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

　隨著通信技術(shù)的發(fā)展，低速串行設(shè)備動(dòng)態(tài)擴(kuò)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(diǎn)，而且還具有用戶可編程能力，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能重構(gòu)以及項(xiàng)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)基于總線的時(shí)序操作；采用內(nèi)存映射方式，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)的多個(gè)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(jì)方法采用中斷復(fù)用方式或者使用多個(gè)PowerPC中斷號(hào)。
在驅(qū)動(dòng)程序傳統(tǒng)開發(fā)過程中，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)的多個(gè)低速串行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)不受驅(qū)動(dòng)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(shí)際調(diào)試過程中則需要應(yīng)用程序人員、驅(qū)動(dòng)開發(fā)人員同時(shí)對(duì)各自的程序進(jìn)行修改、重新編譯。
本文在原有工程基礎(chǔ)上對(duì)FPGA驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行了更改、封裝，實(shí)現(xiàn)了基于FPGA的多個(gè)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(dòng)，并在此基礎(chǔ)上提出了一種低速串行設(shè)備驅(qū)動(dòng)層次化設(shè)計(jì)方法。
1 低速串行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
　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(dòng)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(shí)驅(qū)動(dòng)程序之間的關(guān)系如圖1所示。
ttyDrv和tyLib實(shí)現(xiàn)了以下的功能[2]：（1）I/O系統(tǒng)請(qǐng)求（在驅(qū)動(dòng)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(shí)的低速串行設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(dòng)數(shù)據(jù)；tyLib提供了2個(gè)回調(diào)函數(shù)（tyITx和tyIRd）。
1.1 標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)程序的構(gòu)造
　SIO_DRV_FUNCS結(jié)構(gòu)體是串行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的一個(gè)重要的組成部分，它是驅(qū)動(dòng)函數(shù)的入口，在串行設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序中必須要有一個(gè)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(dòng)函數(shù)中所使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，VxWorks提供了一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)SIO_CHAN來進(jìn)行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換[3]。SIO_CHAN結(jié)構(gòu)僅定義了一個(gè)指向SIO_DRV_FUNCS結(jié)構(gòu)體的指針。
　FPGA實(shí)現(xiàn)的多個(gè)低速串行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)構(gòu)造實(shí)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(duì)應(yīng)的信號(hào)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(dòng)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(duì)xxDrv的服務(wù)進(jìn)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(dòng)函數(shù)在SIO_DRV_FUNCS中的掛接實(shí)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(dòng)程序標(biāo)準(zhǔn)操作函數(shù)的實(shí)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(dòng)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(duì)列中并調(diào)用驅(qū)動(dòng)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(shí)際需求修改config.h中NUM_TTYS宏；
?。?）參照sysSerialHwInit（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)FpgaSerialHwInit（），對(duì)NUM_TTYS個(gè)低速串行設(shè)備結(jié)構(gòu)體FPGA_CHAN進(jìn)行初始化以及驅(qū)動(dòng)函數(shù)和回調(diào)函數(shù)的掛接；
?。?）參照sysSerialHwInit2（）函數(shù)實(shí)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(dòng)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(dòng)層次化設(shè)計(jì)方法
　在不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，PowerPC和FPGA硬件連接方式不盡相同，如不同的片選信號(hào)、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(shí)現(xiàn)的寄存器映射地址及使用的中斷號(hào)存在差異；針對(duì)不同的應(yīng)用程序和應(yīng)用場所，外部接口對(duì)應(yīng)的設(shè)備也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。以上這些都會(huì)破壞程序的獨(dú)立性、設(shè)備無關(guān)性。需要對(duì)驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序進(jìn)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(hù)。這是在設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中需要考慮的一個(gè)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(dòng)設(shè)計(jì)方法。將驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)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(shí)現(xiàn)的功能如下：
　（1）硬件分離層：通過XML文件實(shí)現(xiàn)低速串行驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)初始化和硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)差異的分離；
　（2）設(shè)備加載層：實(shí)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(dòng)的加載；
?。?）功能描述層：通過XML文件實(shí)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(dòng)層次化設(shè)計(jì)方法流程如圖5所示。

3.1 層次化設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)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(duì)硬盤操作一樣，進(jìn)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(diǎn)是改變參數(shù)配置時(shí)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(gè)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(gè)XML文檔并由此生成一個(gè)可讀、可修改、可保存的文檔對(duì)象模型（DOM）。本文的實(shí)現(xiàn)過程中使用TinyXML對(duì)XML文檔進(jìn)行解析。
　低速串行設(shè)備驅(qū)動(dòng)層次化設(shè)計(jì)方法建立在文件系統(tǒng)之上，VxWorks可以動(dòng)態(tài)地加載用戶程序，并在系統(tǒng)中加入對(duì)XML文件進(jìn)行解析和存儲(chǔ)的功能。
　硬件分離層：FpgaSerialHwInit（）通過讀取設(shè)備對(duì)應(yīng)的BSP_Config.xml文件，對(duì)多個(gè)低速串行設(shè)備結(jié)構(gòu)體FPGA_CHAN中的各個(gè)寄存器地址進(jìn)行初始化以及驅(qū)動(dòng)函數(shù)和回調(diào)函數(shù)的掛接。
設(shè)備加載層：實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(duì)外連接狀態(tài)及設(shè)備提供的功能，對(duì)多個(gè)低速串行設(shè)備read、write以及ioctl等操作。
通常設(shè)備驅(qū)動(dòng)人員只需要進(jìn)行對(duì)BSP_Config.xml和USER_Config.xml兩個(gè)配置文件進(jìn)行修改、更新。
3.2 XML配置文件的設(shè)計(jì)及實(shí)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(diǎn)*/
    ……
node=rootNode->FirstChild（"System"）；
/*獲取匹配的子節(jié)點(diǎn)*/
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(diǎn)*/
    ……
node=rootNode->FirstChild（"System"）；
/*獲取匹配的子節(jié)點(diǎn)*/
itemElement=node->ToElement（）；/*轉(zhuǎn)換為元素*/
itemElement->SetDoubleAttribute（"Type"，Type）
；/*更新屬性*/
    ……
doc.SaveFile（CONFIG_FILE_NAME）；
/*存儲(chǔ)更新配置文件*/

　本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種VxWorks低速串行設(shè)備驅(qū)動(dòng)的層次化設(shè)計(jì)方法，通過驅(qū)動(dòng)程序功能分層設(shè)計(jì)方式，屏蔽各層的實(shí)現(xiàn)細(xì)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(dòng)程序的設(shè)計(jì)不受驅(qū)動(dòng)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(shí)際的工程實(shí)現(xiàn)中節(jié)約了開發(fā)時(shí)間，極大地提高了效率。
參考文獻(xiàn)
[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(shí)踐[M].北京：人民郵電出版社，2004.