Works環(huán)境下雙冗余以太網(wǎng)卡技術(shù)在底層驅(qū)動中的實(shí)現(xiàn)

VxWorks操作系統(tǒng)是美國Wind River公司于1983年設(shè)計(jì)開發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)，良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，使其在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域居于領(lǐng)先地位，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代的各種嵌入式計(jì)算機(jī)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(gè)計(jì)算機(jī)的控制，而是多個(gè)計(jì)算機(jī)以及其他設(shè)備組成通信網(wǎng)絡(luò)共同完成控制作用，因此，對于每一個(gè)嵌入式計(jì)算機(jī)除了連接必需的外設(shè)之外，還需要考慮計(jì)算機(jī)之間的通信。計(jì)算機(jī)間常用的通信方式是利用串行口來實(shí)現(xiàn)的。本文在VxWorks多串口通信的實(shí)現(xiàn)過程中未采用常見的標(biāo)準(zhǔn)VxWorks虛擬設(shè)備ttyDrv驅(qū)動方式，而是在用戶的驅(qū)動程序中直接對硬件進(jìn)行初始化，以中斷方式進(jìn)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(jī)一目標(biāo)機(jī)方式。

其他硬件與本文關(guān)系不大，這里主要介紹串口卡，該卡是DIAMOND SYSTEM公司生產(chǎn)的EMERALD-MM-8型8串口擴(kuò)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(dú)配置成符合RS-232C/RS-422A/RS-485協(xié)議規(guī)范，最高速率可達(dá)115.2 kb/s。通用異步收發(fā)器(UART)ST16C554用來擴(kuò)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(shù)據(jù)和串并轉(zhuǎn)換。每個(gè)通道有12個(gè)8 b內(nèi)部寄存器，用來存放收發(fā)數(shù)據(jù)以及配置該串口的工作模式，需要在初始化時(shí)對各寄存器進(jìn)行設(shè)置。本文根據(jù)工程的要求，將卡上的硬件跳線設(shè)好，如：各串口使用RS-232C協(xié)議，按照datasheet進(jìn)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(xiàng)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(gè)中斷就必須將其跳為in。本項(xiàng)目由于中斷資源不足，只能用一個(gè)中斷號即7號中斷，因此只將7設(shè)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(shí)會從板上的EEPROM 中讀取各個(gè)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(qū)動開發(fā)

2.1 I/O系統(tǒng)與串口設(shè)備驅(qū)動層次結(jié)構(gòu)

I/O系統(tǒng)與串口設(shè)備驅(qū)動層次如圖3所示。

圖3中最底層就是要編寫的驅(qū)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(qū)動層上面是ttyDrv和tyLib。這一層比較特殊，是Vxworks專門為串口設(shè)備準(zhǔn)備的一個(gè)虛擬驅(qū)動庫，它把跟具體硬件無關(guān)的操作集成在了這一層中。這樣用戶只編寫與硬件有關(guān)的驅(qū)動和跟這一層的接口函數(shù)即可。從總的結(jié)構(gòu)講，這2層都屬于設(shè)備驅(qū)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(gè)基本的I/O接口，供應(yīng)用程序調(diào)用;向下提供與各種設(shè)備驅(qū)動程序的接口。I/O系統(tǒng)把應(yīng)用程序跟驅(qū)動程序有機(jī)地連接起來。最頂層就是用戶根據(jù)應(yīng)用需要編寫的應(yīng)用程序。ttyDrv是一個(gè)虛擬設(shè)備驅(qū)動，用于處理I/O系統(tǒng)與底層實(shí)際設(shè)備驅(qū)動程序(可以是用戶設(shè)計(jì)的驅(qū)動程序)之間的通信。使用ttyDrv控制串口是比較常見的串口驅(qū)動實(shí)現(xiàn)方式，實(shí)際上，直接對硬件進(jìn)行初始化，以中斷方式進(jìn)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(qū)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(shè)置波特率以及數(shù)據(jù)格式。

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，需要8個(gè)串口共同使用一個(gè)中斷(中斷資源不足)，實(shí)現(xiàn)8串口的全雙工同時(shí)收發(fā)。難點(diǎn)在于使用同一個(gè)中斷且不能丟數(shù)據(jù)，對于驅(qū)動使用同中斷問題，關(guān)鍵是接收數(shù)據(jù)的中斷服務(wù)程序ISR。經(jīng)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(gè)中斷狀態(tài)寄存器(interrupt status register)，可以指出當(dāng)時(shí)是哪一個(gè)串口收到數(shù)據(jù)，讀出該串口的數(shù)據(jù)即可。但是這種實(shí)現(xiàn)方法經(jīng)過測試在接收時(shí)丟數(shù)據(jù)。后經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，中斷狀態(tài)寄存器并不一定在某一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)端口位發(fā)生跳轉(zhuǎn)。即CPU 收到中斷后，有可能是幾個(gè)串口“同時(shí)”收到數(shù)據(jù)，這是因?yàn)橹袛嗫刂破鲗⑼粋€(gè)CPU中斷分給了不同的串口。從CPU端看來只有一個(gè)中斷，但從各串口來講，這個(gè)中斷有可能是幾個(gè)串口“同時(shí)”產(chǎn)生的。因此要對中斷狀態(tài)寄存器進(jìn)行輪詢，由發(fā)生跳轉(zhuǎn)的串口位接收該串口的數(shù)據(jù)。修改后，經(jīng)過編寫用例測試，可以穩(wěn)定地使用單中斷接收數(shù)據(jù)且不影響數(shù)據(jù)的發(fā)送。

2.3 驅(qū)動測試

首先是各串口的功能測試，使用“串口調(diào)試助手”軟件工具通過PC機(jī)與各目標(biāo)機(jī)串口通信，收發(fā)數(shù)據(jù)，然后通過屏幕顯示得到的數(shù)據(jù)，對比規(guī)定的預(yù)期結(jié)果，檢測數(shù)據(jù)收發(fā)是否正確。經(jīng)多次驗(yàn)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(wǎng)口(交換機(jī))連接2臺PC104，2個(gè)EMM8通過8根RS-232雙頭串口線連接。2臺PC通過網(wǎng)口使用tornado的shell工具下載啟動程序。2臺PC104分別稱為1主機(jī)和2主機(jī)。測試方法是：1主機(jī)同時(shí)發(fā)送8串口的數(shù)據(jù)，2主機(jī)8串口接收并轉(zhuǎn)發(fā)回1主機(jī)。1主機(jī)接收返回的數(shù)據(jù)，判斷是否通信錯(cuò)誤。經(jīng)檢驗(yàn)正確通信300000次無錯(cuò)，多次驗(yàn)證。完成對EMM8多串口通訊模塊全雙工收發(fā)的測試。

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

3 結(jié)束語

本文介紹了VxWorks嵌入式系統(tǒng)中的多串口卡通信的實(shí)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(qū)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(xiàng)目需求，并經(jīng)過了測試和驗(yàn)收。為日后類似問題的解決提供了一些參考和經(jīng)驗(yàn)。