VxWorks操作系统下FPGA设备驱动程序实现

操作系统

第２７卷第３期２０１０年９月

长江工程职业技术学院学报

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈａｎｇｊｉａｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏｃａｔｉｏｎａｌＣｏｌｌｅｇｅ

Ｖ０１．２７

Ｓｅｐ．２

Ｎｏ．３０１０

ＶｘＷｏｒｋｓ操作系统下ＦＰＧＡ设备驱动程序实现

项伟１，韩礼红２

（１．长江工程职业技术学院，武汉４３０２１２；２．兰州交通大学，兰州７３００７０）

摘要：简要介绍了Ｖｘｗｏｒｋｓ操作系统的体系结构以及基于ＡＴ９１ＲＭ９２００开发板下Ｈ）ＧＡ硬件的实现原理。在此基础上，详细介绍了基于ＡＴ９１ＲＭ９２（）（）开发板下扩展硬件ＦＰＧＡ在ＶｘＷｏｒｋｓ操作系统下驱动程序的实现，阐述了该驱动程序的实现原理与方法，以及此驱动程序在Ｖｘｗｏｒｋｓ操作系统下的加载。关键词：ＶｘＷｏｒｋｓ；ＦＰＧＡ；设备驱动；以太网中图分类号：ＴＰ３１６．２

文献标识码：Ａ

文章编号：１６７３—０４９６（２０１０）０３－００２４－０３

ＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＦＰＧＡＤｒｉｖｅｒＢａｓｅｄ

ＸＩＡＮＧ

ｏｎ

ＶｘＷｏｒｋｓ

ＯｐｅｒａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ

Ｗｅｉｌ，ＨＡＮ

Ｌｉ－ｈｏｎ９２

４３０２１２，Ｃｈｉｎａ；

（１．ＣｈａｎｇｊｉａｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏｃａｔｉｏｎａｌＣｏｌｌｅｇｅ，Ｗｕｈａｎ

２．ＬａｎｚｈｏｕＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００７０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｂａｓｅｄ

ｏｎ

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆ

ＶｘＷｏｒｋｓ

ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＦＰＧＡｈａｒｄｗａｒｅ

ｐｒｏ—

ＡＴ９１ＲＭ９２００ｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｂｒｉｅｆｌｙ，ａｎｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＦＰＧＡａｎｄｄｒｉｖｉｎｇ

ｇｒａｍｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＶｘＷｏｒｋｓｓｙｓｔｅｍｗｅｒｅｄｉｓｃｒｉｈｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ａｔｔｈｅｍｅａｎｔｉｍｅ，ｓｏｍｅｉｍｐｌｅ—

ｍｅｎｔａｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｍｅｔｈｏｄｓｏｆｔｈｅｄｒｉｖｉｎｇｐｒｏｇｒａｍ。ｌｏａｄＯｆｅｘｐｏｕｎｄｅｄ．Ｋｅｙ

ＶｘＷｏｒｋｓ

ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗｅｒｅ

ｗｏｒｄｓ：ＶｘＷｏｒｋｓ；ＦＰＧＡ，ｄｅｖｉｃｅｄｒｉｖｉｎｇ；ｅｔｈｅｒｎｅｔ

被广泛地应用在通信、军事、航空和航天等领域。为了实现

●－●●－－■一

Ｉ

刖吾

基于ＶｘＷｏｒｋｓ下ＦＰＧＡ的驱动程序，必须对操作系统的结构和硬件设备的特性有一定的了解。图１简要地说明了ＶｘＷｏｒｋｓ的各组成部分及ＦＰＧＡ驱动在ＶｘＷｏｒｋｓ中的位置。其中板级支持包（ｂｏａｒｄｓｕｐｐｏｒｔｐａｃｋａｇｅ，ＢＳＰ）是介于

ＦＰＧＡ（ＦｉｌｅｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ），即现场可编程

逻辑阵列，具有功能强大，低成本。保密性好，开发工具智能化等优点，使其成为当今硬件设计的首选方式之一。随着ＦＰＧＡ的工艺改进，制造成本的降低，ＦＰＧＡ会被广泛的使用。本板采用ＣｙｃｌｏｎｅＦＰＧＡ，它是基于Ｓｔｒａｔｉｘ的工艺构架，Ａｈｅｒａ公司针对其应用，经过市场调研，重新定义了它的特性和规格，使其定位为一款低成本的ＦＰＧＡ。

ＦＰＧＡ基于Ａ１ｒ９１ＲＭ９２００环境下可实现１００Ｍ、１

０００

Ｍ的通信功能，以满足日益增长的高速通信需求，利于ＦＰ－ＧＡ结合嵌入式实时操作系统ＶｘＷｏｒｋｓ进行千兆以太网开发成为可能。本文给出了Ｖｘ＼Ⅳｏｒｋｓ下实现ＦＰＧＡ基于ＡＴｇｌＲＭ９２００板下驱动程序的开发过程，以便更好满足在工业以太网中对高速通信的需求。

２

ＶｘＷｏｒｋｓ体系结构

ＶｘＷｏｒｋｓ是Ｗｉｎｄ

Ｒｉｖｅｒ

Ｓｙｓｔｅｍ开发的一种嵌入式实

时操作系统（ＲＴＯＳ），具有良好的可靠性和卓越的实时性，

收稿日期：２０１０－０６－０６

作者简介：项伟（１９８０－），女，湖北赤壁人，助教，大学，主要从事计算机教学与应用研究。

图１

ＶｘＷｏｒｋｓ操作系统体系结构

一２４～

万方数据

操作系统

项伟，韩礼红ＶｘＷｏｒｋｓ操作系统下ＦＰＧＡ设备驱动程序实现

硬件主板与操作系统间的一层，集成了所有特定硬件的功能。我们所开发的ＦＰＧＡ驱动，就是ＢＳＰ包中的一部分。

３硬件原理

依据项目要求．设计中提供６路光收发接ＩＺｌ，且共用一根中断引脚，采用ＦＰＧＡ实现数据的收发处理，错误检测及ＣＲＣ校验。其结构示意图如图２所示。

Ｉ刑爿吲吲Ｗ旨

Ｉ

ＥＰＩＣｌ２Ｑ２４０Ｃ８

＠＠。

Ｉ∽Ｕ

ＡＴ９ｌＲＭ９２００

ＥＰｌｃｌ２Ｑ２４０Ｃ８芯片内部实现了１６位双口删，用于

图２ＦＰＧＡ硬件实现示意图

存储设备寄存器以及接收数据和发送数据。该双口ＲＡＭ

直接和ｍ１ＲＭ９２００芯片的数据总线、地址总线连接，

ＡＴ９１ＲＭ９２００对其采用的是存储映射Ｉ／Ｏ，通过片选信号

引脚控制访问。

根据地址映射关系及硬件基址及偏植量等，第１个端１３的缓冲存贮区及接收存贮区等可根所在数据组地址计算获得。１～６个Ｂａｎｋ中的发送接收缓冲区中有数据时，根据各个控制位的信息，调用中断服务程序。中断级为ＩＮＴ＿ＬＶＬＩＲｑ５＝３０。为上层用户（应用程序）提供标准的ＦｐｇａＲｅａｄ（）、ＦｐｇａＷｆｉｔｅ（）接口函数，来读写各Ｂａｎｋ指定的存贮区中的数据。

４ＦＰＧＡ驱动程序设计与实现

４．１驱动程序的组成

ＦＰＧＡ驱动程序的设计。不受驱动体系约束，根据上层

应用的需求提供接口即可；另外，ＶｘＷｏｒｋｓ提供良好的中断机制和缓冲区管理手段，其下Ｈ】ＧＡ设备的驱动程序开发要方便很多。ＶｘＷｏｒｋｓ下的ＦＰＧＡ驱动程序包括三部分，即初始化、中断处理和应用接口函数。

（１）初始化主要完成硬件工作方式的初始化、各控制寄存器的复位及各相关数据结构的初始化等工作。

（２）中断处理主要完成对硬件的响应，判断中断原因，清除中断等。中断处理程序中通常不应做太多的事情，而是启动相应的中断服务任务来完成相应的处理。

（３）应用接口函数提供应用程序与硬件进行交互的接口。包括数据的接收、发送及硬件状态的查询与设置等过程。

４．２驱动程序原理

应用程序可以通过ＦＰＧＡ与外部交换数据，通常应用程序是以连续的报文方式来向外界收发数据，而非一个字节、一个字节的逐字节地收发数据。这就需要驱动程序提供一个缓冲，存放已接收或要发送的数据。这种缓冲区采用了环形缓冲区，即其具有ＦＩＦＯ（先进先出）的读写特性。其结

万方数据

构示意如图３所示。

图３读写缓冲区结构示意图

发送采取查询发送状态寄存器来判断是进行发送还是

等待，如果允许进行发送，则填充发送缓冲区，设置发送命令寄存器启动发送。

接收则使用中断方式以提高响应速度，采用ＦＩＦＯ接收缓冲区，ＩＳＲ在接收中断服务程序中轮询６个Ｂａｎｋ对应接收中断寄存器，如果该寄存器为１，说明接收刭数据帧，则把接收到的数据帧存放在该ＢａＩｌｌ【对应ＦＩＦＯ接收缓冲区并清除接收中断寄存器。

采用Ｃ语言实现时，可用一个结构体数组和两个分别指向“读”、“写”指针位置的变量实现；为方便起见，也可以采用ＶｘＷｏｒｋｓ操作系统自身提供的一个环形缓冲管理的接口库ｍｇＬｉｂ，其中提供了大量的操作函数及环形缓冲区的数据结构，再无须自定义，使用极为方便。在本设计中，使用了自定义的结构体数组来实现。其中ＦＰＧＡＢｕｆｆｅｒ数据结构中定义了它的长度，开辟了一块指定的数组空间。其结构如下定义：

ｔｙｐｅｄｅｆ

ｓｔｒｕｃｔ

ＦＩ）１３Ａ

ＢＵＦＦＥＲ

｛ｕｎｓｉｇｎｅｄｌｅｎ；

ｕｎｓｉｇｎｅｄ

Ｂｕｆｆｅｒ［ＭＡＸ＿ＳＩＺＥＢＵＦＦＥＲ］

｝Ｆｌ埝Ａ

ＢＵＦＦＥＲ，。ｐＦＰＧＡ＿ＢＵＦＥＲ；

其中数据结构ｆｐｇａ～ｒｄ—ｆｉｆｏ—ｔ中包括队列头、尾及一个ＦＰ—

ＧＡＢＵＦＦＥＲ型的数组ｑｕｅｕｅ，用来表示一个环形队列。其

结构如下定义：

ｔｙｐｅｄｅｆ

ｓｔｒｕｅｔ

ｆｐｇａ＿ｒｄ＿ｆｉｆｏ＿ｔ

｛ｕｎｓｉｇｎｅｄｓｈｏｍｈｅａｄ；

ｕｎｓｉｇｎｅｄｓｈｏｇｔａｉｌ；ＦＰＧＡＢＵＦＦＥＲ

ｑｕｅｕｅ［ｎ）Ｇ九ＦＩＦ（）一ＬＥＮ］；

｝ＦＰＧＡＲＤＦＩＦ’Ｏ。’ｐＦＰＧＡ＿ＲＤＦＩＦＯ；

４．３驱动程序的实现

本驱动程序的实现是基于ＡＴ９１ＲＭ９２００开发板。ＦＰ—ＧＡ在ＶｘＷｏｒｋｓ操作系统下的驱动程序，利用上面定义的数据结构，就可以根据需要将ＦＰＧＡ驱动起来。该驱动包括两个文件ａｔｇｌｒｍ９２００ｆｐｇ也ｈ和ａｔ９１ｒｒｎ９２００ｆｐｇａ．Ｃ，存放在相应的ＢＳＰ包目录下。ａｔ９１ｒｍ９２００ｆｐｇａ．ｈ为头文，其中定义了各通道的基地址的相关宏，以及对各寄存器操作的宏定义、驱动中的各相关控制宏等。Ａｔ９１ｒｍ９２００ｆｐｇａ．ｃ为驱动程序主文件。其中主要包括以下驱动甬数：

ａｔ９１ＦｐｇａＨｗＩｎｔ（）要据中断请求，连接至相应的中断服务程序

ＡＴ９１

ＦＰＧＡ＿ｌｎｉｔ（）硬件初始化程序

～２５—

操作系统

２０１０年９月

ａｔ９１ＦｐｇａＩｎｔ（）中断服务程序

ａｔ９１ＦｐｇａＲｅａｄ（）ａｔ９１ＦｐｇａＷｒｉｔｅ（）

长江工程职业技术学院学报第２７卷第３期

ｌａｎｅ为指定要读的通道，ｄａｔａｒｅｅｅｉｖｅ为读人数据存放区。其基本思想是ａｔ９１ＦｐｇａＲｅａｄ（）通过函数ｂｃｏｐｙＷｏｒｄｓ（）来读出指定通道的接收队列里的相应数据，将其存入ｄａｔａｒｅｅｅｉｖｅ，然后接收队列头指针指向下一接收缓冲区。函数ａｔ９１ＦｐｇａＷｒｉｔｅ（）是为上层应用提供的标准写函数，有三个参数：ｉｎｔ

ｌａｎｅ，ｕｎｓｉｇｎｅｄ

向应用程序提供的标准读函数向应用程序提供的标准写函数

函数ａｔ９１ＦｐｇａＨｗＩｎｔ（）为无参函数，其主要功能为调用函数ｉｎｔＣｏｎｎｅｅｔ（）将相应的中断服务程序连接至中断向量表，其中函数ｉｎｔＣｏｎｎｅｃｔ（）为系统提供的函数。函数

ｓｈｏｒｔ＊ｄａｔａｓｅｎｄ，ｕｎｓｉｇｎｅｄｓｈｏｒｔ

√蚋１ＦＰＧＡ＿Ｉｎｉｔ（）完成对硬件各寄存器及收发缓冲区的初

始化工作，同时也要完成各通道对应的队列的初始化。函数ａｔ９１ＦｐｇａＩｎｔ（）为中断服务程序，为本驱动中最核心的函数，可以根据不同的应用需求。来实现不同的服务功能。本驱动中通过循环查询０～５通道所对应的中断操作寄存器相应的信息，控制读取或写入缓冲区。其实现见如下伪码：

ａｔ９１

ｓｉｚｅ，其中ｌａｎｅ为要写入的通道，ｄａｔａｓｅｎｄ为待写数据存贮区，ｓｉｚｅ为待写数据的长度。其基本思想也是通过ｂｅｏｐｙ－Ｗｏｒｄｓ（）函数向指定的通道中拷贝数据，当然写完之后还须对对应的通道的发送启动寄存器置位，来产生中断发送数据。至此，各基本功能驱动函数编写完成。

ＦｐｇａＩｎｔ（）

５

｛

Ｆｏｒ（ｉ＝ＦＰＧＡＢＡＮＫ＿ＮＵＭ）ｉ＞＝０：ｉ一一）｛

ＦＰＧＡ驱动程序挂载

驱动程序编写完成后，必须根据需要来安装挂接在ＢＳＰ

Ｓｉｚｅ＝通道（ｉ）．发送长度控制寄存器值

Ｉｆｓｉｚｅ＞Ｏ＆＆ｓｉｚｅ＜＝ＦＰＧＡ＿．ＢＩｆＦ＿ＬＥＮ｛

ｄｅｆｉｎｅ和＃ｕｎｄｅｆ来控制是否挂接麟驱动。然后在文件配给附的是片选４，系统外设地址为ＯｘＦＴＦＦＦＦ８０，根据

寄存器配置要求，给该端口赋以配置值。再对文件Ｓｙｓｌｉｂ．ｃ，在数组ｓｙｓＰｈｙｓＭｅｍＤｅｓｅ［］中进行虚拟内存的设置，分配内存驱动，来进行对ＦＰＧＡ设备的读写功能。

中。首先，在ｃｏｒｇｉｇ．ｈ中定义一宏ＩＮＣＬＵＤＥ＿ＦＰＧＡ，可用＃

ＧＰｉｏ．ｃ中，函数ｓｙｓＧＰＩ（）Ｉｎｉｔ（ｖｏｉｄ）进行片选设置，本设计中分

Ｉｎｄｅｘ＝（队列Ｖｉｉ．ｔａｉｌ＋１＝＝ＦＰＧＡＢＵＦ＿ＵＮＩＴ）？０：（队列［ｉ］．ｔａｉｌ＋１））

Ｉｆ（！ＦＵＬＬ）

空间。这样，当ｖｘＷｏｒｋｓ操作系统启动时，会自动挂载ＦＰＧＡ

．

（

队列尾＝ｉｎｄｅｘ；

Ｆｐｇａ＝保存队列尾地址；发送缓冲区Ｅｉ－ｔ＝ｆｐｇａ；

发送首地址偏移控制单元寄存器置位；

调用ａｔ９１ＦｐｇａＲｅａｄ（）或ａｔ９１ＦｐｇａＷｒｉｔｅ（）接口函数；

｝

｝

参考文献：

Ｅｆ３

ＶｘＷｏｒｋｓ

ＢＳＰＤｅｖｅｌｏｐｅｒ＇ｓ

Ｇｕｉｄｅ．Ｗｉｎｄ

ＲｉｖｅｒＳｙｓｔｅｍ，

Ｉｎｃ．２００２．

Ｅ２３谢伟，等．ＶｘＷｏｒｋｓ下驱动程序的设计ＥＪ］．中国民

航飞行学院学报，２００５。（４）．

Ｉ－３－３喻俊淇，等．ＶｘＷｏｒｋｓ平台ＦＰＧＡ光通信接１２１驱动开发ＥＪ－１．微计算机信息（嵌入式与ＳＯＣ），２００８，１２—２．Ｅ４］周启平，张杨．ＶｘＷｏｒｋｓ下设备驱动程序及ＢＳＰ开

）

｝

其中，ａｔ９１ＦｐｇａＲｅａｄ（）为向上层应用提供的标准读函数，两个参数：ｉｎｔｌａｎｅ，ｕｎｓｉｇｎｅｄｓｈｏｒｔ＊ｄａｔａｒｅｅｅｉｖｅ。其中

发指南［闽．北京：中国电力出版社，２００４．

（上接第１５页）

施工中要组织计划好施工项目，形成有效的流水施工程序，杜绝运输受阻而不得不提前开放交通的局面。

面处理。

（２）裂缝不很规则且宽度又较大的情况，可划出一定范围，将混凝土面板凿去５～８ｃｍ深，清理干净，配一层钢筋网。钢筋网必须覆盖裂缝，并在每边留有一定宽度，湿润后用混凝土浇捣进行表面处理。

（３）裂缝很大时，须把断板整块板凿出，配双层钢筋网，重新浇筑混凝土。

根据工程实践证明，水泥混凝土路面施工时只

４常用断板处理方法

（１）对于裂缝规则且宽度不大时，可将板块沿缝按一定宽度划线，将划线内部整齐凿出，检查裂缝处基底有无问题，有问题要进行回填夯实处理。在混凝土切割侧壁凿出直径４ｃｍ，深约ｌＯｃｍ，水平间距３０～４０ｃｍ的孔洞，埋入直径１８－～２０ｍｍ，长约２０ｃｍ的Ⅱ级钢筋，封堵孔洞，将整个凿出的槽润湿，用早强微膨胀水泥混凝土或用速凝混凝土浇捣，进行表

一２６～

要采用正确的预防措施，混凝土路面的断板率就会

大大减少。这对于保证水泥混凝土路面旌工质量，节约投资，延长混凝土路面的使用寿命将是十分重要的。

万方数据

操作系统

VxWorks操作系统下FPGA设备驱动程序实现

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

项伟， 韩礼红， XIANG Wei， HAN Li-hong

项伟,XIANG Wei(长江工程职业技术学院,武汉,430212)， 韩礼红,HAN Li-hong(兰州交通大学,兰州,730070)

长江工程职业技术学院学报

JOURNAL OF CHANGJIANG ENGINEERING VOCATIONAL COLLEGE2010,27(3)

参考文献(4条)

1.周启平;张杨 VxWorks下设备驱动程序及BSP开发指南 20042.喻俊淇 VxWorks 平台 FPGA 光通信接口驱动开发 2008

3.谢伟 VxWorks下驱动程序的设计[期刊论文]-中国民航飞行学院学报 2005(04)4.VxWorks BSP Developer's Guide 2002

本文链接：/Periodical_cjzgdxxb201003010.aspx

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/7ry4.html