Vxworks嵌入式操作系統(tǒng)下網(wǎng)絡設備驅動程序設計

1 前言

由于目前發(fā)展現(xiàn)代化的坦克火控系統(tǒng)已成為充分發(fā)揮坦克火力，提高戰(zhàn)場生存能力的最有效途徑之一。隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，VxWorks操作系統(tǒng)以其良好的有效性、可裁減性、互操作性、可靠性和卓越的實時性等優(yōu)點被廣泛地應用在高精尖技術及實時性要求極高的領域中。因此基于 VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)的目標自動跟蹤技術的研究已經(jīng)成為提高坦克火控系統(tǒng)性能研究的主要方向。本文以研制坦克目標自動跟蹤系統(tǒng)信息處理平臺為背景，設計了基于 VxWorks的目標自動跟蹤系統(tǒng)的 PCI總線接口板，實現(xiàn)了坦克火控計算機與坦克火控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信。其中以橋接芯片 PCI9054為核心的設計尤為重要。使目標自動跟蹤系統(tǒng)具備了能夠捕獲和跟蹤較復雜背景下的無偽裝的坦克和裝甲車的能力，以及在跟蹤狀態(tài)下出現(xiàn)目標被遮擋時，系統(tǒng)進入記憶跟蹤狀態(tài)的能力。

2 目標自動跟蹤系統(tǒng)的硬件電路設計

在基于 VxWorks嵌入式系統(tǒng)下，根據(jù)坦克目標自動跟蹤系統(tǒng)的總體技術要求，需要完成 I/O板硬件結構電路的設計;PCI9054的配置;接口驅動程序的編寫以及系統(tǒng)主程序的設計，實現(xiàn)目標自動跟蹤計算機與坦克火控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信。

下面就坦克目標自動跟蹤系統(tǒng)總體設計進行論述。坦克目標自動跟蹤系統(tǒng)包括通用視頻跟蹤器的所有功能，系統(tǒng)硬件由跟蹤器主機、瞄準線功率驅動模塊、視場圖像及相關信息顯示器、前端圖像采集系統(tǒng)和連接電纜等幾部分組成。跟蹤器主機由主機板、 DSP板、圖像圖形板、I/O板、電源板和機箱、無源底板、插接件組成，主要完成圖像采集、處理并輸出控制;瞄準線驅動控制模塊主要對跟蹤器主機輸出的控制信號進行功率放大來驅動瞄準線;顯示器用于顯示視野圖像及相關信息;前端圖像采集系統(tǒng)主要指火控系統(tǒng)光學改造部件及圖像采集器 CCD;連接電纜用于實現(xiàn)目標自動跟蹤系統(tǒng)各部件的信號連接。坦克目標自動跟蹤系統(tǒng)組成如圖1：

從圖 1中可知，系統(tǒng)通信與控制模塊(亦稱 I/O板)是通用型的目標自動跟蹤器與火控系統(tǒng)相連接的橋梁，在目標自動跟蹤火控系統(tǒng)中具有極其重要的作用。它要求實時處理 DSP板傳送的目標現(xiàn)在點和瞄準線中心的偏差量，最終轉化為對瞄準線的控制量。將瞄準線控制量傳送給瞄準線驅動控制模塊，實現(xiàn)高精度控制瞄準線，使之始終對準目標。

3 在 VxWorks下的驅動程序設計

3.1設備驅動程序的設計與實現(xiàn)

應用程序必須通過驅動程序才能與硬件進行數(shù)據(jù)通信，而驅動程序的編寫與操作系統(tǒng)密切相關。在 VxWorks操作系統(tǒng)中， BSP板級支持包向 VxWorks提供與硬件環(huán)境的接口，負責完成加電時的硬件初始化、為 VxWorks訪問硬件驅動程序提供支持、將 VxWorks中與硬件有關以及與硬件無關的軟件進行集成。因此在 VxWorks下編寫驅動程序時首先要對 BSP進行修改配置。根據(jù)本系統(tǒng)的實際情況需要修改 config.h頭文件：

#define DEFAULT_BOOT_LINE "fei(0,0)host: VxWorks h=172.16.21.100 e=172.16.21.253 u=chb pw=123456"在 VxWorks中，設備驅動程序有查詢方式和中斷方式二種。無論采用哪一種方式，設備驅動程序的基本流程都是相同的，如圖 2：

從圖 2中可以看出，編寫設備驅動程序的第一步是獲取硬件接口參數(shù)，包括內存映射地 址、I/O端口和系統(tǒng)中斷控制器的輸入(IRQ)。獲取這些參數(shù)的方法由硬件的接口方式?jīng)Q定。例如，PCI總線作為一種即插即用的總線結構，在 BIOS和操作系統(tǒng)的支持下，能夠自動為設備分配合適的硬件接口參數(shù)。其部分程序代碼如下：

1) 定義常量和全局變量 #define PCI9054_DEVICE_ID 0x9054 #define PCI9054_VENDOR_ID 0x10B5 #define PCI9054_MEMSIZE 0x00001000 #define PCI9054_INIT_STATE_MASK (VM_STATE_MASK_VALID | VM_STATE_MASK_WRITABLE | VM_STATE_MASK_CACHEABLE) #definePCI9054_INIT_STATE (VM_STATE_ VALID | VM_STATE_ WRITABLE | VM_STATE_ CACHEABLE_NOT) Typedef struct pci9054Info { UNIT pciBus,pciDevice,pciFunc; Char irq; }PCI9054_INFO; LOCAL PCI9054_INFO pci9054InfoTable={-1,-1,-1,-1};

摘　要：本文主要介紹在Vxworks操作系統(tǒng)下網(wǎng)絡設備驅動程序設計、調試方法以及將其加入系統(tǒng)內核的配置方法。

關鍵詞：Vxworks 嵌入式操作系統(tǒng) 網(wǎng)絡設備

引 言

VxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS)，是嵌入式開發(fā)環(huán)境的關鍵組成部分。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，在嵌入式實時操作系統(tǒng)領域占據(jù)一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術及實時性要求極高的領域中，如衛(wèi)星通訊、軍事演習、彈道制導、飛機導航等。

1 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式計算機為技術核心，面向用戶、面向產品、面向應用，軟硬件可裁減的，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。和通用計算機不同，嵌入式系統(tǒng)是針對具體應用的專用系統(tǒng)，目的就是要把一切變得更簡單、更方便、更普遍、更適用;它的硬件和軟件都必須高效率地設計，量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實現(xiàn)更高的性能。

嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統(tǒng)以及特定的應用程序等四部分組成，是集軟硬件于一體的可獨立工作的“器件”;用于實現(xiàn)對其它設備的控制、監(jiān)視或管理等功能。

嵌入式系統(tǒng)應具有的特點是：要求高可靠性;在惡劣的環(huán)境或突然斷電的情況下，要求系統(tǒng)仍然能夠正常工作;許多嵌入式應用要求實時處理能力，這就要求嵌入式操作系統(tǒng)(EOS)具有實時處理能力;嵌入式系統(tǒng)中的軟件代碼要求高質量、高可靠性，一般都固化在只讀存儲器中或閃存中，也就是說軟件要求固態(tài)化存儲，而不是存儲在磁盤等載體中。

2 設備驅動程序[!--empirenews.page--]

Vxworks5.4中驅動程序主要分為三種：字符、塊以及網(wǎng)絡驅動程序。本文所介紹的網(wǎng)卡驅動程序則屬于網(wǎng)絡設備驅動程序。

2.1 網(wǎng)絡設備驅動程序設計

網(wǎng)絡的各功能部件圖1所示，網(wǎng)絡設備驅動程序實際上是處理硬件和上層協(xié)議之間的接口程序。網(wǎng)絡傳輸協(xié)議層分發(fā)數(shù)據(jù)在應用程序接口和網(wǎng)絡接口之間。網(wǎng)絡化網(wǎng)絡協(xié)議(如IP協(xié)議)發(fā)送數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡主機之間。連接/接口層使能主機隸屬于硬件到相同物理媒質的通信。

在Vxworks5.4中，網(wǎng)卡驅動程序又分為END(Enhanced Network Driver)和BSD兩種。它們分別處于如圖2所示結構中。

2.1.1 BSD驅動程序設計

在Vxworks5.4中，網(wǎng)絡驅動程序都是基于BSD UNIX版本4.3基礎上的，這些驅動程序都定義在一個全局例程中，那就是attach子程序，xxattach( )子程序中包含5個函數(shù)指針，它們都被映射到ifnet結構中，這5個函數(shù)可見表1，它們在IP協(xié)議層任何地方被調用。

表1 網(wǎng)絡接口處理

驅動程序入口xxattach( )調用ether_attach( )來把上述5個函數(shù)映射到ifnet結構中，ether_attach( )調用如下：

ether_attach(

(IFNET *) & pDrvCtrl->idr,

unit,

"xx",

(FUNCPTR) NULL,

(FUNCPTR) xxIoctl,

(FUNCPTR) ether_output( ), /* generic ether_output */

(FUNCPTR) xxReset

);

pDrvCtrl->idr.ac_if.if_start = (FUNCPTR)xxTxStartup;

上述參數(shù)中，需要一個接口數(shù)據(jù)記錄(Interface Data Record (idr))，unit號和設備名，下面四個參數(shù)就是相關驅動程序的函數(shù)指針。第一個函數(shù)指針指的是init( )例程，這個例程可要可不要，第二個函數(shù)指針指的是ioctl( )接口，它允許上層來控制設備狀態(tài);第三個函數(shù)指針指的是把數(shù)據(jù)包送到物理層;最后一個函數(shù)指針指的是如果TCP/IP堆棧決定需要復位的話，它就復位這個設備。

接著下面那一句代碼表示添加數(shù)據(jù)傳輸例程到IDR，ether_output( )例程被調用后，傳輸開始例程就被TCP/IP協(xié)議堆棧調用。

在這個入口驅動程序中還包括設備的初始化、發(fā)送和接收描述符的初始化等。

2.1.2 END驅動程序設計

END驅動程序是基于MUX模式，網(wǎng)絡驅動程序被劃分為協(xié)議組件和硬件組件。MUX數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層之間的接口，它管理網(wǎng)絡協(xié)議接口和低層硬件接口之間的交互;將硬件從網(wǎng)絡協(xié)議的細節(jié)中隔離出來;刪除使用輸入鉤例程來過濾接收從協(xié)議來的數(shù)據(jù)包，和刪除了使用輸出鉤例程來過濾協(xié)議包的發(fā)送;并且鏈路層上的驅動程序需要訪問網(wǎng)絡層(IP或其他協(xié)議)時，也會調用相關的MUX例程。值得注意的是，網(wǎng)絡層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層驅動程序不能直接通訊，它們必須通過MUX。如圖3所示：

2.3將驅動程序加載到Vxworks系統(tǒng)中

要對所設計的驅動程序進行測試，首先就必須把驅動程序加載到Vxworks IMAGE中，并且給設備分配一個IP，這樣才能有利于網(wǎng)間測試。

首先，修改configNet.h文件，添加如下代碼：

#ifdef INCLUDE_DM_9102_END

#define DM_9102_BUFF_LOAN_0 1

#define DM_9102_LOAD_FUNC sysDm9102EndLoad

#define DM_9102_LOAD_STR_0 ""

IMPORT END_OBJ * DM_9102_LOAD_FUNC (char *, void *);

和END_TBL_ENTRY endDevTbl [] 中添加

#ifdef INCLUDE_DM_9102_END

{0, DM_9102_LOAD_FUNC, DM_9102_LOAD_STR_0, TRUE, NULL, FALSE},

#endif /* INCLUDE_DM_9102_END */

其次，編輯config.h文件，添加如下代碼：

#define INCLUDE_DM_9102_END /* Davicom 9102 Fast Ethernet Controller */

最后，編輯sysLib.c文件，添加如下代碼：

/* include dm9102 End driver support routines */

#ifdef INCLUDE_DM_9102_END

IMPORT STATUS sysDm9102PciInit (void);

#endif /* INCLUDE_DM_9102_END */

/* include dm9102End driver support routines */

#ifdef INCLUDE_DM_9102_END

#include "sysDm9102End.c"

#endif /* INCLUDE_DM_9102_END */

#ifdef INCLUDE_DM_9102_END

sysDm9102PciInit ();

#endif /* INCLUDE_DM_9102_END */

通過上述過程相應的添加程序，然后重新編譯Vxworks，這樣就將所設計的網(wǎng)卡驅動程序添加到Vxworks內核中了。

2.4 PCI設備檢測

如果所設計的網(wǎng)卡是基于PCI總線的，那么在程序開始就需要對PCI設備進行檢測，在Vxworks5.4中有專門的PCI函數(shù)來檢測設備的總線號、設備號和功能號。首先利用pciFindDevice( )函數(shù)對給定VendorID和DeviceID的設備進行檢測，檢測完后同時給出了設備的總線號、設備號和功能號;接下來就是獲得該設備的中斷號、基地址(包括IO和內存)。Vxworks中pciConfigLib.h文件中定義PCI總線的常量。如中斷號：PCI_CFG_BRG_INT_LINE，IO基地址：PCI_CFG_BASE_ADDRESS_0，內存基地址：PCI_CFG_BASE_ADDRESS_1等等。所以利用函數(shù)pciConfigInByte和pciConfigInLong就可以很容易地獲得設備的中斷號和基地址。[!--empirenews.page--]

2.5 調試方法

為了方便調試網(wǎng)卡驅動程序，推薦利用串口對程序進行下載并將Vxworks image拷貝到軟盤中以從軟盤來加載它。調試的時候首先應該給網(wǎng)卡分配一個IP(利用usrNetIfConfig函數(shù))，然后利用ping來對網(wǎng)卡進行測試。

3 結語

利用上述方法所設計的網(wǎng)卡后，不久可以利用它來進行程序下載，而且能滿足網(wǎng)卡所有的功能，包括對TCP/IP和UDP/IP(組播、廣播和單播)進行了測試。