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文章编号:167l一4598(2007)05一0677一03中图分类号:TP332 文献标识码:A
嵌入式操作系统VxWorks下CPCI设备驱动程序开发
杨 飞,安锦文,李中健
(西北工业大学自动化学院,陕西西安 7l0072)
摘要:Vxworks是windRiver公司开发的嵌入式实时操作系统,广泛地应用于航空航天、工业控制、通信等领域;在简单地介绍了
Vxworks操作系统之后,分析了Vxworks下cPcI设备驱动程序的实现方法;以cPcl9112数据采集卡的驱动程序开发为例,介绍了
compactPcI总线以及PcI接口芯片s5935,重点说明了在Vxw。rks下以定时器和中断方式实现模数转换驱动程序的方法和编程要点,
并给出了部分关键代码;在飞行控制半实物仿真系统中的运行结果表明驱动程序运行稳定、可靠。
关键词:Vxworks;compactPcj;s5935;设备驱动程序
DevelopmentofCPCIDeviceDriverinEmbeddedoperationSystemVxWorks
YangFei,AnJinwen,LiZhon西ian
(CoUegeofAutomation,NorthwesternPolytechnicalUniversitv,X}an710072,China)
Abstract:VxWorksisaEmbeddedReal一Time0perationSystemdevelopedbyWindRivercompany,andisverypopularusedinaero—
nauticsandastronautics,industrycontr01andcommunicationdomain.AfterintroducingtheVxWorks0perationSystem,themethodofde
velopCPCIdeviced“verinVxWorksisintroduced.AndaccordingtoadevicedriverexampleofCPCI9112dataacquisitioncardinreal—time
systemVxWorks,theCompactPCIbusandPCIinterfacechipS5935areintroduced,especiallyethemethodandessentialofprogramming
devicedriveraboutanalogtodigitconversionbyusingcounterandinterruptcontrolarepresented,andthensomekeyprogramsaregiven.
Thedriverhasbeenusedinflightcontrolsimulationsystem,theresultindicatesthatthedevicedriverisstableandcredible.
Keywords:VxWorks;CompactPCI;S5935;devicedriver
O 引言
随着CompactPCI(CPCI)总线技术在工业控制、航空航
天等领域中的广泛应用,以CPCI总线技术为接口的I/0设备
也得到了广泛的使用。但目前大多数设备厂商只提供了win—
dows和Dos操作系统下的驱动程序,对于一些采用实时操作
系统的情况,就必须自己开发相应的设备驱动程序。在飞行控
制实时仿真系统中,选用凌华公司的CPcI机箱和CPcl3700A
CPU模块以及CPcl9112数据采集卡和CPCI6208模数转换卡
等设备组成硬件平台,用嵌入式实时操作系统Vxworks作为
软件平台,在系统的开发过程中编写了CPCI卡的设备驱动程
序。本文以CPCI9112为例详细讨论了在Vxworks下开发cP—
CI设备驱动程序的方法。
l Vxworks操作系统简介
Vxworks操作系统是美国windRiver公司1983年开发的
一种嵌入式实时操作系统,包含了进程管理、存储管理、设备
管理、文件系统管理、网络
及系统应用等几个部分,只占
用了很小的存储空问,并且可以高度裁减,这样可以保证系统
能以较高的效率运行,而且可以适合于多种不同的硬件平
台¨J。Vxworks支持的CPU包括PowerPC、68K、cPU32、
sPARC、i960、x86、Mips等,同时支持RISC、DSP技术。
它是现在所有独立于处理器的实时操作系统中最具特色的操作
系统之一,被广泛应用于航空航天、舰船、工业控制、通信、
医疗等关键领域。
收稿日期:2006—07一05;修回日期:2006一08—2l。
作者简介:杨 飞(1982一),男,湖北仙桃人.硕士,主要从事计算机
测控和嵌入式系统应用的研究。
飞行控制实时仿真系统的CPU模块CPCI3700A是x86体
系结构,VxWorks对x86提供了很好的支持。且系统中的采
集卡都基于CPCI总线,Vxworks提供了PCI总线的底层操作
函数,使得开发CPCI驱动程序更方便。
2 CPCI驱动程序实现方法分析
CompactPCI简称CPCI,是PIcMG协会1994年提出来的
一种总线接口标准。它继续采用PcI局部总线技术,使用高可
靠欧洲卡结构,抛弃IPC的金手指式互连方式,改用2mm密
度的针孔连接器,进一步提高了可靠性。
2.1 CPcI总线地址映射机制
在PCI规范中,每一个PCI设备都有一个配置空间,容
量最大为256字节,称为配置寄存器。配置空间的256个字节
分为头标区和设备关联区[2]。头标区的布局如表1所示。
表1 PCI配置空间头标区
设备标识 厂商标识 OOh
状态字 命令字 04h
分类代码 修订版本标识 08h
内置自测试 头标类型 等待时间定时器 Cache行长Och
基地址寄存器 10h
cardbus卡的卡信息结构指针 28h
子系统标识 子系统供应商标识 2ch
扩充ROM基地址 30h
保留 34h
保留 38h
最长等待时间照短获准时间} 中断引脚 中断线 3ch
系统上电后,POST软件首先要把PCI总线上所有设备的
存储器地址和I/0地址映射到系统的内存区域中。在这之前,
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· 678· 计算机测量与控制 第15卷
设备往基地址寄存器中存放相应的值告诉POST软件本设备所
需要的空间[3]。CPCI9112中的PCI接口芯片是S5935,其基
地址寄存器的值可以从外部的非易失性存储器中获得,也可以
使用缺省配置。它有非易失性存储器总线,外部非易失性存储
器既可以连接到并行的总线上,也可以通过串行方式连接,两
者之间是通过一个管脚(sNV)的电平来选择[4]。通过往非易
失性存储器中按规定写入相应的值,在系统上电之后,S5935
从非易失性存储器指定的地址读出数据放入基地址寄存器中。
当s5935根据从外部非易失性存储器中读到的值设置好相应的
的寄存器后,POST软件先往基地址寄存器中全部写1,然后
读回其中的值,根据读回的值判断该设备需要多大的空间,再
把分配好的地址写回基地址寄存器。
2.2驱动程序实现方法
系统对设备完成地址映射之后驱动程序就可以根据分配的
基地址访问设备了。在Vxworks操作系统下,驱动程序可以
在内核之外与应用程序一起编译运行,也可以把驱动程序编译
到内核中去[5]。内核中实现可以增加系统的实时性和可靠性。
在内核外实现的方法是把设备驱动程序当作应用程序的一部
分,一起编译生成目标文件。在内核中实现就相对比较复杂,
如果驱动程序不按Vxworks中标准的驱动程序规范函数xx—
open,xxcreat,xxread,xxwrite,xxioctl,xxclose,xxdelete,
那么只需要把驱动程序编译生成的目标文件连接到内核中就可
以调用。具体的做法是把目标文件复制到编译内核的工程中,
在工程中把目标文件的名字添加到EXTRA—MODULES选项
中,然后编译生成Vxworks映象文件。如果要用VxWorks标
准的驱动规范函数,就得编写完驱动部分之后,调用ios—
DrvInstall往系统驱动程序表中添加采集卡的驱动程序入口点,
然后调用iosDevAdd往设备列表内添加设备描述符,并用设备
名字(drvName)和驱动程序号(drvNum)初始化设备描述
结构,最后将中断服务程序与中断矢量相连[6]。在CPCI9112
数据采集卡的驱动程序中,把驱动程序编译到VxWorks内核
中,而且没有使用标准的驱动规范,这样更方便操作采集卡。
3 CPcl9112数据采集卡驱动程序
CPCI9112是凌华公司生产的高性能数据采集卡,有16通
道12位A/D,采样频率可以达到llokHz。有两通道12位D/
A输出,16通道DI和16通道D0。采集卡上用的PCI接口芯
片是s5935。
3.1 s5935芯片简介[7]
S5935是AMCC公司系列PCI接口芯片的一种。它兼容
PCI2.1规范,既可作PCI总线主设备,也可作PCI总线从设
备,最大传输速度可达到132M/S。s5935的结构如图1所示。
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Pa总线
接口逻辑
直通数据
地址寄存器
总线兰方式数
据地址寄存器
FⅢo
邮箱
配置寄存器
状态奇存器
外部非易
失存储嚣
本地总线
接口逻辑
图1 S5935内部结构图
3.2驱动程序设计
CPCI9112采集卡驱动程序主要分为如下几个部分:数字
输入、数字输出、数模转换和模数转换。通过CPCI9112的用
户
得到寄存器的偏移地址之后,调用Vxworks操作系统
提供的10函数sysoutword就可以控制采集卡上的数字10输
出以及D/A输出。驱动程序中比较复杂的部分是A/D采集,
因为A/D采集的触发和传输方式比较多。一般的应用情况直
接用软件触发和软件查询,这种方式适合于低速A/D转换,
而且没有固定的频率。对于需要精确的采样周期以及高速A/
D转换的情况,可以选择定时器触发。配合定时器触发的传输
方式有两种:中断和DMA。DMA传输主要是用在一些高速
而且数据量比较大的情况,比如图像采集。而对于控制系统而
言,需要的采集结果是实时的,选用中断传输方式比较合适。
下面重点介绍以定时器和中断方式实现A/D转换的方法。
3.2.1查找设备并获得设备信息
Vxworks操作系统对PCI总线提供了很好的支持。在写
驱动程序之前,首先通过B10S或者在windows操作系统下用
软件获得CPcI卡的厂商号和设备号(比如windriver)。CP—
C19112采集卡的厂商号是oxloe8,设备号是Ox80d7。下面的
代码是找到采集卡并读出基地址寄存器中的地址和中断号。
pciFindDevice(OxlOe8,Ox80d7,O,&pciBus,8LpciDevice,&pciFunc);/*
找到相应的设备*/
pciConfigInLong(pciBus,pciDevice,pciFunc,PCI—CFG—BASE—AD—
DRESS-o,&BaseAddro);/*取出基地址寄存器。中的地址*/
pciConfigInLong(pciBus,pciDevice,pciFunc,PCI—CFG—BASE—AD—
DRESS_2,&BaseAddr2);
/*取出基地址寄存器2中的地址*/
pciConfiglnByte(pciBus,pciDevice,pciFunc,PCI—CFG—DEV—INT—
LINE,&irqnum);
/*取出中断号*/
基地址寄存器通过寄存器的最低位来标识该空间是存储器
空间还是I/O空间。最低位为。则表示所分配的空间是存储器
空间,为1是I/O空间。CPCI9112采集卡在系统中全部被映
射到IO空间。从s5935的芯片手册资料中知道,S5935配置
寄存器的基地址寄存器。中存放的是S5935的操作寄存器的基
地址。经过下面的代码得到操作寄存器基地址和I/0基地址。
OpBaseAddr=BaseAddrO&
PCI—IOBASE—MASK;
/*得到操作寄存器基地址*/
lOBaseAddr=BaseAddr2&
PCI-IOBAsE—MASK;/*得到I/0基地址*/
3.2.2设备在VxWorks中的地址映射
得到设备基地址后必须要完成设备在Vxworks中的地址
映射,以便应用程序可以正常的访问设备。在Vxworks的组
件中有MMU管理组件,该组件完成PCI设备在Vxworks系
统中的自动地址映射。如果系统中只包含了基本的MMU功
能时,系统不会对设备进行自动配置,这时可以用手动配置和
半自动配置的方法。
(1)在bootable工程中编译系统映象文件时,工程默认配
置的是basicMMUsupport组件,如果选择包含fullMMU
support组件,系统就会自动的对设备进行地址映射。
万方数据
第5期 杨飞,等:嵌入式操作系统Vxworks下cPcI设备驱动程序开发 ·679·
(2)手动配置的方法是根据PCI基地址寄存器中的值来修if((connected—pciIntconnect(INuM—To—IVEc(irqnum+ox20),
改sysLib.c文件中的sysPhysMemDesc表,但是这种方法使(VoIDFuNcPTR)
BSP的应用受到了限制。 interruptHandler,o))2一ERROR)
(3)半自动配置的方法是使用系统提供的函数sysM一 /”连接中断和中断服务函数”/
muMapAdd将地址加入到sysPhysMemDesc表中。
l。gM89(”i“‘c。““。。‘F8iled!!!!\“”,o,o,o,o,o,o);
3.2.3 中断的响应与处理 j~:,⋯。
硬件中断处理是实时系统设计的关键环节,外部事件通过 s。。。。。三d!i!l\。”'0,o.o,o,o,o);
中断通知系统,系统通过中断服务函数处理中断请求。为了获 。y。o。tLo。g(opB。。eAddr+o。38,oX00001foo);
得尽可能快的中断响应时间,Vxworks的中断处理程序运行/。设置s5935操作寄存器允许PcI芯片中断;/
在特定的上下文中,不涉及任何任务上下文的切换。 sy。I。tEnablePlc(irqnum);/*系统中断允许*/
在CPCI9112采集卡中,如果采用定时器触发A/D转换,(3)中断服务程序代码:
A/D转换的结果放在指定的寄存器中,同时S5935利用邮箱voidinte“uptHandler(void)
产生中断通知PCI总线A/D转换结束。A/D转换之前必须允(
许中断,首先通过S5935的操作寄存器允许邮箱中断,这个寄sysoutLong(opBaseAddr+ox38,
存器的基地址放在s5935配置寄存器的基地址寄存器。中,通5ysInLong(opBaseAddr+ox38)lox003foooo));
过设置偏移量为ox38的中断控制/状态寄存器(ICSR)来使/。清除中断标志位+/
能苎要:翌2氅甓毽萼59妻篓a.中要害崔之曼苎它同;嚣蒜箸淼换结果处理函州一个中断服务程序连接起来,Vxworks中是用pciIntConnect: ⋯⋯⋯“⋯⋯⋯⋯⋯7
函数完成的。在X86体系的CPU中,中断连接时要把中断号加上当=燃出市谤浩睑q;。。;的由赫棕士估船岳涵4结束语中断服务程序首先应该清除S5935的中断标志位,然后通’ 钳不旧
过信号量方式启动A/D转换结果处理函数。在中断服务程序 本文结合cPcl9112数据采集卡分析了在Vxworks嵌入
中,不可以调用I/0系统函数、阻塞函数,不可以做任何请求 式实时操作系统下开发CPCI设备驱动程序的方法。采用本文
任务上下文的操作。比较容易忽视的地方是在中断服务程序中 的方法编写的驱动程序在仿真系统中运行稳定可靠,系统的实
调用printf函数,如果需要打印调试信息,可以用LogMsg函时性相比用matlab的xPc得到了很大的提高,达到了设计要
数。 求。
(1)初始化8254定时器部分代码
sysoutLong(IOBaseAddr+oxoc,ox76);参考文献:
/*设置1号计数器为方波发生器*/ [1]孔祥营,柏桂枝.嵌入式实时操作系统Vxworks及其开发环境
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/*往1号计数器里写初值高位*/ [3]董春桥,李凯.Linux系统PcI设备驱动程序开发[j].计算机
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sysoutLong(10BaseAddr+ox08。oxoo); [M].北京:中国电力出版社,2004.
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/*定时器的初值根据具体应用的采样 DAscardsForPcI/3ucompactPcIusefsGuide[z].2003.
频率来设定*/ [7]AppliedMicroCircuitsCorporation.s5935PcIproductdatab00k
(2)中断连接和中断使能部分代码: Lzj-hnp://”””·8“。c·co“·1999·
(上接第667页)
3 结束语
本系统使用的芯片都较为常用,在对温度要求较高的航空
工业中能够有效降低生产成本。电路在笔者参加的航空项目中
作为航空电子设备的测试系统进行了应用,完全能够满足工程
使用要求。MCS一51单片机与HS3282之问的接口电路成功
解决了总线匹配的问题,对其他类似需要总线扩展的系统也有
一定的参考价值。
参考文献:
[1]中国工控网.RS一232、RS一422与Rs一485标准及应用[EB/
0L]_http://www.chinakong.com,2004.2.
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万方数据
嵌入式操作系统VxWorks下CPCI设备驱动程序开发
作者: 杨飞, 安锦文, 李中健, Yang Fei, An Jinwen, Li Zhongjian
作者单位: 西北工业大学,自动化学院,陕西,西安,710072
刊名: 计算机测量与控制
英文刊名: COMPUTER MEASUREMENT & CONTROL
年,卷(期): 2007,15(5)
被引用次数: 2次
参考文献(7条)
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3.董春桥.李凯 Linux系统PCI设备驱动程序开发[期刊论文]-计算机测量与控制 2005(11)
4.Wind River Systems Inc VxWorks Programmer's Guide 1998
5.周启平.张扬 VxWorks下设备驱动程序及BSP开发指南 2004
6.ADLINK Technology Inc ADLINK 9112 Series Multi-function DAS Cards For PCI/3U CompactPCI User's
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本文链接:http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_jsjzdclykz200705043.aspx
授权使用:四川九洲集团电器公司(jzdq),授权号:c37d33b5-c7ec-42c4-90e9-9e0d00b4f632
下载时间:2010年10月12日