LX800在车载监控系统中的应用

摘要：随着嵌入式Linux操作系统的迅速发展，嵌入式Linux已逐渐成为嵌入式操作系统的一个重要分支。介绍了LX800在车载监控系统中的应用，实现了CAN总线实时数据和视频的显示和控制。主要阐述了x86系统平台的硬件总体设计、PCI9054驱动的实现及应用主程序相关流程。
关键词：嵌入式Linux；LX800；PCI9054

引言
    嵌入式系统由于体积小、功耗低、可靠性高、可裁减性强、软硬件集成度高等特点的被广泛地应用于工业制造、过程控制、通信、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、消费类产品等众多领域。一个完整的嵌入式Linux解决方案应包括嵌入式Linux操作系统内核、运行环境、图形化界面和应用软件等。由于嵌入式设备的特殊要求，嵌入式Linux解决方案中的内核、环境、GUI等都与标准Linux有很大不同，其主要挑战是如何在狭小的Flash、ROM和内存中，实现高质量的任务实时调度、图形化显示、网络通信等功能。本文基于AMD LX800微处理器和Linux操作系统进行车载监控系统的设计。车载监控系统是对车辆工作状态、运行情况进行显示、控制并完成人机交互的系统，实现系统实时响应操作、显示相关的机车信息。

1 系统硬件设计
    GeodeLX处理器是AMD公司推出的基于x86体系结构的嵌入式处理器，主要用于工业控制、移动设备等领域。GeodeLX处理器支持i586指令集，并且带有MMX和AMD“3DNow!”指令集扩展；其CPU频率在400～500MHz，带有8级单发射的指令流水线，64 KB指令L1Cache和64 KB数据L1 Cache，128 KB的可配置为指令或数据的L2 Cache。处理器内部集成了图形和视频处理单元，提高了二维图形和视频的应用加速。
    PCI总线即外围部件互连总线，是一种先进的高性能32／64位地址／数据复用局部总线，可同时支持多组外围设备，并且不受制于处理器，为处理器与高速外围设备提供了一座沟通的桥梁，提高了数据吞吐量(32位最大可达132 MB／s)，因此是现在PC领域中很流行的总线。P CI总线具有严格的总线规范，保证了良好的兼容性，符合PCI总线规范的扩展卡可以插入任何PCI系统可靠地工作。因此，和GeodeLX处理器一起使用的CS5536芯片通过PCI总线组提供南桥的功能，如IDE、USB2．0、Flash、AC97和x86的外围设备接口。
    为了扩展一些用户接口，如高速串口、CAN总线接口等，需要将复杂的PCI总线接口转换为相对简单的用户接口。本系统采用PLX公司生产的PCI总线通用接口芯片PLC9054，处理器可以通过PCI总线访问扩展资源，如CAN总线、液晶屏数据线、按键高速串口等其他扩展设备。此款芯片采用先进的PLX数据管道结构技术，符合PCIV2．1和V2．2规范；提供了两个独立的可编程DMA控制器；每个通道均支持块和分散／集中的DMA方式；在PCI总线端支持32位数据总线，33 MHz时钟信号；本地端可以编程实现8／16／32位的数据宽度；传输速率最高可达132 MB／s；本地总线端时钟最高可达50 MHz，支持复用／非复用的32位地址数据。PCI9054提供了PCI、LOCAL、EEPROM总线3个接口，作为一种桥接芯片在PCI总线和LOCAL总线之间提供传递消息。
    W83627DHG通过LPC接口与CS5536通信，此款LPC接口的I／O芯片除了可以支持传统的输入／输出接口，如键盘和鼠标、并口、软盘口、UART、SPI口等，硬件监控针对新一代的CPU，提供符合VRD11．0规格的CPU电压侦测功能，并且可经由键盘任一按键或是鼠标将系统由休眠状态唤醒。
    BIOS实际是一组被固化到电脑中，为电脑提供最基本的硬件控制的程序，它是连通软件程序和硬件设备之间的枢纽，负责响应硬件的即时要求，并按软件对硬件的操作要求执行。本设计BIOS芯片采用LPC Flash可擦写芯片。

    系统的整体硬件结构如图1所示，系统由处理器、外围电路及外围接口设备组成。外围电路包括晶振、电源、复位电路、串口、网口、PCI总线、USB接口、Flash等。
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2 系统软件设计
    Linux采用统一的框架对硬件进行管理，从一个硬件平台到另一个硬件平台的改动与上层应用无关。Linux可以随意地配置，不需要任何许可证或与商家的合作关系，源代码可以免费得到，这使得采用Linux作为操作系统不会遇到任何关于版权的纠纷。Linux本身内置网络支持，而目前嵌入式系统对网络支持要求越来越高，Linux的高度模块化使添加部件非常容易。Linux是一个和Unix相似、以内核为基础的、具有完全的内存访问控制、支持大量硬件(包括x86、Alpha、ARM等现有的大部分芯片)等特性的一种通用操作系统。其程序源码全部公开，任何人可以修改，并在GNU通用公共许可证下发行。这样，开发人员可以对操作系统进行定制裁减，适应其特殊需要。其强大的语言编译器GCC、G++等不但成熟完善，而且使用方便。本论文中基于V2．6．27内核通过make menuconfig对内核进行部分功能裁减。
    软硬件综合开发是嵌入式系统的一大特色，软件设计是在紧密联系硬件的基础上来完成的。本文的车载监控系统设计遵循嵌入式软件的体系结构设计方法，分为两个部分：①相关驱动的开发，如底层包括扩展的PCI9054驱动、串口驱动、CAN驱动及内核自带的网络驱动、USB、CS5536等设备驱动；②应用程序的开发，包括显示监控任务的实现、配置文件读写实现等。
2．1 设备驱动开发
    底层接口层封装监控显示软件与底层通信硬件接口、操作系统交互等部分的代码，通过定义统一的接口规范，实现上层软件不依赖具体的硬件平台，从而实现软件易于移植。
    作为底层驱动模块的基本结构至少必须包含两个函数：module_init()和module_exit()。第一个函数是在把模块加载入内核时调用的；第二个函数则在删除该模块时调用。module_init()向内核注册模块所能提供的所有新功能，即可以由应用程序使用的新功能。函数module_ exit()的任务是清除掉module_init()所做的一切，保证这个模块被安全地卸载。模块的调用情况如图2所示。下面以PCI9054为代表，描述硬件驱动设计过程。

    PCI9054驱动程序主要实现PCI9054设备的中断使能屏蔽，PCI9054设备的中断处理，PCI9054设备的挂载、卸载、初始化。
2．1．1 定义和注册PCI9054设备
   
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2．1．2 PCI9054_probe()函数任务
    对于probe驱动函数，驱动程序的许多任务及硬件初始化工作都将在此函数中完成。它主要完成注册PCI9054时调用的函数，完成PCI9054配置信息读取，取得外设地址，申请中断，配置PCI9054的杂项寄存器。探测流程如图3所示。

2．1．3 pci9054_init_module初始化函数
    主要完成PCI的初始化、注册PCI设备、使能PCI中断等。流程图如图4所示。

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2．1．4 pci9054_cleanup_module注销函数
    用于注销PCI9054设备及相关扩展设备。流程图如图5所示。

2．2 应用程序的开发
    车载监控系统应用程序的实现过程主要包括：窗体和各个信息控件的初始化并显示窗体实现人机交互、对按键的响应、参数的存储、发送语音消息、图5 PCI9054设备的卸载CAN事件数据的处理并实时刷新屏上信息显示当前设备的工作状态。其程序流程如图6所示。

2．3 应用程序与设备驱动的关联
    在Linux系统中，对于一个硬件设备对应的是／dev目录下的逻辑设备节点，这个节点以文件的形式存在，但它不是普通意义上的文件，是设备文件，更确切地说，它是设备节点。这个节点是通过mknod命令建立的，其中指定了主设备号和次设备号。通常而言，主设备号表明了对应着确定的驱动程序；次设备号由内核使用，用于正确确定设备文件所指的设备。
    insmod加载驱动程序，设备号是从／proc／devices文件中获得的，所以通常是有驱动程序在内核中，才有设备节点在目录中。这个设备号(这里特指主设备号)的主要作用，就是声明设备所使用的驱动程序。驱动程序和设备号是一一对应的，当你打开一个设备文件时，操作系统能知道这个设备所对应的驱动程序的加载。
    设备节点文件中的file属性中指明了驱动程序中fops方法实现的函数指针。应用程序通过使用open、write、read、ioetl等函数来访问设备节点，进行相应的工作。

结语
    LX800微处理器以其丰富的接口、较快的处理速度、稳定性及易扩展性而受到嵌入式开发者的青睐。基于LX800的车载监控系统采用Lin ux操作系统，使其具备了实时多任务处理的能力。经过测试，系统运行稳定可靠，有较好应用前景。