在PowerPC上實現I2C控制及實現設備間通信的方法

摘要：車輛顯控系統(tǒng)的控制主板選用高性能PowerPC MPC8548E處理器，擴展了顯示器、內存、Flash存儲器和接口設備。以此主板為平臺，實現了車輛數據和視頻的實時顯示和控制。本文重點闡述了在PowerPC上用軟件實現I2C控制以及通過PCI總線實現設備間通信的方法。

車輛顯控系統(tǒng)是對車輛工作狀態(tài)信息進行顯示、控制，并完成人機交互的系統(tǒng)。車輛顯控系統(tǒng)需要在顯示文字、圖形和視頻的同時響應按鍵操作，并對車輛控制系統(tǒng)進行操控。這就要求系統(tǒng)具有實時響應、并行處理多個任務的能力。本文在以PowerPC MPC8548E為處理器的控制主板上應用實時操作系統(tǒng)VxWorks，實現了實時響應系統(tǒng)操作、顯示相應信息的功能。以此主板為核心控制主板的顯控系統(tǒng)，具有高性能、高穩(wěn)定性和良好的兼容性。

1 PowerPC MPC8548及其控制主板概述

PowerPC MPC8548是Freescale公司開發(fā)的新一代PowerQUICC III系列的高性能處理器。其內部工作頻率可達1.33 GHz，在該工作頻率上處理性能可達3 065MIPS。一級緩存有指令緩存和數據緩存各32 KB，二級緩存為512 KB，支持DDR1和DDR2存儲器控制器，支持PCI、PCI-X和PCIE接口，支持SRapid IO接口和4個GbE接口。MPC8548不僅擁有強大的數據處理能力，還具有很強的通信處理能力，可靠性高，抗惡劣環(huán)境能力好，特別適合對網絡性能要求較高及有多個接口的場合。

車輛顯控系統(tǒng)的核心控制主板是以PowerPCMPC8548E為處理器的嵌入式系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過擴展顯示器、內存、Flash存儲器以及其他接口控制電路，構成了高性能、高可靠性的核心控制主板。以此控制主板為硬件平臺，移植嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks，對接口設備驅動進行二次開發(fā)，繼而以VxWorks為軟件開發(fā)平臺，開發(fā)應用程序，實現顯示和控制任務。

2 PowerPC控制主板硬件設計

如圖1所示，PowerPC控制主板硬件系統(tǒng)由處理器、外圍電路和外部接口設備組成。外圍電路包括電源、晶振和復位電路;外部接口電路包括串口、網口、EL/LVDS液晶顯示、16位PCI總線、USB接口、Flash、鼠標和鍵盤等。

PowerPC控制主板硬件結構圖

3 PowerPC控制主板軟件設計

車輛顯控系統(tǒng)是一個多任務的復雜的實時嵌入式系統(tǒng)，采用操作系統(tǒng)對所有軟硬件資源進行分配、調度、控制和協(xié)調，尤其是協(xié)調并發(fā)活動，如任務調度、內存管理、同步機制、異常和中斷處理、任務間通信等。WindRiver公司(現被Intel收購)的VxWorks是一個實時嵌入式操作系統(tǒng)。VxWorks操作系統(tǒng)已經廣泛應用于航空、汽車等行業(yè)，鑒于VxWorks對PowerPC處理器體系結構的支持，使得應用PowerPC處理器的嵌入式系統(tǒng)大多以其作為操作系統(tǒng)。因此，車輛顯控系統(tǒng)也采用VxWorks作為操作系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)是根據實際要求對硬件資源進行配置和裁減而成的系統(tǒng)。由于嵌入式產品是軟硬件的結合體，且隨著產品的研制完成，軟件就已固化在硬件環(huán)境中，因此，軟硬件綜合開發(fā)是嵌入式系統(tǒng)的一大特點，而軟件設計是在緊密聯系硬件的基礎上完成的。

PowerPC控制主板的軟件設計遵循嵌入式軟件的體系結構設計方法，分為如下兩部分：

①特殊設備驅動的開發(fā)，通用設備驅動程序的集成，即板級支持包BSP的開發(fā)。

②應用程序的開發(fā)，即顯控任務的實現。

3.1 設備驅動開發(fā)

由于本系統(tǒng)的硬件平臺是根據實際需要設計的，故必須根據實際的接口對設備驅動進行開發(fā)。在VxWorks提供的通用設備驅動的架構上，結合每個具體設備的工作原理和功能，以數據流為中心，在掌握設備與CPU及外接設備的通信方式后，對具體設備的驅動進行逐一開發(fā)。設備驅動程序開發(fā)完成后，最終形成MPC8548E的板級支持包BSP。硬件設備程序的集成包括如下幾個方面。

(1)特殊設備驅動

一些特殊設備的驅動程序不在VxWorks配備的標準設備清單中，因此需自行開發(fā)，例如PCI線驅動、DDR內存驅動和顯示驅動等。

(2)通用設備驅動

通用設備的驅動程序可以直接應用VxWorks標準驅動，或在標準驅動的基礎上稍作改動即可，例如鼠標、鍵盤、串口、以太網接口和USB接口等。

3.2 應用程序開發(fā)

首先將車輛顯控系統(tǒng)要完成的任務分解為多個任務：按鍵查詢、界面切換、數據顯示、視頻顯示和參數存儲。應用程序保證各任務按照規(guī)定的方式實時完成。PowerPC控制主板軟件結構圖如圖2所示。

PowerPC控制主板軟件結構圖

按鍵查詢：定時查詢是否有鍵按下，如有，則向界面切換、數據顯示、視頻顯示和參數存儲發(fā)送消息，完成相應的任務。

界面切換：切換到相應界面。

數據顯示：顯示車輛控制系統(tǒng)在不同工作模式下的狀態(tài)。

視頻顯示：切換視頻通道，調節(jié)圖像的亮度、對比度，并進行相關操作。

參數存儲：根據指令保存參數，或等間隔地將參數保存到緩存。

3.2.1 I2C接口控制的軟件實現

I2C總線是一種兩線式串行總線，主要應用于微處理器外圍芯片的擴展。它只需兩根線——串行數據線和串行時鐘線，即可實現微處理器與總線上具有I2C總線接口的設備進行數據交換。

I2C總線設備以其簡單性和有效性被廣泛使用。車輛顯控系統(tǒng)中用于模擬視頻顯示的視頻解碼器CCX25836就是其中之一。CCX25836的寄存器需要用I2C總線進行配置，系統(tǒng)設計采用FPGA構建了硬件I2C電氣結構，在PowerPC控制主板上用軟件模擬視頻解碼器所需的I2C讀寫流程，設置其寄存器，從而實現視頻通道的切換、亮度和對比度的調整等視頻顯示功能。I2C讀、寫流程如圖3、圖4所示，通過I2C總線設置亮度、對比度的流程如圖5所示。

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