基于BM3803MG與VxWorks的BSP的設(shè)計實現(xiàn)

BM3803MG是由北京微電子技術(shù)研究所研制的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的SPARC V8構(gòu)架的國產(chǎn)高可靠嵌入式控制器，能夠穩(wěn)定運行VxWorks實時操作系統(tǒng)，其性能高、功耗低，可應(yīng)用于航空、航天等高可靠領(lǐng)域的32 bit抗輻射RISC芯片。本文用該款控制器以及工業(yè)級以太網(wǎng)芯片KSZ8851-16mll為某型號研制了系統(tǒng)主控板，該板采用實時操作系統(tǒng)VxWorks編程，并對主控板的板級支持包(BSP)進(jìn)行設(shè)計，從而實現(xiàn)了基于以太網(wǎng)的高可靠和實時的數(shù)據(jù)處理。本文主要介紹主控板以太網(wǎng)芯片KSZ8851-16mll的VxWorks驅(qū)動設(shè)計。

1 硬件系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示，硬件系統(tǒng)由BM30803MG、FPGA、SDRAM和以太網(wǎng)控制器構(gòu)成硬件系統(tǒng)。

BM3803MG是基于SPARC V8體系結(jié)構(gòu)的32 bit處理器，可用于板上嵌入式實時計算機(jī)系統(tǒng)。BM3803MG芯片內(nèi)部包含有：整數(shù)處理單元、浮點處理單元、獨立的指令和數(shù)據(jù)Cache、硬件乘法器和除法器、中斷控制器、帶有跟蹤緩沖器的硬件調(diào)試單元、2個24 bit定時器、通用I/O接口、看門狗；能夠支持PROM、SRAM、SDRAM和I/O映射空間訪問的存儲器控制器；具有軟件可以控制的省電工作模式；具有可實現(xiàn) PCI 主機(jī)橋（Host bridge）和從屬橋（Guest bridge）功能的PCI 控制器；符合PCI2.3規(guī)范的33 MHz PCI接口；完全的三模冗余設(shè)計、 EDAC和奇偶校驗。

主要性能指標(biāo)[1]：
(1)用Dhrystone 2.1作為測試程序、CPU主頻為100 MHz時，處理能力為86 MIPS；用Whetstone作為測試程序、CPU主頻為100 MHz時，浮點處理能力為23 MFLOPS。

(2)抗輻性能：總劑量抗輻能力為100 Krad(Si)， 優(yōu)于1 E-5錯誤/器件/day的SEU事件，優(yōu)于70 MeV cm2/mg的抗閂鎖能力。BM3803MG總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。


2 VxWorks BSP設(shè)計

VxWorks是美國風(fēng)河公司(現(xiàn)已被Intel收購)推出的一款高性能、可裁減的嵌入式實時操作系統(tǒng)，它以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實時性要求極高的領(lǐng)域中[2]。由于操作系統(tǒng)廠商不能對所有設(shè)備的處理器驅(qū)動提供支持，故需要針對不同的硬件平臺進(jìn)行相關(guān)驅(qū)動的開發(fā)。

2.1 BSP

板級支持包BSP(Board Support Package)是介于底層硬件和上層軟件之間的底層軟件開發(fā)包，它將系統(tǒng)中與硬件直接相關(guān)的一層軟件獨立出來。本設(shè)計中BSP的主要功能是屏蔽硬件、提供操作系統(tǒng)的驅(qū)動及硬件驅(qū)動。具體功能包括[3]：(1)目標(biāo)板硬件初始化。主要是CPU的初始化，為整個系統(tǒng)提供底層硬件支持；(2)為操作系統(tǒng)提供設(shè)備驅(qū)動程序和系統(tǒng)中斷服務(wù)程序；(3)定制操作系統(tǒng)的功能。為軟件系統(tǒng)提供一個實時多任務(wù)的運行環(huán)境；(4)初始化操作系統(tǒng)。為操作系統(tǒng)的正常運行做好準(zhǔn)備。

在網(wǎng)卡驅(qū)動開發(fā)之前，BSP中包括makefile、depend.bm3803、config.h、bm3803.h、romlnit.S、sysALib.S、sysLib.c、sysSeria1.c等，其中config.h中包含特定CPU板的所有包含文件和定義。

2.2 KSZ8851-16mll以太網(wǎng)控制器

KSZ8851-16mll是美國Micrel公司研制的單端口嵌入式控制芯片，它包括一個快速以太網(wǎng)的 MAC控制器、一個8/16 bit的普通主機(jī)處理器接口以及在 RXQ(12 KB)和 TXQ(6 KB)之間進(jìn)行共享的18 KB內(nèi)部緩沖存儲器，并提供了Wake-on-LAN技術(shù)，可有效地解決快速以太網(wǎng)的應(yīng)用[4]；支持大端(Big-Endian)和小端(Little-Endian)的處理器、多幀數(shù)據(jù)傳輸和接收、IPv4/ IPv6 checksum和32 bit CRC的生成與校驗。此外，KSZ8851-16mll還提供了強(qiáng)大的功率管理功能。

2.3 驅(qū)動程序的實現(xiàn)

2.3.1 SENS協(xié)議棧

VxWorks支持可裁減的增強(qiáng)型網(wǎng)絡(luò)堆棧SENS(Scalable Enhanced Networks Stack)，提供了可替換的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序。SENS 的基本層次結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧相似,但SENS最大的特點是在數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層之間多了MUX層。在SENS中,網(wǎng)絡(luò)接口的驅(qū)動程序即END網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序處于數(shù)據(jù)鏈路層。IP層和TCP/ UDP層合稱為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層。在數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層之間有應(yīng)用程序接口(API)，這個接口在SENS中稱為MUX(Multiplexer)接口。MUX層直接與END 驅(qū)動程序相交互，其應(yīng)用程序提供了獨立于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的驅(qū)動程序接口，可以與多個獨立的END驅(qū)動程序同時交互。接口層MUX 起到了隔離網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序的作用，并管理協(xié)議層和數(shù)據(jù)鏈路層之間的通信，使數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程變得簡單，而不需要通過掛接鉤子函數(shù)來解決[5]。

2.3.2 編程架構(gòu)

KSZ8851-16mll BIU主機(jī)接口是間接存取數(shù)據(jù)的總線接口。共享數(shù)據(jù)總線SD[15:0]由CMD控制信號來決定是地址線還是數(shù)據(jù)線。由于KSZ8851-16mll 是單端口芯片，外界與芯片只能通過單端口進(jìn)行交互。下面簡單介紹KSZ8851-16mll 的寄存器的讀寫以及數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送過程。

(1)寄存器讀寫操作

訪問KSZ8851-16mll寄存器需要兩個步驟：①置CMD為高，寫寄存器的偏移地址和字節(jié)使能號(BEn)到共享數(shù)據(jù)總線上；②置CMD為低，讀或者寫數(shù)據(jù)到共享數(shù)據(jù)總線上。

本文網(wǎng)卡芯片采用大端模式，并且芯片的CMD管腳與主機(jī)的地址線A2相連，可以得到KSZ8851-16mll 讀寫寄存器的兩個重要操作程序：

讀寄存器：
*((volatile unsigned short*)(KS8851_IO_BASE+CMD_HIGH))=(unsigned short)(addr | ((BE1 | BE0)
((addr+2) 0x02)))；
*data= *((volatile unsigned short *)(KS8851_IO_BASE +
CMD_LOW ))；
寫寄存器：
*((volatile unsigned short * )(KS8851_IO_BASE +
CMD_HIGH )) =(UINT16)( addr | ((BE1 | BE0)
((addr+2) 0x02)));
*((volatile unsigned short *)(KS8851_IO_BASE +
CMD_LOW )) = ( UINT16 )( data )；
其中，KS8851_IO_BASE表示網(wǎng)卡芯片基地址，CMD_LOW=0(CMD=0)，表示共享數(shù)據(jù)總線是數(shù)據(jù)線；CMD_HIGH=4(CMD=1)，表示共享數(shù)據(jù)總線是地址線。

(2)數(shù)據(jù)包接收

KSZ8851-16mll軟件驅(qū)動以中斷方式接收數(shù)據(jù)包，當(dāng)操作系統(tǒng)接收到中斷時，會調(diào)用中斷向量表的中斷服務(wù)程序處理網(wǎng)卡中斷(包括對錯誤的檢查和狀態(tài)的改變)，中斷服務(wù)程序把從網(wǎng)卡的接收緩存?zhèn)鬏數(shù)较到y(tǒng)緩存的所有費時工作都放在任務(wù)層里完成。KSZ8851-16mll接收包的具體流程如圖3所示。