcvInt（）；

（4）調(diào)用 ttyDevCreate（）函數(shù)創(chuàng)建 tty設(shè)備，添加設(shè)備驅(qū)動表，生成環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，安裝回調(diào)函數(shù)tyITx（）和tyIRd（）。

3 低速串行設(shè)備驅(qū)動層次化設(shè)計方法

在不同的系統(tǒng)設(shè)計中，PowerPC和FPGA硬件連接方式不盡相同，如不同的片選信號、總線上數(shù)據(jù)線高低位的不同接法，中斷管腳接法的不同，導(dǎo)致FPGA實(shí)現(xiàn)的寄存器映射地址及使用的中斷號存在差異；針對不同的應(yīng)用程序和應(yīng)用場所，外部接口對應(yīng)的設(shè)備也會發(fā)生相應(yīng)的變化。以上這些都會破壞程序的獨(dú)立性、設(shè)備無關(guān)性。需要對驅(qū)動程序、應(yīng)用程序進(jìn)行重新編譯、燒寫，不利于版本的管理以及外場設(shè)備的維護(hù)。這是在設(shè)備驅(qū)動設(shè)計中需要考慮的一個問題。

由此本文提出了一種層次化的低速串行設(shè)備驅(qū)動設(shè)計方法。將驅(qū)動程序的實(shí)現(xiàn)分為三層，硬件分離層、設(shè)備加載層和功能描述層，各自實(shí)現(xiàn)的功能如下：

（1）硬件分離層：通過XML文件實(shí)現(xiàn)低速串行驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)初始化和硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)差異的分離；

（2）設(shè)備加載層：實(shí)現(xiàn)低速串行設(shè)備在 VxWorks系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)I/O設(shè)備驅(qū)動的加載；

（3）功能描述層：通過XML文件實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序和低速串行設(shè)備之間的映射關(guān)系以及串行設(shè)備功能的描述。

低速串行設(shè)備驅(qū)動層次化設(shè)計方法流程如圖5所示。

圖5 低速串行設(shè)備驅(qū)動層次化設(shè)計方法流程

3.1 層次化設(shè)計驅(qū)動程序的實(shí)現(xiàn)

嵌入式操作系統(tǒng)中，通常都使用Flash作為主存介質(zhì)。在Flash上建立TFFS文件系統(tǒng)，建立文件系統(tǒng)后，類似于在Windows操作系統(tǒng)下對硬盤操作一樣，進(jìn)行數(shù)據(jù)的拷貝、刪除以及文件的建立等操作。XML作為配置文件的主要優(yōu)點(diǎn)是改變參數(shù)配置時不需要改變和重新編譯應(yīng)用程序，只需在XML文件中更改就可以了。TinyXML是一個簡單小巧、且很容易集成到其他程序中的C++XML解析器。即TinyXML解析一個XML文檔并由此生成一個可讀、可修改、可保存的文檔對象模型（DOM）。本文的實(shí)現(xiàn)過程中使用TinyXML對XML文檔進(jìn)行解析。

低速串行設(shè)備驅(qū)動層次化設(shè)計方法建立在文件系統(tǒng)之上，VxWorks可以動態(tài)地加載用戶程序，并在系統(tǒng)中加入對XML文件進(jìn)行解析和存儲的功能。

硬件分離層：FpgaSerialHwInit（）通過讀取設(shè)備對應(yīng)的BSP_Config.xml文件，對多個低速串行設(shè)備結(jié)構(gòu)體FPGA_CHAN中的各個寄存器地址進(jìn)行初始化以及驅(qū)動函數(shù)和回調(diào)函數(shù)的掛接。

設(shè)備加載層：實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)I/O設(shè)備驅(qū)動的加載。

功能描述層：應(yīng)用程序通過讀取USER_Config.xml文件，獲取設(shè)備的對外連接狀態(tài)及設(shè)備提供的功能，對多個低速串行設(shè)備read、write以及ioctl等操作。

通常設(shè)備驅(qū)動人員只需要進(jìn)行對BSP_Config.xml和USER_Config.xml兩個配置文件進(jìn)行修改、更新。

3.2 XML配置文件的設(shè)計及實(shí)現(xiàn)

BSP_Config.xml文件格式示例如下：的層次化設(shè)計方法，通過驅(qū)動程序功能分層設(shè)計方式，屏蔽各層的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，克服了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程中，由于設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計不受驅(qū)動體系約束帶來的程序代碼的可移植性、可讀性差，開發(fā)流程并行度不高，層次性不明確等不足之處；在實(shí)際的工程實(shí)現(xiàn)中節(jié)約了開發(fā)時間，極大地提高了效率。

[1]Vxworks kernel programmers guide[Z].Wind River Systems Inc，2006.

[2]Vxworks device driver developers guide[Z].Wind River Systems Inc，2006.

[3]內(nèi)核示例源代碼[Z].Wind River Systems Inc，2006.

[4]陳智育，等.VxWorks程序開發(fā)實(shí)踐[M].北京：人民郵電出版社，2004.