VxWorks串口驅(qū)動(dòng)的研究與實(shí)現(xiàn)

摘要： 本文以基于ARM7TDMI內(nèi)核的S3C44B0X芯片的串口驅(qū)動(dòng)為例，分析了 VxWorks串口驅(qū)動(dòng)的層次和機(jī)理，研究了tty驅(qū)動(dòng)和底層SCC驅(qū)動(dòng)的工作原理。結(jié)合S3C44B0X芯片的串口驅(qū)動(dòng)程序，給出了VxWorks串口驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)方法和注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞： VxWorks；串口驅(qū)動(dòng)；tty設(shè)備

引言

VxWorks的程序開發(fā)者經(jīng)常需要解決串口驅(qū)動(dòng)問題，這是BSP和上層應(yīng)用程序開發(fā)必不可少的基本步驟，特別是對(duì)于板級(jí)支持包(BSP)和上層應(yīng)用程序的開發(fā)，掌握串口驅(qū)動(dòng)的原理和開發(fā)串口驅(qū)動(dòng)程序就顯得尤為重要。VxWorks串口通信由串行通信控制器SCC(Serial Communication Controller)控制，和標(biāo)準(zhǔn)I/O庫通信的是tty驅(qū)動(dòng)，再由tty驅(qū)動(dòng)和底層SCC驅(qū)動(dòng)通信。本文研究VxWorks串口驅(qū)動(dòng)特性，并以S3C44B0X為例，給出開發(fā)VxWorks串口驅(qū)動(dòng)的步驟和實(shí)現(xiàn)方法。

串口設(shè)備層次與tty驅(qū)動(dòng)

串口的層次

VxWorks串行設(shè)備的層次采用了3層抽象的軟件結(jié)構(gòu)：標(biāo)準(zhǔn)I/O庫(ioLib)－>tty庫(ttyDrv/tyLib)—>底層SCC驅(qū)動(dòng)(xxDrv)，如圖1所示。從圖中可看出串行設(shè)備的驅(qū)動(dòng)xxDrv并不是直接和I/O system交互的，中間存在一個(gè)ttyDrv(包括tyLib)。實(shí)際上，內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)在驅(qū)動(dòng)程序表中安裝的不是xxDrv的函數(shù)，而是ttyDrv/tyLib提供的函數(shù)。串口tty驅(qū)動(dòng)(ttyDrv/tyLib)使I/O系統(tǒng)獨(dú)立于具體SCC驅(qū)動(dòng)，保證了代碼可復(fù)用和統(tǒng)一界面。SCC驅(qū)動(dòng)(xxDrv/yyDrv)處理和底層硬件有關(guān)的部分。因此，在編寫串口驅(qū)動(dòng)時(shí)需要了解串口tty驅(qū)動(dòng)的原理以及串口輸入輸出過程。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)VxWorks的程序執(zhí)行流程和具體的MCU芯片的特點(diǎn)，修改底層SCC驅(qū)動(dòng)代碼。

圖1 VxWorks串口軟件結(jié)構(gòu)

串口tty驅(qū)動(dòng)

創(chuàng)建tty設(shè)備包括驅(qū)動(dòng)程序初始化和創(chuàng)建設(shè)備兩步，這兩步都在usrRoot()中完成。創(chuàng)建完tty設(shè)備后，用戶可以調(diào)用ioLib中的write()、read()函數(shù)對(duì)串口進(jìn)行讀、寫操作。

*驅(qū)動(dòng)程序初始化
初始化ttyDrv()函數(shù)是一個(gè)虛擬的驅(qū)動(dòng)，既管理著和I/O的交互，又管理著和底層硬件驅(qū)動(dòng)的交互。它調(diào)用iosDrvInstall( )將ttyDrv和tyLib中的函數(shù)安裝到系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序表中。ttyDrv負(fù)責(zé)著ttyOpen、ttyIoctl的接入，而tyLib負(fù)責(zé)著tyRead、tyWrite的接入。

*創(chuàng)建設(shè)備
創(chuàng)建設(shè)備函數(shù)ttyDevCreate()主要分配并初始化設(shè)備描述結(jié)構(gòu)，調(diào)用tyDevInit( )進(jìn)行tyLib庫初始化，初始化selectLib()，創(chuàng)建輸入輸出環(huán)形緩沖，創(chuàng)建信號(hào)量，調(diào)用iosDevAdd()加設(shè)備到設(shè)備列表，以中斷方式啟動(dòng)串口通道。它還進(jìn)行的另一個(gè)重要操作是安裝了tyLib設(shè)備提供的輸入輸出回調(diào)函數(shù)tyITx()和tyIRd()，以便給底層SCC驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)調(diào)用。

*tty輸入輸出
當(dāng)tty設(shè)備創(chuàng)建后，用open()打開相應(yīng)的串口，open函數(shù)返回的文件句柄就是設(shè)備的標(biāo)識(shí)fd，依據(jù)串口打開時(shí)的讀、寫標(biāo)志，可以對(duì)串口進(jìn)行讀、寫操作。用戶程序的基本I/O讀寫請(qǐng)求由tyLib的tyWrite( )和tyRead( )實(shí)現(xiàn)，這兩個(gè)函數(shù)在ttyDrv( )初始化tty時(shí)安裝到驅(qū)動(dòng)程序表中，如圖2所示。

圖2 VxWorks輸入輸出

底層SCC驅(qū)動(dòng)—S3C44B0X串口驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

VxWorks串口驅(qū)動(dòng)的編寫主要集中在target/config/bsname/目錄下的sysLib.c、sysSerial.c、s3c44b0xsio.c、config.h，target/config/all等文件。編寫串口驅(qū)動(dòng)主要需要做以下幾個(gè)方面的工作。

設(shè)備初始化

確定系統(tǒng)要支持的串行通道的個(gè)數(shù)，初始化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)XX_CHAN，編寫SCC初始化代碼(對(duì)處理器串行I/O端口的初始化，RESET串口控制器)。

(1) 定義系統(tǒng)中串口驅(qū)動(dòng)相關(guān)的參數(shù)：具體在config.h 中定義。
#define INCLUDE_TTY_DEV                          /* 定義tty設(shè)備*/
#define INCLUDE_SERIAL                            /* 定義串口*/
#define NUM_TTY                 N_SIO_CHANNELS   /*定義串口通道數(shù)*/
#define CONSOLE_TTY            0              /*作為控制臺(tái)的通道為COM0*/
#define CONSOLE_BAUD_RATE    115200            /*設(shè)定控制臺(tái)串口波特率*/
如果系統(tǒng)還定義串口為WDB連接下載通道，還要進(jìn)行如下的相關(guān)配置：
#define WDB_COMM_TYPE         WDB_COMM_SERIAL /* WDB為串口模式 */
#define WDB_TTY_CHANNEL       1               /*WDB下載通道COM1  */
#define WDB_TTY_BAUD          115200         /* WDB連接通道的串口波特率*/
#define WDB_TTY_DEV_NAME     "/tyCo/1"    /*定義WBD通道在tty中的設(shè)備名*/

(2) 初始化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：編寫串行設(shè)備根據(jù)具體的串行設(shè)備定義自己的設(shè)備描述符xx_ DEV 結(jié)構(gòu)。對(duì)于串行設(shè)備具體的成員主要是一個(gè)S3C44B0_CHAN結(jié)構(gòu), 表示設(shè)備的通道。

(3)SCC初始化代碼：SCC驅(qū)動(dòng)分兩步如圖3所示，描述了VxWorks中有關(guān)串口初始化的順序，其中ttyDrv( )及ttyDevCreate( )涉及的I/O系統(tǒng)提供的一般化代碼，不需要修改。用戶需要修改的是涉及S3C44B0X芯片的串口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)devParas[ ], 設(shè)置USART發(fā)送接收的中斷號(hào)、向量號(hào)、寄存器基地址等。

圖3 VxWorks串口初始化過程

系統(tǒng)在內(nèi)核啟動(dòng)之前，在usrInit( )中進(jìn)行第一步初始化后，串口SCC被復(fù)位，禁止中斷，串口能通過查詢方式訪問，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)調(diào)試如下。

sysHwInit()：處理器I/O端口的初始化，在sysHwInit ()函數(shù)中調(diào)用portInit()函數(shù)設(shè)置相應(yīng)的串行I/O端口;需要注意的是對(duì)S3C44B0X芯片而言partB和partF都有一位對(duì)UART2的設(shè)置選項(xiàng)，只能選其一設(shè)成選擇UART2端，否則將無法用WDB下載VxWorks映像。

s3c44b0DevInit()：初始化串口功能指針pChan->sio.pDrvFuncs = &s3c44b0SioDrvFuncs；再對(duì)串口芯片的ULCON、UFCON、UMCON進(jìn)行設(shè)定采用8位數(shù)據(jù)、禁止FIFO和AFC；調(diào)用s3c44b0Ioctl()選擇串口通訊模式為輪詢方式，并初始化波特率。系統(tǒng)激活內(nèi)核之后，在根任務(wù)usrRoot( )中進(jìn)行第二步初始化，使串口可以以中斷方式實(shí)現(xiàn)對(duì)tty庫的底層支持。

sysHwInit2()：調(diào)用intLibInit初始化intVecTable; s3c44b0DevInit( )初始化中斷驅(qū)動(dòng),調(diào)用intConnect()將sysClkInt()、sysAuxClkInt()的入口地址寫入intVecTable, sysSerialHwInit2()函數(shù)連接串口中斷。

sysSerialHwInit2()：通過intConnect()把串口的中斷處理程序s3c44b0xIntTx、s3c44b0xIntRcv連接到相應(yīng)的中斷向量；由intEnable()開啟兩個(gè)中斷；調(diào)用s3c44b0xDevInit2()對(duì)_UCON寄存器賦值完成對(duì)串口的最終配置由輪詢模式轉(zhuǎn)換為中斷模式。

編寫設(shè)備中斷服務(wù)程序(ISR)

串口中斷處理是當(dāng)有數(shù)據(jù)發(fā)送、接收時(shí)，硬件產(chǎn)生中斷，然后執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序進(jìn)行處理，這樣CPU不必像輪詢方式那樣花費(fèi)大量的時(shí)間查詢外部設(shè)備的工作狀態(tài)，有效的提高CPU的使用效率并使系統(tǒng)具有較高的實(shí)時(shí)性能。這里主要編寫與中斷處理相關(guān)的數(shù)據(jù)輸入輸出部分中斷處理的驅(qū)動(dòng)程序。發(fā)送數(shù)據(jù)部分的驅(qū)動(dòng)是一個(gè)啟動(dòng)發(fā)送的函數(shù)s3c44b0xTxStartup()和一個(gè)發(fā)送輸出中斷的ISRs3c44b0xTxInt()。

① s3c44b0xTxStrartup()當(dāng)用戶要向設(shè)備寫數(shù)據(jù)時(shí), 就調(diào)用了tyWrite。tyWrite將數(shù)據(jù)寫入到數(shù)據(jù)輸出環(huán)后, 調(diào)用s3c44b0xTxStrartup()啟動(dòng)設(shè)備的數(shù)據(jù)發(fā)送。這里只需向串口緩沖區(qū)寫入一個(gè)字節(jié)，然后開啟發(fā)送中斷；后續(xù)字節(jié)又發(fā)送中斷處理程序來處理。

② s3c44b0xTxInt()在中斷模式下，當(dāng)設(shè)備輸出完畢后, 設(shè)備就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷表示可以接收下一個(gè)字符, 這時(shí)調(diào)用中斷處理程序s3c44b0xTxInt()來完成剩下的數(shù)據(jù)發(fā)送工作。

接收數(shù)據(jù)部分的驅(qū)動(dòng)與輸出驅(qū)動(dòng)類似由一個(gè)s3c44b0xRxInt()組成。該中斷處理函數(shù)在收到數(shù)據(jù)時(shí)，向寄存器的數(shù)據(jù)通過回調(diào)函數(shù)寫入驅(qū)動(dòng)程序的環(huán)形緩沖區(qū)中。通過上述的工作就可以完成對(duì)VxWorks串口驅(qū)動(dòng)程序的編寫。

結(jié)語

對(duì)于VxWorks串口驅(qū)動(dòng)開發(fā)而言，應(yīng)當(dāng)注意以下問題：掌握VxWorks的啟動(dòng)流程和I/O系統(tǒng)層次與組織結(jié)構(gòu)；要對(duì)硬件環(huán)境的物理地址、寄存器地址及其含義清楚；理解串口設(shè)備的軟硬件工作原理。在串口調(diào)試過程中的主要問題一般集中在起始時(shí)I/O端口進(jìn)行初始化是否正確，對(duì)串口設(shè)備寄存器的值設(shè)置是否符合軟件要求、能否正常使硬件工作，連接ISR程序以及中斷優(yōu)先級(jí)的設(shè)置和中段處理函數(shù)的編寫。

參考文獻(xiàn)：

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