摘  要： 針對傳統(tǒng)開發(fā)模式存在的問題,，在原有工程基礎(chǔ)上對低速串行設(shè)備驅(qū)動程序進行了更改,、封裝,，并提出了一種低速串行設(shè)備驅(qū)動層次化設(shè)計方法。
關(guān)鍵詞： 層次化設(shè)計方法,；低速串行設(shè)備,；設(shè)備驅(qū)動

　隨著通信技術(shù)的發(fā)展，低速串行設(shè)備動態(tài)擴展和多低速串行設(shè)備全雙工通信技術(shù)在嵌入式領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛,。利用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA（Field Programmable Gates Army）完全可以將若干接口電路的功能集成到一片F(xiàn)PGA中,，這不僅具有集成度高、體積小和功耗低等優(yōu)點,，而且還具有用戶可編程能力,，同時還可實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能重構(gòu)以及項目過程中一些特殊低速串行設(shè)備傳輸方式，這是專用低速串行設(shè)備實現(xiàn)芯片所不具備的功能,。
　嵌入式系統(tǒng)一般采用PowerPC+FPGA的架構(gòu)方式,，F(xiàn)PGA主要完成底層接口協(xié)議處理，PowerPC的任務(wù)主要實現(xiàn)控制功能,。FPGA與PowerPC通過內(nèi)部總線（Local Bus）方式連接,，F(xiàn)PGA實現(xiàn)基于總線的時序操作；采用內(nèi)存映射方式,，F(xiàn)PGA實現(xiàn)的多個低速串行設(shè)備的設(shè)置,、操作寄存器以及FIFO的入口出口映射為PowerPC可尋址的一段內(nèi)存空間，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方法采用中斷復(fù)用方式或者使用多個PowerPC中斷號,。
在驅(qū)動程序傳統(tǒng)開發(fā)過程中,，F(xiàn)PGA實現(xiàn)的多個低速串行設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計不受驅(qū)動體系約束，只是簡單地根據(jù)上層應(yīng)用的需求提供接口,，導(dǎo)致應(yīng)用程序代碼可移植性,、可讀性差，開發(fā)流程并行度不高,，層次性不明確。實際調(diào)試過程中則需要應(yīng)用程序人員,、驅(qū)動開發(fā)人員同時對各自的程序進行修改,、重新編譯。
本文在原有工程基礎(chǔ)上對FPGA驅(qū)動程序進行了更改,、封裝,，實現(xiàn)了基于FPGA的多個低速串行設(shè)備在VxWorks系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)I/O設(shè)備驅(qū)動，并在此基礎(chǔ)上提出了一種低速串行設(shè)備驅(qū)動層次化設(shè)計方法,。
1 低速串行設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計
　在VxWorks中,，串行設(shè)備是一種特殊字符設(shè)備。與字符設(shè)備不同的是,，串行設(shè)備的驅(qū)動程序并不是直接掛在I/O系統(tǒng)中,，而是通過虛擬設(shè)備ttyDrv來使用[1],。ttyDrv與I/O系統(tǒng)以及真實驅(qū)動程序之間的關(guān)系如圖1所示。
ttyDrv和tyLib實現(xiàn)了以下的功能[2]：（1）I/O系統(tǒng)請求（在驅(qū)動表中增加入口函數(shù),，創(chuàng)建設(shè)備描述符等）,；（2）管理I/O系統(tǒng)的入口函數(shù)，如tyOpen,，ttyIoctl,，tyRead，tyWrite等,；（3）管理selectLib的調(diào)用,；（4）管理數(shù)據(jù)緩沖區(qū)以及緩沖區(qū)上的線程同步互斥；（5）ttyDrv處理open和ioctl操作（ttyOpen and ttyIoctl）,；（6）tyLib處理read和write操作（tyRead and tyWrite）,。

　真實的低速串行設(shè)備驅(qū)動函數(shù)（xxDrv）通過ttyDrv安裝的回調(diào)函數(shù)在I/O系統(tǒng)和設(shè)備之間移動數(shù)據(jù)；tyLib提供了2個回調(diào)函數(shù)（tyITx和tyIRd）,。
1.1 標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動程序的構(gòu)造
　SIO_DRV_FUNCS結(jié)構(gòu)體是串行設(shè)備驅(qū)動程序的一個重要的組成部分,，它是驅(qū)動函數(shù)的入口，在串行設(shè)備的驅(qū)動程序中必須要有一個包含指向SIO_DRV_FUNCS指針的結(jié)構(gòu)（xx_CHAN）,，xx_CHAN包含了xxDrv中所需要的設(shè)備特定信息,，以及提供給高層函數(shù)的底層操作函數(shù)；由于系統(tǒng)不知道驅(qū)動函數(shù)中所使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),，VxWorks提供了一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)SIO_CHAN來進行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換[3],。SIO_CHAN結(jié)構(gòu)僅定義了一個指向SIO_DRV_FUNCS結(jié)構(gòu)體的指針。
　FPGA實現(xiàn)的多個低速串行設(shè)備驅(qū)動程序的結(jié)構(gòu)構(gòu)造實例如下：
 typedef struct{
    /*SIO_CHAN*MUST*be first*/
    SIO_CHAN sio,；/*standard SIO_CHAN element*/
    UINT32*    inBase,；    /*FIFO入口地址*/
    UINT32*    outBase；        /*FIFO出口地址*/
    UINT32*    baudFreqSetBase,；    /*波特率設(shè)置地址*/
    UINT32* IntSourceBase,；/*中斷源寄存器地址*/
    UINT32* inNumBase；    
/*FIFO有效數(shù)據(jù)長度寄存器地址*/
    SEM_ID RecvSem,；/*對應(yīng)的信號量*/
    UINT32    intLevel,；
    UINT32    IntSourceMask；/*中斷源寄存器掩碼*/
    /*callbacks*/
    STATUS  （*getTxChar） （void*,，char*）,；
    void     （*putRcvChar） （void*，char）,；
    void *    getTxArg,；
    void *    putRcvArg；
    } FPGA_CHAN,；
1.2 驅(qū)動函數(shù)和回調(diào)函數(shù)的掛接
　ttyDrv通過SIO_DRV_FUNCS提供的入口對xxDrv的服務(wù)進行訪問,，xxDrv通過回調(diào)函數(shù)來訪問ttyDrv提供的服務(wù)[4],。xxDrv驅(qū)動函數(shù)在SIO_DRV_FUNCS中的掛接實例如下：
LOCAL SIO_DRV_FUNCS fpgaSioDrvFuncs=
    {
    fpgaIoctl， /*Support device specific ioctl cmds*/
    fpgaTxStartup,， /*Initiates a transmit cycle*/
    fpgaCallbackInstall,，
/*Installs access to higher level protocols */
    fpgaPollInput，/*Poll mode input routine*/
    fpgaPollOutput     /*Poll mode output routine*/
    },；
1.3 驅(qū)動程序標(biāo)準(zhǔn)操作函數(shù)的實現(xiàn)
1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)寫函數(shù)
　標(biāo)準(zhǔn)的I/O系統(tǒng)寫函數(shù)write（）調(diào)用tyWrite（）函數(shù)——ttyDrv加載在驅(qū)動表中的寫入口函數(shù),，tyWrite（）函數(shù)將數(shù)據(jù)放入環(huán)形緩沖隊列中并調(diào)用驅(qū)動函數(shù)fpgaTxStartup（）發(fā)起一次傳輸過程。write函數(shù)的調(diào)用關(guān)系如圖2所示,。

2 低速串行設(shè)備的加載
?。?）根據(jù)實際需求修改config.h中NUM_TTYS宏；
?。?）參照sysSerialHwInit（）函數(shù)實現(xiàn)FpgaSerialHwInit（）,，對NUM_TTYS個低速串行設(shè)備結(jié)構(gòu)體FPGA_CHAN進行初始化以及驅(qū)動函數(shù)和回調(diào)函數(shù)的掛接；
?。?）參照sysSerialHwInit2（）函數(shù)實現(xiàn)FpgaSerialHwInit2（）,，掛接中斷處理函數(shù)fpgaRcvInt（）；
?。?）調(diào)用ttyDevCreate（）函數(shù)創(chuàng)建tty設(shè)備,，添加設(shè)備驅(qū)動表，生成環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū),，安裝回調(diào)函數(shù)tyITx（）和tyIRd（）,。
3 低速串行設(shè)備驅(qū)動層次化設(shè)計方法
　在不同的系統(tǒng)設(shè)計中，PowerPC和FPGA硬件連接方式不盡相同,，如不同的片選信號,、總線上數(shù)據(jù)線高低位的不同接法，中斷管腳接法的不同,，導(dǎo)致FPGA實現(xiàn)的寄存器映射地址及使用的中斷號存在差異,；針對不同的應(yīng)用程序和應(yīng)用場所，外部接口對應(yīng)的設(shè)備也會發(fā)生相應(yīng)的變化,。以上這些都會破壞程序的獨立性,、設(shè)備無關(guān)性。需要對驅(qū)動程序,、應(yīng)用程序進行重新編譯、燒寫,，不利于版本的管理以及外場設(shè)備的維護,。這是在設(shè)備驅(qū)動設(shè)計中需要考慮的一個問題。
由此本文提出了一種層次化的低速串行設(shè)備驅(qū)動設(shè)計方法,。將驅(qū)動程序的實現(xiàn)分為三層,，硬件分離層,、設(shè)備加載層和功能描述層，各自實現(xiàn)的功能如下：
?。?）硬件分離層：通過XML文件實現(xiàn)低速串行驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)初始化和硬件設(shè)備實現(xiàn)差異的分離,；
　（2）設(shè)備加載層：實現(xiàn)低速串行設(shè)備在VxWorks系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)I/O設(shè)備驅(qū)動的加載,；
?。?）功能描述層：通過XML文件實現(xiàn)應(yīng)用程序和低速串行設(shè)備之間的映射關(guān)系以及串行設(shè)備功能的描述。
低速串行設(shè)備驅(qū)動層次化設(shè)計方法流程如圖5所示,。

3.1 層次化設(shè)計驅(qū)動程序的實現(xiàn)
　嵌入式操作系統(tǒng)中,，通常都使用Flash作為主存介質(zhì)。在Flash上建立TFFS文件系統(tǒng),，建立文件系統(tǒng)后,，類似于在Windows操作系統(tǒng)下對硬盤操作一樣，進行數(shù)據(jù)的拷貝,、刪除以及文件的建立等操作,。XML作為配置文件的主要優(yōu)點是改變參數(shù)配置時不需要改變和重新編譯應(yīng)用程序，只需在XML文件中更改就可以了,。TinyXML是一個簡單小巧,、且很容易集成到其他程序中的C++XML解析器。即TinyXML解析一個XML文檔并由此生成一個可讀,、可修改,、可保存的文檔對象模型（DOM）。本文的實現(xiàn)過程中使用TinyXML對XML文檔進行解析,。
　低速串行設(shè)備驅(qū)動層次化設(shè)計方法建立在文件系統(tǒng)之上,，VxWorks可以動態(tài)地加載用戶程序，并在系統(tǒng)中加入對XML文件進行解析和存儲的功能,。
　硬件分離層：FpgaSerialHwInit（）通過讀取設(shè)備對應(yīng)的BSP_Config.xml文件,，對多個低速串行設(shè)備結(jié)構(gòu)體FPGA_CHAN中的各個寄存器地址進行初始化以及驅(qū)動函數(shù)和回調(diào)函數(shù)的掛接。
設(shè)備加載層：實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)I/O設(shè)備驅(qū)動的加載,。
　功能描述層：應(yīng)用程序通過讀取USER_Config.xml文件,，獲取設(shè)備的對外連接狀態(tài)及設(shè)備提供的功能，對多個低速串行設(shè)備read,、write以及ioctl等操作,。
通常設(shè)備驅(qū)動人員只需要進行對BSP_Config.xml和USER_Config.xml兩個配置文件進行修改、更新,。
3.2 XML配置文件的設(shè)計及實現(xiàn)
　BSP_Config.xml文件格式示例如下：
const char*bspXmlCfg=
"<?xml version=\"1.0\" encoding=\"UTF-8\" ?>"
"<Settings>"
"<DevSerial>"
"<inBase>\"10xd0100000\"</inBase>"
"<outBase>\"10xd0100100\"</outBase>"
……
"<IntSourceMask>\"10xd0100800\"</IntSourceMask>"
"</DevSerial>"
……
"</Settings>"
USER_Config.xml文件格式示例如下：
const char*userXmlCfg=
"<?xml version=\"1.0\" encoding=\"UTF-8\"?>"
"<Settings>"
        "<DevSerial>"
        "<DevSerial Config Port=\"2\" Baud=\"38400\"
Enabled=\"1\"/>"
     "</DevSerial>"
……
"</Settings>"
XML文件的遍歷和讀取方法如下：
TiXmlDocument doc（CONFIG_FILE_NAME）,；
bool loadOkay=doc.LoadFile（）；/*讀取文件*/
doc.Print（）,；/*輸出打印*/
rootNode=doc.FirstChild（"Settings"）,；/*獲取根節(jié)點*/
    ……
node=rootNode->FirstChild（"System"）,；
/*獲取匹配的子節(jié)點*/
itemElement=node->ToElement（）；/*轉(zhuǎn)換為元素*/
itemElement->Attribute（"Type",，&dValue）,；/*讀取屬性*/
XML文件的保存和更新方法如下：
TiXmlDocument doc；
doc.Parse（demoXmlCfg）,；
/*讀取需要保存的XML文件框架結(jié)構(gòu)*/
rootNode=doc.FirstChild（"Settings"）,；/*獲取根節(jié)點*/
    ……
node=rootNode->FirstChild（"System"）；
/*獲取匹配的子節(jié)點*/
itemElement=node->ToElement（）,；/*轉(zhuǎn)換為元素*/
itemElement->SetDoubleAttribute（"Type",，Type）
；/*更新屬性*/
    ……
doc.SaveFile（CONFIG_FILE_NAME）,；
/*存儲更新配置文件*/

　本文提出并實現(xiàn)了一種VxWorks低速串行設(shè)備驅(qū)動的層次化設(shè)計方法,，通過驅(qū)動程序功能分層設(shè)計方式，屏蔽各層的實現(xiàn)細節(jié),，克服了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程中,，由于設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計不受驅(qū)動體系約束帶來的程序代碼的可移植性、可讀性差,，開發(fā)流程并行度不高,，層次性不明確等不足之處；在實際的工程實現(xiàn)中節(jié)約了開發(fā)時間,，極大地提高了效率,。
參考文獻
[1] Vxworks kernel programmers guide[Z].Wind River Systems Inc，2006.
[2] Vxworks device driver developers guide[Z]. Wind River Systems Inc,， 2006.
[3] 內(nèi)核示例源代碼[Z]. Wind River Systems Inc,， 2006.
[4] 陳智育，等.VxWorks程序開發(fā)實踐[M].北京：人民郵電出版社,，2004.