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[導讀]Works環(huán)境下雙冗余以太網卡技術在底層驅動中的實現(xiàn)

VxWorks操作系統(tǒng)是美國Wind River公司于1983年設計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS),良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境,使其在嵌入式實時操作系統(tǒng)領域居于領先地位,廣泛應用于現(xiàn)代的各種嵌入式計算機系統(tǒng)中,比如軍事指揮系統(tǒng)、武器控制系統(tǒng)或工業(yè)控制系統(tǒng)中。而在這些系統(tǒng)中,往往不是單個計算機的控制,而是多個計算機以及其他設備組成通信網絡共同完成控制作用,因此,對于每一個嵌入式計算機除了連接必需的外設之外,還需要考慮計算機之間的通信。計算機間常用的通信方式是利用串行口來實現(xiàn)的。本文在VxWorks多串口通信的實現(xiàn)過程中未采用常見的標準VxWorks虛擬設備ttyDrv驅動方式,而是在用戶的驅動程序中直接對硬件進行初始化,以中斷方式進行串口通信。

1 環(huán)境及配置

VxWorks嵌入式開發(fā)采用圖1所示的主機一目標機方式。

其他硬件與本文關系不大,這里主要介紹串口卡,該卡是DIAMOND SYSTEM公司生產的EMERALD-MM-8型8串口擴展卡(以下簡稱EMM8),是基于2片ST16C554芯片的8串口集成板卡,每一路串口均可單獨配置成符合RS-232C/RS-422A/RS-485協(xié)議規(guī)范,最高速率可達115.2 kb/s。通用異步收發(fā)器(UART)ST16C554用來擴展4路串口通道。每路通道各有一組16 B的收發(fā)FIFO和移位寄存器,用來緩沖數據和串并轉換。每個通道有12個8 b內部寄存器,用來存放收發(fā)數據以及配置該串口的工作模式,需要在初始化時對各寄存器進行設置。本文根據工程的要求,將卡上的硬件跳線設好,如:各串口使用RS-232C協(xié)議,按照datasheet進行硬件跳線。其中J9的配置較為重要,如圖2所示。

D、C、B、A 四位表示base address,從data sheet中查表可知其跳線情況,以本項目為例,base address為0x300,則D、C、B、A分別為out、out、in、in,為1100。

2、3、4…15為該卡可用的中斷號,要使用哪個中斷就必須將其跳為in。本項目由于中斷資源不足,只能用一個中斷號即7號中斷,因此只將7設為in。

CK為頻段范圍跳線,對ST16C554來說必須為in。

另外,EMM8在系統(tǒng)啟動時會從板上的EEPROM 中讀取各個端口的基本配置信息,主要是端口映射地址及分配的中斷號,這些信息可以在啟動后編程修改,但一般是固定的,因此只要在EEPROM 中配置一次并保存即可。

2 多串口驅動開發(fā)

2.1 I/O系統(tǒng)與串口設備驅動層次結構

I/O系統(tǒng)與串口設備驅動層次如圖3所示。

圖3中最底層就是要編寫的驅動程序。在這里主要完成對具體硬件的各種操作,以及與上層的接口。硬件驅動層上面是ttyDrv和tyLib。這一層比較特殊,是Vxworks專門為串口設備準備的一個虛擬驅動庫,它把跟具體硬件無關的操作集成在了這一層中。這樣用戶只編寫與硬件有關的驅動和跟這一層的接口函數即可。從總的結構講,這2層都屬于設備驅動的范疇。再上一層是I/O系統(tǒng)層,Vxworks的I/O系統(tǒng)向上提供了7個基本的I/O接口,供應用程序調用;向下提供與各種設備驅動程序的接口。I/O系統(tǒng)把應用程序跟驅動程序有機地連接起來。最頂層就是用戶根據應用需要編寫的應用程序。ttyDrv是一個虛擬設備驅動,用于處理I/O系統(tǒng)與底層實際設備驅動程序(可以是用戶設計的驅動程序)之間的通信。使用ttyDrv控制串口是比較常見的串口驅動實現(xiàn)方式,實際上,直接對硬件進行初始化,以中斷方式進行串口通信也是可行的方式,且更加靠近底層,可以更自由、高效的控制串口。

2.2 EMM8驅動開發(fā)

首先是對各串口的初始化和中斷配置,初始化包括設置波特率以及數據格式。

在實際的工程應用中,需要8個串口共同使用一個中斷(中斷資源不足),實現(xiàn)8串口的全雙工同時收發(fā)。難點在于使用同一個中斷且不能丟數據,對于驅動使用同中斷問題,關鍵是接收數據的中斷服務程序ISR。經過探索,不論是否使用單中斷,讀EMM8卡上I/O Register Map表中的一個中斷狀態(tài)寄存器(interrupt status register),可以指出當時是哪一個串口收到數據,讀出該串口的數據即可。但是這種實現(xiàn)方法經過測試在接收時丟數據。后經研究發(fā)現(xiàn),中斷狀態(tài)寄存器并不一定在某一個時刻只有一個端口位發(fā)生跳轉。即CPU 收到中斷后,有可能是幾個串口“同時”收到數據,這是因為中斷控制器將同一個CPU中斷分給了不同的串口。從CPU端看來只有一個中斷,但從各串口來講,這個中斷有可能是幾個串口“同時”產生的。因此要對中斷狀態(tài)寄存器進行輪詢,由發(fā)生跳轉的串口位接收該串口的數據。修改后,經過編寫用例測試,可以穩(wěn)定地使用單中斷接收數據且不影響數據的發(fā)送。

2.3 驅動測試

首先是各串口的功能測試,使用“串口調試助手”軟件工具通過PC機與各目標機串口通信,收發(fā)數據,然后通過屏幕顯示得到的數據,對比規(guī)定的預期結果,檢測數據收發(fā)是否正確。經多次驗證,工作穩(wěn)定,通信正確。

綜合測試:使用2臺PC104分別安裝STV2050CPU模塊和EMM8多串口模塊各1塊,2臺PC通過網口(交換機)連接2臺PC104,2個EMM8通過8根RS-232雙頭串口線連接。2臺PC通過網口使用tornado的shell工具下載啟動程序。2臺PC104分別稱為1主機和2主機。測試方法是:1主機同時發(fā)送8串口的數據,2主機8串口接收并轉發(fā)回1主機。1主機接收返回的數據,判斷是否通信錯誤。經檢驗正確通信300000次無錯,多次驗證。完成對EMM8多串口通訊模塊全雙工收發(fā)的測試。

經過以上測試,表明本文所述的多串口卡通信實現(xiàn)方法有效,所開發(fā)模塊穩(wěn)定可靠。

3 結束語

本文介紹了VxWorks嵌入式系統(tǒng)中的多串口卡通信的實現(xiàn)過程,因篇幅有限,不能列出詳盡代碼。本文以EMM8為例,采用驅動直接訪問硬件的方法,較為簡潔、高效地解決了單中斷多串口全雙工通信的問題,滿足了項目需求,并經過了測試和驗收。為日后類似問題的解決提供了一些參考和經驗。

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