在PowerPC上實(shí)現(xiàn)I2C控制及實(shí)現(xiàn)設(shè)備間通信的方法

摘要：車輛顯控系統(tǒng)的控制主板選用高性能PowerPC MPC8548E處理器，擴(kuò)展了顯示器、內(nèi)存、Flash存儲器和接口設(shè)備。以此主板為平臺，實(shí)現(xiàn)了車輛數(shù)據(jù)和視頻的實(shí)時(shí)顯示和控制。本文重點(diǎn)闡述了在PowerPC上用軟件實(shí)現(xiàn)I2C控制以及通過PCI總線實(shí)現(xiàn)設(shè)備間通信的方法。

車輛顯控系統(tǒng)是對車輛工作狀態(tài)信息進(jìn)行顯示、控制，并完成人機(jī)交互的系統(tǒng)。車輛顯控系統(tǒng)需要在顯示文字、圖形和視頻的同時(shí)響應(yīng)按鍵操作，并對車輛控制系統(tǒng)進(jìn)行操控。這就要求系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)響應(yīng)、并行處理多個(gè)任務(wù)的能力。本文在以PowerPC MPC8548E為處理器的控制主板上應(yīng)用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)響應(yīng)系統(tǒng)操作、顯示相應(yīng)信息的功能。以此主板為核心控制主板的顯控系統(tǒng)，具有高性能、高穩(wěn)定性和良好的兼容性。

1 PowerPC MPC8548及其控制主板概述

PowerPC MPC8548是Freescale公司開發(fā)的新一代PowerQUICC III系列的高性能處理器。其內(nèi)部工作頻率可達(dá)1.33 GHz，在該工作頻率上處理性能可達(dá)3 065MIPS。一級緩存有指令緩存和數(shù)據(jù)緩存各32 KB，二級緩存為512 KB，支持DDR1和DDR2存儲器控制器，支持PCI、PCI-X和PCIE接口，支持SRapid IO接口和4個(gè)GbE接口。MPC8548不僅擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，還具有很強(qiáng)的通信處理能力，可靠性高，抗惡劣環(huán)境能力好，特別適合對網(wǎng)絡(luò)性能要求較高及有多個(gè)接口的場合。

車輛顯控系統(tǒng)的核心控制主板是以PowerPCMPC8548E為處理器的嵌入式系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過擴(kuò)展顯示器、內(nèi)存、Flash存儲器以及其他接口控制電路，構(gòu)成了高性能、高可靠性的核心控制主板。以此控制主板為硬件平臺，移植嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks，對接口設(shè)備驅(qū)動進(jìn)行二次開發(fā)，繼而以VxWorks為軟件開發(fā)平臺，開發(fā)應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)顯示和控制任務(wù)。

2 PowerPC控制主板硬件設(shè)計(jì)

如圖1所示，PowerPC控制主板硬件系統(tǒng)由處理器、外圍電路和外部接口設(shè)備組成。外圍電路包括電源、晶振和復(fù)位電路;外部接口電路包括串口、網(wǎng)口、EL/LVDS液晶顯示、16位PCI總線、USB接口、Flash、鼠標(biāo)和鍵盤等。

PowerPC控制主板硬件結(jié)構(gòu)圖

3 PowerPC控制主板軟件設(shè)計(jì)

車輛顯控系統(tǒng)是一個(gè)多任務(wù)的復(fù)雜的實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)，采用操作系統(tǒng)對所有軟硬件資源進(jìn)行分配、調(diào)度、控制和協(xié)調(diào)，尤其是協(xié)調(diào)并發(fā)活動，如任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理、同步機(jī)制、異常和中斷處理、任務(wù)間通信等。WindRiver公司(現(xiàn)被Intel收購)的VxWorks是一個(gè)實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)。VxWorks操作系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、汽車等行業(yè)，鑒于VxWorks對PowerPC處理器體系結(jié)構(gòu)的支持，使得應(yīng)用PowerPC處理器的嵌入式系統(tǒng)大多以其作為操作系統(tǒng)。因此，車輛顯控系統(tǒng)也采用VxWorks作為操作系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)是根據(jù)實(shí)際要求對硬件資源進(jìn)行配置和裁減而成的系統(tǒng)。由于嵌入式產(chǎn)品是軟硬件的結(jié)合體，且隨著產(chǎn)品的研制完成，軟件就已固化在硬件環(huán)境中，因此，軟硬件綜合開發(fā)是嵌入式系統(tǒng)的一大特點(diǎn)，而軟件設(shè)計(jì)是在緊密聯(lián)系硬件的基礎(chǔ)上完成的。

PowerPC控制主板的軟件設(shè)計(jì)遵循嵌入式軟件的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，分為如下兩部分：

①特殊設(shè)備驅(qū)動的開發(fā)，通用設(shè)備驅(qū)動程序的集成，即板級支持包BSP的開發(fā)。

②應(yīng)用程序的開發(fā)，即顯控任務(wù)的實(shí)現(xiàn)。

3.1 設(shè)備驅(qū)動開發(fā)

由于本系統(tǒng)的硬件平臺是根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)的，故必須根據(jù)實(shí)際的接口對設(shè)備驅(qū)動進(jìn)行開發(fā)。在VxWorks提供的通用設(shè)備驅(qū)動的架構(gòu)上，結(jié)合每個(gè)具體設(shè)備的工作原理和功能，以數(shù)據(jù)流為中心，在掌握設(shè)備與CPU及外接設(shè)備的通信方式后，對具體設(shè)備的驅(qū)動進(jìn)行逐一開發(fā)。設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)完成后，最終形成MPC8548E的板級支持包BSP。硬件設(shè)備程序的集成包括如下幾個(gè)方面。

(1)特殊設(shè)備驅(qū)動

一些特殊設(shè)備的驅(qū)動程序不在VxWorks配備的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備清單中，因此需自行開發(fā)，例如PCI線驅(qū)動、DDR內(nèi)存驅(qū)動和顯示驅(qū)動等。

(2)通用設(shè)備驅(qū)動

通用設(shè)備的驅(qū)動程序可以直接應(yīng)用VxWorks標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動，或在標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動的基礎(chǔ)上稍作改動即可，例如鼠標(biāo)、鍵盤、串口、以太網(wǎng)接口和USB接口等。

3.2 應(yīng)用程序開發(fā)

首先將車輛顯控系統(tǒng)要完成的任務(wù)分解為多個(gè)任務(wù)：按鍵查詢、界面切換、數(shù)據(jù)顯示、視頻顯示和參數(shù)存儲。應(yīng)用程序保證各任務(wù)按照規(guī)定的方式實(shí)時(shí)完成。PowerPC控制主板軟件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

PowerPC控制主板軟件結(jié)構(gòu)圖

按鍵查詢：定時(shí)查詢是否有鍵按下，如有，則向界面切換、數(shù)據(jù)顯示、視頻顯示和參數(shù)存儲發(fā)送消息，完成相應(yīng)的任務(wù)。

界面切換：切換到相應(yīng)界面。

數(shù)據(jù)顯示：顯示車輛控制系統(tǒng)在不同工作模式下的狀態(tài)。

視頻顯示：切換視頻通道，調(diào)節(jié)圖像的亮度、對比度，并進(jìn)行相關(guān)操作。

參數(shù)存儲：根據(jù)指令保存參數(shù)，或等間隔地將參數(shù)保存到緩存。

3.2.1 I2C接口控制的軟件實(shí)現(xiàn)

I2C總線是一種兩線式串行總線，主要應(yīng)用于微處理器外圍芯片的擴(kuò)展。它只需兩根線——串行數(shù)據(jù)線和串行時(shí)鐘線，即可實(shí)現(xiàn)微處理器與總線上具有I2C總線接口的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

I2C總線設(shè)備以其簡單性和有效性被廣泛使用。車輛顯控系統(tǒng)中用于模擬視頻顯示的視頻解碼器CCX25836就是其中之一。CCX25836的寄存器需要用I2C總線進(jìn)行配置，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用FPGA構(gòu)建了硬件I2C電氣結(jié)構(gòu)，在PowerPC控制主板上用軟件模擬視頻解碼器所需的I2C讀寫流程，設(shè)置其寄存器，從而實(shí)現(xiàn)視頻通道的切換、亮度和對比度的調(diào)整等視頻顯示功能。I2C讀、寫流程如圖3、圖4所示，通過I2C總線設(shè)置亮度、對比度的流程如圖5所示。

I2C讀、寫流程

3.2.2 通過PCI局部總線實(shí)現(xiàn)設(shè)備間通信

PCI局部總線是微型計(jì)算機(jī)中處理器/存儲器與外圍控制部件、擴(kuò)展卡之間的互聯(lián)接口，PCI局部總線規(guī)范是互聯(lián)機(jī)構(gòu)的協(xié)議，也是電氣和機(jī)械配置的規(guī)范。PCI局部總線具有總線主設(shè)備支持和自動配置功能，提供了3類地址空間，即存儲器、I/O和配置地址空間。這些特點(diǎn)為總線上各設(shè)備間的通信奠定了基礎(chǔ)。

車輛顯控系統(tǒng)中存在多個(gè)PCI設(shè)備，鑒于PowerPC較強(qiáng)的處理能力和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)多任務(wù)處理功能，使得PowerPC控制主板成為“主設(shè)備”，負(fù)責(zé)設(shè)備間的協(xié)調(diào)，其他設(shè)備作為“從設(shè)備”。由“主設(shè)備”根據(jù)“從設(shè)備”的設(shè)備識別號和供應(yīng)商識別號對其進(jìn)行配置，根據(jù)地址空間的存儲映射訪問方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。PCI設(shè)備間的通信流程如圖6所示。

3.3 應(yīng)用程序與設(shè)備驅(qū)動的連接

應(yīng)用程序是通過調(diào)用設(shè)備驅(qū)動程序來訪問設(shè)備的。調(diào)用設(shè)備驅(qū)動有3種方式：直接調(diào)用、通過操作系統(tǒng)內(nèi)核調(diào)用和通過操作系統(tǒng)的擴(kuò)展模塊調(diào)用。直接調(diào)用方式可以使應(yīng)用程序高效地訪問設(shè)備，但移植性差，且用戶需自行管理設(shè)備;通過內(nèi)核調(diào)用，由操作系統(tǒng)管理，移植性好，但增加了系統(tǒng)開銷;通過擴(kuò)展模塊調(diào)用的優(yōu)缺點(diǎn)與通過內(nèi)核調(diào)用類似。

車輛顯控系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，需要良好的可移植性，且存在擴(kuò)展模塊，因此應(yīng)用程序同時(shí)使用通過內(nèi)核和擴(kuò)展模塊兩種方式來調(diào)用設(shè)備驅(qū)動程序。通過內(nèi)核調(diào)用通用設(shè)備驅(qū)動程序，通過擴(kuò)展模塊調(diào)用特殊驅(qū)動程序。

3.4 應(yīng)用程序與設(shè)備的直接連接

針對一些特殊設(shè)備的控制要求，PowerPC控制主板對其采用直接控制的方式，而不通過設(shè)備驅(qū)動。

I2C總線是一種兩線式串行總線，主要應(yīng)用于微處理器外圍芯片的擴(kuò)展。它只需兩根線——串行數(shù)據(jù)線和串行時(shí)鐘線，即可實(shí)現(xiàn)微處理器與總線上具有I2C總線接口的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

I2C總線設(shè)備以其簡單性和有效性被廣泛使用。車輛顯控系統(tǒng)中用于模擬視頻顯示的視頻解碼器CCX25836就是其中之一。CCX25836的寄存器需要用I2C總線進(jìn)行配置，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用FPGA構(gòu)建了硬件I2C電氣結(jié)構(gòu)，在PowerPC控制主板上用軟件模擬視頻解碼器所需的I2C讀寫流程(詳見圖3～4)，設(shè)置其寄存器，從而實(shí)現(xiàn)視頻通道的切換、亮度對比度的調(diào)整等視頻顯示功能，如圖5所示。

結(jié)語

PowerPC MPC8548E微處理器以其豐富的接口、較強(qiáng)的運(yùn)算能力、較快的處理速度、穩(wěn)定性和易擴(kuò)展性受到嵌入式系統(tǒng)開發(fā)者們的青睞。車輛顯控系統(tǒng)的主板采用此芯片為核心處理器，配備必要的外圍接口，并采用VxWorks作為運(yùn)行在其上的操作系統(tǒng)，使其具備了實(shí)時(shí)處理多任務(wù)的能力。通過擴(kuò)展PCI設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了顯控系統(tǒng)設(shè)備間、顯示系統(tǒng)與其他系統(tǒng)設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換和控制。