VxWorks下ComPactPCI总线驱动程序设计

　　引言

　　VxWorks是美国Wind River公司专门为嵌入式处理器设计的一种模块化、高性能的实时多任务操作系统。嵌入式软件多采用交叉开发的方式，即主机运行开发工具Tonado，通过某种连接方式连接目标机，硬件平台为PC／104+架构。这里提出一种VxWorks操作系统下ComPactPCI总线驱动程序的设计及实现。该设计使用德国Kontron DT-64，它是一款高性能嵌入式计算机。采用Dual PentiLim 3 CPU，工作频率高达866 MHz，具有128 KB一级高速缓存和128 KB二级高速缓存。KontronDT-64与PC／AT标准完全兼容，并遵从PC／104+标准。具有PC／104结构的优点，适用于各种复杂的工作环境。

　　2 BSP与VxWorks的关系

　　板级支持包BSP(board support packet)通常是针对具体的硬件平台，是用户所编写的启动代码和部分设备驱动程序的集合。在VxWorks操作系统中，BSP是介于底层硬件环境和VxWorks之间的一个软件接口，它的主要功能是系统加电后初始化目标机硬件、初始化操作系统及提供部分硬件的驱动程序。BSP与VxWorks之间的关系如图1所示。从图1发现，BSP不是一个设备驱动程序。它只能运行于指定设备的硬件环境中，对其进行控制和初始化。这里主要阐述在PCM发送，接收模块的设计过程中，如何利用DT-64 BSP来实现PCI总线的驱动程序。

　　3 总线及接口技术

　　由于CompactPCI规范定义基于PCI总线方式的复印加坚固而耐用的PCI版本，并且适用于工业和嵌入式应用，本设计采用此规范。CompactPCI总线是3种技术的集成：通用PCI局部总线(Local Bus)的高性能，安装牢固的欧卡结构，接触可靠的针孔连接器(pin-antl-soeket connector)。

　　PCI局部总线是一种地址和数据复用的高性能32，64位总线，它在高度集成的外围控制器件、外围插件板和处理器／存储器之间起连接作用。PCI总线为CPU和板上外设提供了方便的高速通信连接，工作频率为66 MHz或更高。PCI作为一种同步的、独立于处理器的32 bit或64 bit局部总线，在工作频率为33 MHz总线宽度为32 bit最低规格时其峰值吞吐速率可达到132 MB／s，适用于网络适配器、硬盘驱动器、视频卡、图形卡等各类高速外设。连接到PCI总线上的设备分为主控和目标两类，PCI支持多主系统。PCI总线的一个重要特点是存在配置空间，它提供一种配置关联，适合于目前或将来的系统配置机制，实现参数自动配置。系统软件通过读取配置空间中相应参数，即可确定PCI总线上挂接了什么设备以及需要哪些资源，通过对地址空间的重定位分配资源避免竞争，实现PCI设备的即插即用。

　　连接到PCI总线的用户功能板卡需要使用PCI总线接口控制器和PCI总线进行交互，在应用系统设计时采用OL5064器件。QL5064是一款32 bit／33 MHz的通用PCI总线控制器，符合PCI规范2．2版，本突发传输速率达到132 MB／s。可作为PCI总线的主控设备控制总线，也可作为目标设备响应总线。Ql5064提供了PCI总线、E2ROM、LOCAL总线3个接口。LOCAL总线支持复用／非复用的32 bit地址／数据，有3种工作模式：M、C和J。在系统实际数据采集时，将LOCAl总线设置为C模式，这是一种目标设备模式。选用NM93CS56L型串行E2PROM作为QL5064的配置器件，该器件通过E2ROM接口和QL5064相连。QL5064的长配置方式要求68个字节的信息，主要包括：设备识别号、供应商代码号、LO-CAL总线3个空间的性质、范围以及基址等，这些配置信息内容一般要预先设计并用编程器事先写入配置器件中。在计算机启动时，系统将根据配置信息分配器件所申请的资源。Q155064作为一种桥接器件，在PCI总线和LOCAL总线之间有3种主要数据传输模式：

　　(1)PCI Initiator数据传输模式 主控模式，LOCAL总线主设备通过QL5064访问PCI总线存储空间和I／O空间；

　　(2)PCI Target数据传输模式PCI总线主设备通过QL5064访问LOCAL总线存储空问和I／O空间；

　　(3)DMA数据传输模式QL5064作为两总线的主设备，从PCI总线存储空间读数据到LOCAL总线存储空间或者从LOCAL总线存储空间读数据到PCI总线存储空间。在系统设计中，使用PCI Target数据传输模式读写控制模块中的寄存器。

　　4 设备的配置技术

　　VxWorks是专门为实时嵌人式系统设计开发的操作系统软件，提供高效的实时任务调度、中断管理、实时的系统资源分配以及实时的任务间通信。程序员可将主要精力放在应用程序本身，而不用关心对系统资源的管理。

　　为阐明在VxWorks操作系统下如何实现CompaetPCI总线设备的驱动，需了解PCI设备的配置寄存器空间。PCI设备有3种物理存储空间：配置寄存器空间、存储器空间和I／O空间。PCI局部总线设备中配置寄存器空间是一容量为256 KB并具有特定记录结构的地址空间，该空间分为头标区和设备有关区两部分，空间头标区的定义如图2所示。

　　在配置空间中，只读空间有设备标识、供应商代码、修改版本、分类代码以及头标类型。其中供应商代码用来标识设备供应商；设备标识用来标识某一特殊的设备；修改版本标识设备的版本号；分类代码用来标识设备的种类；而头标类型用来标识头类型以及是否为多功能设备。除供应商代码之外，其他字段的值由供应商分配。

　　PCI设备可以在地址空间中重定位是其重要功能之一，使得系统可合理地分配资源，甚至完全相同的两块PCI卡也能够在同一总线内工作而不会产生地址冲突。基地址寄存器的功能是分配PCI设备的系统地址空间，在基地址寄存器中，位0(最低位)均为只读位并且用来标识是存储器空间还是I／O地址空间。如果该位为0，表示映射到存储器空间。映射到I／O空间的基址寄存器宽度总是32 bit，其中位0值为1 (用硬件实现)，位1为保留位并且其读出值必须为0，其余各位用来把设备映射到I／O空间。映射到存储器空间的基址寄存器可以是32 bit宽度，也可以是64 bit宽度。其中位0也要用硬件方式使其恒为0。位2和位1两位用来表示映射类型，其余各位用来将设备映射到存储器空间。

　　系统配置软件通过向基址寄存器写入全“1”后再读回的方式确定设备要求的地址空间范围，与地址空间无关的位其返回值为0。

　　在VxWorks操作系统下实现ComPactPCI总线设备的驱动过程主要包括下面步骤：

　　(1)查找CompaetPCI设备在VxWorks操作系统中通过函数peiFindDeviee()来实现，该函数可根据给定的设备标识和供应商代码找到相应的设备。并返回总线号、设备号以及功能号。函数的定义如下：

　　)

　　(2)配置CompactPCI设备 通过操作系统提供的API函数访问CompactPCI设备的配置空间，配置CompactPCI设备基址寄存器、中断、ROM基地址寄存器等，可得到Compact-PCI的仔储器空间和I/O地址空间映射、设备的中断号等。在VxWorks操作系统中访问CompactPCI设备配置空间的函数有pciConfigInLong()、pciConfigOutLong()等，它们分别完成对CompactPCI设备配置空间的读写操作。这一系列操作也称为PCI设备枚举。然后，根据CompactPCI设备的配置参数，对不同的设备编写初始化程序、中断服务程序以及对PCI设备存储空间的访问程序。

　　5 中断的响应与控制

　　硬件中断处理是实时系统设计的关键环节，系统通过中断与外部事件交互。为了获得尽可能快的中断响应时间，Vx-Works的中断处理程序需要运行在特定的上下文中，也就是在所有任务上下文之外。因此，中断处理不会涉及任何任务上下文的切换。QL5064接几器件的寄存器序列巾有一个中断控制/状态寄存器，其偏移地址为0x68H。该寄存器可以使能或禁止CompactPCI总线的中断，因此在系统进行中断服务程序的配置时，必须设定该寄存器的内容，否则系统不能正常响应中断nBSP; 在VxWorks系统下可以使用pciIntConnect()函数将中断和特定的C程序连接起来，该函数将指定的C函数与中断向量相联系，甬数的地址将存储在这个中断向量里。所以当中断发生时，系统将调用这个被称为中断服务程序的函数。因此，cPCI设备的中断响应设置主要有两点：

　　(1)调用pciIntConnect()函数设置中断服务程序，该函数的定义如下：

　　如果要禁止该设备的中断响应，可以给QL5064的中断控制寄存器写入0x0f000000即可。

　　中断服务程序ISR负责协凋系统的采集任务，在系统设计时采用信号量的方式实现任务间的同步，因此ISR的程序非常简单，只给出和特定中断事件相关的信号量即可。举例如下：

　　VxWorks信号量是提供任务间通信、同步和互斥的最优选择，它提供任务问的最快速通信，也是提供任务间同步和互斥的主要手段。对于同步，信号量可以协调外部事件与任务的执行。通用二进制信号量能够满足两种类型的任务协调需要：互斥与同步。二进制信号量需要的系统开销小，因而适用于高性能的需求。二进制信号量可以看成一个标记：对应的资源是可用f满)还是不可用(空)。当任务调用函数semTake()取一个信号量时，其结果依赖于在调用的时刻信号量是否可用。如果此时信号量可用，调用semTake()的结果使信号量变为不可用，任务继续执行；如果此时信号量不可用，调用semTake()的任务进入一个阻塞队列，进入等待状态该信号量变为可用阻塞状态。通过信号量来同步整个系统中数据，可保证系统运行的实时性和可靠性。

　　6 结束语

　　采用上述控制技术，在系统中成功实现控制驱动对多种CompactPCI板卡以及DSP信号处理板、高速A／D通道、低速A／D转换通道、计数器通道等均能正常工作。达到系统设计要求，因此可说明VxWorks系统CompactPCI总线的驱动与控制方法可行，保证系统实时数据采集的可靠性。