基于VxWorks的PCI总线多功能数据采集卡驱动开发

摘要：VxWorks是WindRiver(风河)公司开发的嵌入式实时操作系统(RTOS)，由于它的高实时性，所以广泛地应用于军事、工业控制、通信等领域；分析了Vxworks下PCI总线多功能数据采集卡的实现方法；以ADLINK的PCI7396数据采集卡为例，介绍PCI总线设备的配置空间，包括它的结构及访问方法，重点介绍PCI总线设备在VxWorks下驱动程序的开发步骤及编程要点，并对开发过程中的关键部分给予代码说明；在某综合控制系统中，开发的驱动程序运行稳定、可靠。
关键词：VxWorks；PCI；数据采集卡；驱动

    VxWorks是一种高性能的嵌入式实时操作系统(RTOS)，它由WindRiver公司开发，具有小巧的内核，可根据需要进行裁减；它还获得广泛的硬件支持，像X86系列的CPU，Motorola 68K系列的CPU，Motorola／IBM Power PC等等；它还具有很高的可靠性和实时性，像美国登陆的火星探测器使用的就是VxWorks操作系统；它还有其它的很多优点，因此被广泛地使用在通信、军事、航空、控制等高精尖技术以及实时性要求极高的领域中。
    PCI总线由于其即插即用、独立于微处理器、通用性好、具有很高的兼容性等等优良的特点，使得它成为运用最广泛的局部总线标准，而且具有很大的发展潜力。使它成为具有很好发展潜力的局部总线标。多功能数据采集卡在工业控制中有着广泛的运用，它是信号和嵌入式处理器的有效交互的工业控制系统中的重要环节，特别是它的中断功能能提供很有效的实时性。在Vxworks下，一个重要的问题就是如何开发出高效率的数据采集卡驱动，只有驱动稳定了，才能使系统高效地运转。文中结合Adlink公司的7396芯片，探讨在VxWorks下基于PENTIUM CPU的PCI多功能数据采集卡的驱动开发。

1 VxWorks下的设备驱动程序
1．1 VxWorks下的I／O系统
    I／O系统全称为(Input／Output)输入输出系统，在VxWorks系统中，I／O系统向用户屏蔽了硬件层，为用户提供了一个统一的标准接口，使得应用层的用户只要了解I／O系统的标准接口使用方法，就可以正确地操作外部设备。I／O系统为设备提供了7个标准的I／O接口函数：creat(．．．)、delete(．．．)、open(．．．)、close(．．．)、read(．．．)、write(．．．)、ioctl(．．．)。驱动程序设计者只要根据实际项目、工程的需要设计完成相应功能的接口函数，然后在使用时I／O系统就可以把应用程序的I／O请求转发给相应的设计好的设备驱动程序进行处理。在VxWorks系统中I／O系统是通过维护文件描述符表、设备描述符表和驱动程序列表这3张表格来实现对驱动程序的管理的。
1．2 VxWorks设备驱动程序的分类
    在Vxworks系统中，输入／输出设备从宏观上分为3种类型：字符设备、块设备和网络设备。依据设备的类型，VxWorks下设备驱动程序的管理也被划分成3种模块：字符设备驱动程序模块、块设备驱动程序模块、网络设备驱动程序模块。从架构上说，字符设备驱动程序的实现相对来说是最简单的，它向上只是与I／O系统接口，所以只需要提供内个接口就可以了。块设备驱动程序相对于字符设备来说相对的复杂，它还要与中间的文件系统相连，为文件系统提供服务，块设备的最大特点就是以“块”为单位进行操作，在读取其中的数据时，必须将所在块的数据完全读出。网络设备则提供了另外的接口，相对于字符设备和块设备来说，处于相对底层，这是由网络协议的复杂性决定的。为了更好地支持网络设备，VxWorks在网络协议层和网络设备驱动程序之间增加了MUX接口。
1．3 驱动程序和I／O系统
    驱动程序的结构包括3个部分：初始化部分，函数功能部分和中断服务程序ISR。初始化部分主要是初始化硬件，分配硬件所需要的系统资源。函数功能主要是根据实际的需要，完成系统指定的功能。中断服务程序主要是响应外部中断，使系统能够快速地对外部交互作出反应，由于中断服务程序要求尽可能地反应快，所以中断服务程序应该尽可能简单。

    VxWorks中设备驱动程序与I／O系统的关系非常简单。对于块设备来说，应用程序通过I／O系统访问文件系统，而后由文件系统调用驱动程序访问设备。而其它的非块设备则是I／O系统直接调用驱动程序访问设备。图1显示了应用程序、I／O系统和设备驱动程序之间的关系。

2 多功能数据采集卡7396简介
    PCI-7396是专门为工业应用而设计的96位并行数字输入／输出(DIO)卡。PCI-7396是模拟4个8255可编程外围接口(PPI)芯片。每个PPI提供3个8位可同步访问的DIO端口。总共有12个可独立配置为输入或输出的端口。
    PCI-7396产品具有通过外部触发来锁定数字输入数据的特点，同时提供状态改变(COS)中断，这意味着当任何数字输入状态改变的时候，中断就会发生。用户可以通过用跳线设置上拉／下拉电阻轻松地以用户自定义状态(高或低)来设定PCI-7396数字I／O上电状态。
    7396有3种类型的寄存器：PCI配置寄存器，它是要实现板卡的功能所要访问和操作的寄存器；本地配置寄存器，其是它就是操作9050所要访问的寄存器：还有一个是PCI-6308寄存器。

3 PCI配置空间
    PCI(Peripheral Component Interconnect)，外部设备互联标准，是由Intel公司提出的一种局部总线标准。每个PCI设备有3种物理空间：配置空间、存储器空间和I／O空间。配置空间是长度256字节的一段连续空间(16个32位寄存器)其中前64个字节为头标，其余192字节为设备相关信息。在64字节的头标中，前16字节的定义是确定的，后48字节的具体含义因设备而异。配置空间头标区如图2所示。配置空间中的一个重要部分是基地址寄存器(BaseAddresssRegister)，它的内容是PCI设备的地址空间映射到系统地址空间的起始物理地址。其中，bit0=1表示IO空间映射，bit0=0表示存储器空间映射。所有PCI设备必须实现存储器空间映射。通过向BAR写全1即可确定所需地址空间的大小。在VxWorks下要访问一个PCI设备，只需要知道该设备的厂商号和设备号。

4 数据采集卡设备驱动的实现
    Adlink公司的7396数据采集卡是PCI设备，PCI设备驱动程序属于VxWorks体系结构中的I／O系统部分，它往上为应用程序提供API接口，往下通过BSP访问PCI设备。基于VxWorks的PCi设备驱动程序开发流程如图3所示。分为4个步骤：①创建设备；②根据PCI设备的配置参数，对PCI设备编写功能函数程序；③编写测试程序进行功能测试；④驱动程序工作正常可靠，即可发布驱动程序，将其加载入VxWorks操作系统内核，完成驱动程序的开发。

    在前面的一节中提到过，要访问一个PCI设备，首先要知道它的厂商号和设备号，在实际工作中，可以通过WinDriver这个在windows平台下运行的编写驱动的软件获得，这样比较方便和直观，通过它，得到7396的厂商号(Dev7396_VENDOR_ID)为0x144a，设备号Dev7396_DEVICE_ ID)为0x7396。知道厂商号和设备号后，就可以利用VxWorks提供的函数pciFindDevice()获得设备的总线号、设备编号和功能号。然后调用peiConfigInLong()获得多功能数据采集卡设备的配置空间、内存空间、I／O空间的地址；pciConfigInByte得到设备中断号。7396设备没有要访问的内存空间，所以没有涉及到内存的映射和操作。主要的实现代码如下所示：

    在读取设备的基地址时，要特别注意结合设备相关的说明书进行，在前面的章节中提到过，7396设备包含3个寄存器空间(详见2多功能数据采集卡7396简介)，所以读出来的基地址空间有可能是3个里面的一个。

    由于使用的是PENTIUM系列的CPU来进行板卡驱动的开发，所以在边接中断向量的时候，中断号要加上0x20。

    特别要注意操作9050的控制寄存器的偏移为0x4c的地方的操作，它是要实现中断必须要进行的操作，没有操作正确的话，中断是不能够正确运行的，而且9050的这个寄存器的各个位和9052还是不一样的，虽然都是PLX公司的产品。
    读取完上面的I／O基地址和相应的中断后，就可以操作I／O空间了，这要根据相应板卡说明书上的基地址偏移来操作，而且还要注意设置端口是输入端口还是输出端口。中断服务程序在VxWorks下也有严格的要求，要注意。

5 结束语
    文中结合具体的Adlink公司的7396数据采集卡，介绍了在VxWorks下编写PCI设备驱动的相关方法以及要注意的事项，并介绍了VxWorks的I／O系统和驱动相关的理论知识，它们是开发驱动的基础。根据上面方法开发出的7396驱动已经在某综合控制系统中稳定地运行。