基于VxBus的设备驱动开发

摘   要： 介绍了在VxWorks下，基于VxBus的设备驱动程序的开发。结合PCI2040，讲述了VxBus原理、设备驱动开发步骤及具体实现过程。
关键词： VxWorks; VxBus; 设备驱动; BSP; PCI2040
       VxBus是风河公司新的设备驱动程序架构，是VxWorks新增的特性，它是在VxWorks6.2及以后版本被增加到VxWorks中的。在以前的版本中，驱动程序并没有和工程配置集成到一起，如果要配置设备驱动，就要通过修改BSP目录下的config.h和syslib.c文件来完成。而基于VxBus架构模型的好处是允许驱动的集成和配置在Workbench工程中完成。这就意味着在Workbench环境下，每个驱动程序都能通过可视化环境进行配置，都能够按要求添加或删除设备。本文结合基于PCI2040数据采集卡驱动的开发过程[1]，分析了VxBus架构下驱动的设计实现。
1 VxBus简介
　VxBus是指在VxWorks中用于支持设备驱动的特有的架构，这种架构包含对minimal BSP的支持。它包括以下功能:①允许设备驱动匹配对应设备;②提供驱动程序访问硬件的机制;③软件其他部分访问设备功能;④在VxWorks系统中，实现设备驱动的模块化。VxBus在总线控制器驱动程序服务的支持下，能在总线上发现设备，并执行一些初始化工作，使驱动与硬件设备之间正常的通讯。
　图1是VxBus 在整个系统中的位置示意图。从图1中可以看到，VxBus起到了辅助总线的作用，提供了对总线控制驱动的支持。
   
       在VxWorks6.2版本发布前，设备驱动并不能被集成到VxWorks工程配置当中，为了添加或移出设备驱动，需要有丰富的BSP和驱动开发相关的知识[2]。并且在驱动被添加或移出时要去做一些管理VxWorks 工程的额外的工作。作为VxWorks系统组件的一部分，VxBus消除了上面遇到的一些难题，各种驱动和支持组件的添加与删除完全可以在Workbench工程中进行，而不需要BSP和驱动相关的知识,也不会在添加、删除驱动时增加管理VxWorks工程的额外工作。因此大大方便了BSP的开发。
2 硬件介绍
     TI公司推出的PCI2040是一款用于实现PCI局部总线与DSP之间无缝链接的专用芯片。在VxWorks实时操作系统环境下实现主机与DSP的通讯，系统利用PCI2040实现TMS320VC5410与主机的通讯。由于PCI2040是TI的配套专用芯片，硬件级的连接比较简单，将对应的引脚连接即可。需要注意的是，未用的输入信号线需要通过上拉电阻上拉至有效逻辑电平。TMS320VC5410的MCBSP0与TLC2548 连接，实现8路12位A/D数据的采集。TMS320VC5410将采集到的数据通过PCI2040传输到主机上，数据在主机上得到进一步的处理。硬件连接框图如图2所示。
   
   
3 驱动开发
     基于VxBus架构下PCI2040设备驱动的开发主要包括设备的初始化、设备控制以及设备驱动如何以组件形式添加到Workbench配置界面中。下面分步介绍它的实现。
3.1设备驱动初始化
     设备的初始化，包含在BSP的初始化过程中[3]，主要分三个阶段，如图3所示。
   
   
3.1.1内核预初始化阶段
　系统上电启动，CPU在上电时跳转到一个指定的地址 ，开始执行指令，初始化内存和CPU,然后是VxWorks 的初始化处理。
　在VxWorks内核预初始化早期，BSP的sysHwInit( )函数被执行[4]，在这个函数中，设备驱动初始化工作第一步被执行。sysHwInit( )函数执行一些早期的初始化，调用hardWareInterFaceInit( )函数，执行初始化硬件内存分配机制，这步允许在系统内存池初始化之前，限制为设备驱动分配内存，这个函数接着调用hardWareInterFaceBusInit( )，在hardWareInterFaceBusInit( )函数中完成所有设备驱动和模块的注册工作。PCI2040的注册函数是vxbPci2040Register()。vxbPci2040Register()通过数据结构，向系统注册一些设备初始化函数。其中涉及到三个数据结构：
LOCAL struct drvBusFuncs PciFuncs =
         {
         Pci2040InstInit,    /* devInstanceInit */
         Pci2040InstInit2,    /* devInstanceInit2 */
         Pci204InstConnect    /* devConnect */
         }
        在这个结构中，包含了初始化阶段要调用的函数。下面的初始化过程会用到这些函数。
LOCAL struct vxbDeviceMethod Pci2040Methods[] =
        {
        DEVMETHOD(ReadHPID,    PCI2040ReadHPID),
        DEVMETHOD(WriteHPID,    PCI2040WriteHPID),
        DEVMETHOD(ReadHPIA,    PCI2040ReadHPIA),
        DEVMETHOD(WriteHPIA,    PCI2040WriteHPIA),
        DEVMETHOD(ReadHPIC,    PCI2040ReadHPIC),
        DEVMETHOD(WriteHPIC,    PCI2040WriteHPIC),
        DEVMETHOD(ReadCSR,    PCI2040ReadCSR),
        DEVMETHOD(WriteCSR,    PCI2040WriteCSR),
        { 0, 0 }
        }  
      这个结构提供了应用软件操作硬件的一些函数及方法。
         LOCAL struct vxbPciRegister Pci2040DevPciRegistration =
         {
               {
               NULL,                        /* pNext */
               VXB_DEVID_DEVICE,        /* devID */
         VXB_BUSID_PCI,            /* busID = PCI */
               VXB_VER_4_0_0,                /* vxbVersion */
            LNPCI_NAME,                    /* drvName */
            &Pci2040Funcs,            /* 总线驱动函数*/
            Pci2040Methods,            /* 设备方法结构 */
            Pci2040Probe,                    /* 设备探测函数 */
            Pci2040ParamDefaults        /* 参数*/
            },
         NELEMENTS(PciPci204DevIDList),
         PciPci204DevIDList                /*设备资源列表*/
　　    };
　　最后这个结构在vxbPci2040Registe()中被使用。这个结构包括几个驱动的初始化入口，其中Pci2040Probe()是PCI2040采集卡的硬件探测函数，该函数在VxBus初始化过程中检测采集卡的数量，当检测到采集卡时，将采集卡与驱动结合，形成设备的一个实例，以便应用程序使用。Pci204InstanceInit( )函数在VxBus初始化的第一阶段被调用， Pci204InstanceInit( )函数只是简单地确保设备的中断被禁止。
     当所有驱动在VxWorks注册之后，hardWareInterFaceBusInit( )和hardWareInterFaceInit( ) 函数返回，sysHwInit( ) 完成非VxBus 驱动的初始化并返回。sysHwInit( ) 函数返回后，VxWorks内核被初始化。
3.1.2 内核自检
     在这个阶段，内核在sysHwInit2( )中执行，BSP调用Pci2040InstanceInit2( )函数[5]。在这个函数中，建立系统内存到设备空间的映射。关键部分代码如下：
LOCAL void Pci204InstInit2(VXB_DEVICE_ID pDev)
　　{……
　　    for (i = 0; i < VXB_MAXBARS; i++)
　　        {
　　        if (pDev->regBaseFlags == VXB_REG_IO)
　　            break;
　　        }
　　       if (i == VXB_MAXBARS)
　　       return;
     pDrvCtrl->Pci2040Bar = pDev->pRegBase;
　　    vxbRegMap (pDev, i, &pDrvCtrl->Pci2040Handle);
                             //设备I/O映射到系统内存
　　    ……
　　    }
     此时，完成内核服务初始化，并可以被驱动访问。但是，中间层的服务仍然无效。
3.1.3 应用程序初始化驱动部分
　 在devInstanceInit2( )函数最后，创建用户的运行任务，并完成设备驱动的初始化。在这个阶段，Pci2040InstanceConnect( )函数被调用，完成最后的初始化工作，在这个函数中，主要是建立中断与中断服务程序的连接。
　至此，设备驱动的初始化完成。
3.2驱动程序的配置
　采用VxBus驱动的一个主要优点是：设备的驱动程序可以被看成VxWorks 系统的一个组件，通过集成的Workbench开发环境来配置设备驱动。为了实现这一功能，开发的驱动需要增加一些额外的扩展文件。标准VxWorks设备驱动有一个最小的文件集,对于大多数VxWorks设备驱动，最小的设备驱动集要求有6个单独的文件[6]。PCI2040数据采集卡需要有以下文件：
     · 一个驱动源文件PCI2040.c,执行驱动运行逻辑，包括PCI2040驱动的实现代码。
     · 一个组件描述文件PCI2040.cdf，允许集成驱动到VxWorks开发工具Workbench当中。
     · 一个PCI2040.dc文件，提供驱动注册函数原型。
     · 一个PCI2040.dr文件,提供一个调用注册函数的C语言代码段。
     · 一个readme文件 ,提供版本信息。
     · 一个makefile 文件，提供建立驱动的编译规则。
     当上述文件在workbench环境下进行相应的配置后，PCI2040的设备驱动就会以组件的形式出现在开发工程的Kernel Configuration选项中，可以方便地进行PCI2040驱动配置。
4 应用程序与驱动的通信
     为了使设备和驱动能够在VxWorks系统中使用，让应用程序、中间件、VxWorks内核模块访问设备，执行一些操作，最基本的方法是在VxWorks中采用VxBus方法来实现硬件设备的访问。VxBus方法是在驱动中公开一个入口，使VxBus中API函数可以调用这些入口函数。在PCI2040初始化阶段，Pci2040Methods结构中注册的函数就是在驱动中公开的函数，用于对PCI2040的操作。
     例如，通过PCI2040 完成对DSP数据寄存器的访问
     struct vxbDriverControl ctrl;
     vxbDevMethodRun(DEVMETHOD_CALL(ReadHPID),&ctrl);
     vxbDevMethodRun( )函数够被用于调用一个指定的驱动方法，这个函数反复查找所有的实例，并检查每一个，看是否有指定公开申明的方法，如果实例有指定的方法，vxbDevMethodRun( )调用方法函数。
     为了避免重复遍历在系统上的所有实例,可以用 vxbDevMethodGet( )函数找出驱动函数相对应的驱动方法 ，然后通过下面代码完成函数调用。
     STATUS (*methodFunc)(VXB_DEVICE_ID devID, void * pArg);
     methodFunc = bDevMethodGet(devID,DEVMETHOD_CALL(ReadHPID));
     if(methodFunc != NULL )
     (*methodFunc)(devID, pArg);
     在PCI2040的数据采集卡中，通常是DSP在采集完数据后，通过中断通知主机，去读取数据。下面是中断服务相关代码。
void PCI2040Isr()
{ ……
     temp=*(PCI2040. instID.pRegister+0x4); //读中断寄存器
     if((tempr&0x1)!＝0)               //检查是否是该实例中断
     { *(PCI2040. instID.pRegister +0x4)=0x1;
     temp= *(PCI2040. instIDpDspHpicRegister);
     *(PCI2040. instIDpDspHpicRegister)＝temp｜0x0808;
                               //通知DSP,清除HINT中断
     semGive(semForPci2040Int);
    }
}
     采用基于VxBus架构来开发PCI2040数据采集卡的驱动，通过扩展文件实现驱动的配置。与简单的非VxBus
驱动相比，显然增加了工作量，然而对于基于多个BSP设备的复杂的驱动，VxBus驱动是优于非VxBus驱动的。通过实际运用证明，所开发采集卡的驱动能够稳定运行,并且能很方便地将该驱动移植到其他的系统。
参考文献
[1]     高超,郝燕玲,吴润.VxWorks下网卡驱动程序的开发[J].微计算机信息.2004(9):18-20.
[2]     周启平,张杨. VxWorks下设备驱动程序及BSP开发指南[M]. 北京.中国电力出版社，2004.
[3]     VxWorks Device Driver Developer&prime;s Guide Wind River Systems, Inc.2007.1,6.6
[4]     VxWorks Device Driver Developer's Guide Volume 2, 6.6. Wind River Systems, Inc.2007.2,6.6
[5]     VxWorks Device Driver Developer's Guide Volume 3,6.6. Wind River Systems, Inc.2007.3,6.6
[6]     BSP Developer's Guide，6.6 Wind River Systems,Inc.2007.