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Vxworks嵌入式操作系統(tǒng)下網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
作者Email: cai_yang@etang.com
摘 要：本文主要介紹在Vxworks操作系統(tǒng)下網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、調(diào)試方法以及將其加入系統(tǒng)內(nèi)核的配置方法。
關(guān)鍵詞：Vxworks 嵌入式操作系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備
引 言
VxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設(shè)計(jì)開發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），是嵌入式開發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分。良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中，如衛(wèi)星通訊、軍事演習(xí)、彈道制導(dǎo)、飛機(jī)導(dǎo)航等。
1 嵌入式系統(tǒng)
嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式計(jì)算機(jī)為技術(shù)核心，面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用，軟硬件可裁減的，適用于對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。和通用計(jì)算機(jī)不同，嵌入式系統(tǒng)是針對(duì)具體應(yīng)用的專用系統(tǒng)，目的就是要把一切變得更簡單、更方便、更普遍、更適用；它的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計(jì)，量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實(shí)現(xiàn)更高的性能。
嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及特定的應(yīng)用程序等四部分組成，是集軟硬件于一體的可獨(dú)立工作的“器件”；用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其它設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。
嵌入式系統(tǒng)應(yīng)具有的特點(diǎn)是：要求高可靠性；在惡劣的環(huán)境或突然斷電的情況下，要求系統(tǒng)仍然能夠正常工作；許多嵌入式應(yīng)用要求實(shí)時(shí)處理能力，這就要求嵌入式操作系統(tǒng)(EOS)具有實(shí)時(shí)處理能力；嵌入式系統(tǒng)中的軟件代碼要求高質(zhì)量、高可靠性，一般都固化在只讀存儲(chǔ)器中或閃存中，也就是說軟件要求固態(tài)化存儲(chǔ)，而不是存儲(chǔ)在磁盤等載體中。
2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
Vxworks5.4中驅(qū)動(dòng)程序主要分為三種：字符、塊以及網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序。本文所介紹的網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序則屬于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。
2.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
網(wǎng)絡(luò)的各功能部件圖1所示，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)嶋H上是處理硬件和上層協(xié)議之間的接口程序。網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議層分發(fā)數(shù)據(jù)在應(yīng)用程序接口和網(wǎng)絡(luò)接口之間。網(wǎng)絡(luò)化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（如IP協(xié)議）發(fā)送數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)主機(jī)之間。連接/接口層使能主機(jī)隸屬于硬件到相同物理媒質(zhì)的通信。
在Vxworks5.4中，網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序又分為END（Enhanced Network Driver）和BSD兩種。它們分別處于如圖2所示結(jié)構(gòu)中。
2.1.1 BSD驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
在Vxworks5.4中，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序都是基于BSD UNIX版本4.3基礎(chǔ)上的，這些驅(qū)動(dòng)程序都定義在一個(gè)全局例程中，那就是attach子程序，xxattach( )子程序中包含5個(gè)函數(shù)指針，它們都被映射到ifnet結(jié)構(gòu)中，這5個(gè)函數(shù)可見表1，它們?cè)贗P協(xié)議層任何地方被調(diào)用。
表1 網(wǎng)絡(luò)接口處理
驅(qū)動(dòng)程序指定函數(shù)
函數(shù)指針
功能
xxInit( )
if_init
初始化接口
xxOutput( )
if_output
對(duì)要傳輸?shù)妮敵龇纸M進(jìn)行排隊(duì)
xxIoctl( )
if_ioctl
處理I/O控制命令
xxReset( )
if_reset
復(fù)位接口設(shè)備
xxWatchdog( )
if_watchdog (optional)
周期性接口例程
驅(qū)動(dòng)程序入口xxattach( )調(diào)用ether_attach( )來把上述5個(gè)函數(shù)映射到ifnet結(jié)構(gòu)中，ether_attach( )調(diào)用如下：
ether_attach(
(IFNET *) & pDrvCtrl->idr,
unit,
"xx",
(FUNCPTR) NULL,
(FUNCPTR) xxIoctl,
(FUNCPTR) ether_output( ), /* generic ether_output */
(FUNCPTR) xxReset
);
pDrvCtrl->idr.ac_if.if_start = (FUNCPTR)xxTxStartup;
上述參數(shù)中，需要一個(gè)接口數(shù)據(jù)記錄（Interface Data Record (idr)），unit號(hào)和設(shè)備名，下面四個(gè)參數(shù)就是相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序的函數(shù)指針。第一個(gè)函數(shù)指針指的是init( )例程，這個(gè)例程可要可不要，第二個(gè)函數(shù)指針指的是ioctl( )接口，它允許上層來控制設(shè)備狀態(tài)；第三個(gè)函數(shù)指針指的是把數(shù)據(jù)包送到物理層；最后一個(gè)函數(shù)指針指的是如果TCP/IP堆棧決定需要復(fù)位的話，它就復(fù)位這個(gè)設(shè)備。
接著下面那一句代碼表示添加數(shù)據(jù)傳輸例程到IDR，ether_output( )例程被調(diào)用后，傳輸開始例程就被TCP/IP協(xié)議堆棧調(diào)用。
在這個(gè)入口驅(qū)動(dòng)程序中還包括設(shè)備的初始化、發(fā)送和接收描述符的初始化等。
2.1.2 END驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
END驅(qū)動(dòng)程序是基于MUX模式，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序被劃分為協(xié)議組件和硬件組件。MUX數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層之間的接口，它管理網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接口和低層硬件接口之間的交互；將硬件從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的細(xì)節(jié)中隔離出來；刪除使用輸入鉤例程來過濾接收從協(xié)議來的數(shù)據(jù)包，和刪除了使用輸出鉤例程來過濾協(xié)議包的發(fā)送；并且鏈路層上的驅(qū)動(dòng)程序需要訪問網(wǎng)絡(luò)層（IP或其他協(xié)議）時(shí)，也會(huì)調(diào)用相關(guān)的MUX例程。值得注意的是，網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層驅(qū)動(dòng)程序不能直接通訊，它們必須通過MUX。如圖3所示：
2.3將驅(qū)動(dòng)程序加載到Vxworks系統(tǒng)中
要對(duì)所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行測(cè)試，首先就必須把驅(qū)動(dòng)程序加載到Vxworks IMAGE中，并且給設(shè)備分配一個(gè)IP，這樣才能有利于網(wǎng)間測(cè)試。
首先，修改configNet.h文件，添加如下代碼：
#ifdef INCLUDE_DM_9102_END
#define DM_9102_BUFF_LOAN_0 1
#define DM_9102_LOAD_FUNC sysDm9102EndLoad
#define DM_9102_LOAD_STR_0 ""
IMPORT END_OBJ * DM_9102_LOAD_FUNC (char *, void *);
和END_TBL_ENTRY endDevTbl [] 中添加
#ifdef INCLUDE_DM_9102_END
{0, DM_9102_LOAD_FUNC, DM_9102_LOAD_STR_0, TRUE, NULL, FALSE},
#endif /* INCLUDE_DM_9102_END */
其次，編輯config.h文件，添加如下代碼：
#define INCLUDE_DM_9102_END /* Davicom 9102 Fast Ethernet Controller */
最后，編輯sysLib.c文件，添加如下代碼：
/* include dm9102 End driver support routines */
#ifdef INCLUDE_DM_9102_END
IMPORT STATUS sysDm9102PciInit (void);
#endif /* INCLUDE_DM_9102_END */
/* include dm9102End driver support routines */
#ifdef INCLUDE_DM_9102_END
#include "sysDm9102End.c"
#endif /* INCLUDE_DM_9102_END */
#ifdef INCLUDE_DM_9102_END
sysDm9102PciInit ();
#endif /* INCLUDE_DM_9102_END */
通過上述過程相應(yīng)的添加程序，然后重新編譯Vxworks，這樣就將所設(shè)計(jì)的網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序添加到Vxworks內(nèi)核中了。
2.4 PCI設(shè)備檢測(cè)
如果所設(shè)計(jì)的網(wǎng)卡是基于PCI總線的，那么在程序開始就需要對(duì)PCI設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，在Vxworks5.4中有專門的PCI函數(shù)來檢測(cè)設(shè)備的總線號(hào)、設(shè)備號(hào)和功能號(hào)。首先利用pciFindDevice( )函數(shù)對(duì)給定VendorID和DeviceID的設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)完后同時(shí)給出了設(shè)備的總線號(hào)、設(shè)備號(hào)和功能號(hào)；接下來就是獲得該設(shè)備的中斷號(hào)、基地址（包括IO和內(nèi)存）。Vxworks中pciConfigLib.h文件中定義PCI總線的常量。如中斷號(hào)：PCI_CFG_BRG_INT_LINE，IO基地址：PCI_CFG_BASE_ADDRESS_0，內(nèi)存基地址：PCI_CFG_BASE_ADDRESS_1等等。所以利用函數(shù)pciConfigInByte和pciConfigInLong就可以很容易地獲得設(shè)備的中斷號(hào)和基地址。
2.5 調(diào)試方法
為了方便調(diào)試網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序，推薦利用串口對(duì)程序進(jìn)行下載并將Vxworks image拷貝到軟盤中以從軟盤來加載它。調(diào)試的時(shí)候首先應(yīng)該給網(wǎng)卡分配一個(gè)IP（利用usrNetIfConfig函數(shù)），然后利用ping來對(duì)網(wǎng)卡進(jìn)行測(cè)試。
3 結(jié)語
利用上述方法所設(shè)計(jì)的網(wǎng)卡后，不久可以利用它來進(jìn)行程序下載，而且能滿足網(wǎng)卡所有的功能，包括對(duì)TCP/IP和UDP/IP（組播、廣播和單播）進(jìn)行了測(cè)試。
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