基于BM3803MG与VxWorks的BSP的设计实现

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BM3803MG是由北京微电子技术研究所研制的、具有自主知识产权的SPARC V8构架的国产高可靠嵌入式控制器，能够稳定运行VxWorks实时操作系统，其性能高、功耗低，可应用于航空、航天等高可靠领域的32 bit抗辐射RISC芯片。本文用该款控制器以及工业级以太网芯片KSZ8851-16mll为某型号研制了系统主控板，该板采用实时操作系统VxWorks编程，并对主控板的板级支持包(BSP)进行设计，从而实现了基于以太网的高可靠和实时的数据处理。本文主要介绍主控板以太网芯片KSZ8851-16mll的VxWorks驱动设计。

1 硬件系统构成

如图1所示，硬件系统由BM30803MG、FPGA、SDRAM和以太网控制器构成硬件系统。

BM3803MG是基于SPARC V8体系结构的32 bit处理器，可用于板上嵌入式实时计算机系统。BM3803MG芯片内部包含有：整数处理单元、浮点处理单元、独立的指令和数据Cache、硬件乘法器和除法器、中断控制器、带有跟踪缓冲器的硬件调试单元、2个24 bit定时器、通用I/O接口、看门狗；能够支持PROM、SRAM、SDRAM和I/O映射空间访问的存储器控制器；具有软件可以控制的省电工作模式；具有可实现 PCI 主机桥（Host bridge）和从属桥（Guest bridge）功能的PCI 控制器；符合PCI2.3规范的33 MHz PCI接口；完全的三模冗余设计、 EDAC和奇偶校验。
主要性能指标[1]：
(1)用Dhrystone 2.1作为测试程序、CPU主频为100 MHz时，处理能力为86 MIPS；用Whetstone作为测试程序、CPU主频为100 MHz时，浮点处理能力为23 MFLOPS。

(2)抗辐性能：总剂量抗辐能力为100 Krad(Si)， 优于1 E-5错误/器件/day的SEU事件，优于70 MeV cm2/mg的抗闩锁能力。BM3803MG总体结构框图如图2所示。


2 VxWorks BSP设计

VxWorks是美国风河公司(现已被Intel收购)推出的一款高性能、可裁减的嵌入式实时操作系统，它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中[2]。由于操作系统厂商不能对所有设备的处理器驱动提供支持，故需要针对不同的硬件平台进行相关驱动的开发。

2.1 BSP

板级支持包BSP(Board Support Package)是介于底层硬件和上层软件之间的底层软件开发包，它将系统中与硬件直接相关的一层软件独立出来。本设计中BSP的主要功能是屏蔽硬件、提供操作系统的驱动及硬件驱动。具体功能包括[3]：(1)目标板硬件初始化。主要是CPU的初始化，为整个系统提供底层硬件支持；(2)为操作系统提供设备驱动程序和系统中断服务程序；(3)定制操作系统的功能。为软件系统提供一个实时多任务的运行环境；(4)初始化操作系统。为操作系统的正常运行做好准备。

在网卡驱动开发之前，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义。

2.2 KSZ8851-16mll以太网控制器

KSZ8851-16mll是美国Micrel公司研制的单端口嵌入式控制芯片，它包括一个快速以太网的 MAC控制器、一个8/16 bit的普通主机处理器接口以及在 RXQ(12 KB)和 TXQ(6 KB)之间进行共享的18 KB内部缓冲存储器，并提供了Wake-on-LAN技术，可有效地解决快速以太网的应用[4]；支持大端(Big-Endian)和小端(Little-Endian)的处理器、多帧数据传输和接收、IPv4/ IPv6 checksum和32 bit CRC的生成与校验。此外，KSZ8851-16mll还提供了强大的功率管理功能。

2.3 驱动程序的实现

2.3.1 SENS协议栈

VxWorks支持可裁减的增强型网络堆栈SENS(Scalable Enhanced Networks Stack)，提供了可替换的网络设备驱动程序。SENS 的基本层次结构与传统的TCP/IP网络协议栈相似,但SENS最大的特点是在数据链路层和网络协议层之间多了MUX层。在SENS中,网络接口的驱动程序即END网络驱动程序处于数据链路层。IP层和TCP/ UDP层合称为网络协议层。在数据链路层和网络协议层之间有应用程序接口(API)，这个接口在SENS中称为MUX(Multiplexer)接口。MUX层直接与END 驱动程序相交互，其应用程序提供了独立于网络协议的驱动程序接口，可以与多个独立的END驱动程序同时交互。接口层MUX 起到了隔离网络协议和网络驱动程序的作用，并管理协议层和数据链路层之间的通信，使数据的发送和接收过程变得简单，而不需要通过挂接钩子函数来解决[5]。

2.3.2 编程架构

KSZ8851-16mll BIU主机接口是间接存取数据的总线接口。共享数据总线SD[15:0]由CMD控制信号来决定是地址线还是数据线。由于KSZ8851-16mll 是单端口芯片，外界与芯片只能通过单端口进行交互。下面简单介绍KSZ8851-16mll 的寄存器的读写以及数据的接收与发送过程。

(1)寄存器读写操作

访问KSZ8851-16mll寄存器需要两个步骤：①置CMD为高，写寄存器的偏移地址和字节使能号(BEn)到共享数据总线上；②置CMD为低，读或者写数据到共享数据总线上。

本文网卡芯片采用大端模式，并且芯片的CMD管脚与主机的地址线A2相连，可以得到KSZ8851-16mll 读写寄存器的两个重要操作程序：

读寄存器：
*((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 ))；
写寄存器：
*((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表示网卡芯片基地址，CMD_LOW=0(CMD=0)，表示共享数据总线是数据线；CMD_HIGH=4(CMD=1)，表示共享数据总线是地址线。

(2)数据包接收

KSZ8851-16mll软件驱动以中断方式接收数据包，当操作系统接收到中断时，会调用中断向量表的中断服务程序处理网卡中断(包括对错误的检查和状态的改变)，中断服务程序把从网卡的接收缓存传输到系统缓存的所有费时工作都放在任务层里完成。KSZ8851-16mll接收包的具体流程如图3所示。


(3)数据包发送

上层应用程序调用KSZ8851-16mll的发送程序实现通过以太网控制器传送连续的数据块，如图4所示。数据包的发送主要是依靠KSZ8851-16mll中的发送数据缓存区， 软件驱动将发送数据写入发送数据缓冲区。当网卡芯片检测到处理器发来的数据发送信号后，将写入发送缓冲区的数据包处理成Ethernet数据包的形式进行发送。如果以太网控制器传输数据时出现错误，用户可以决定重新发送该帧数据还是丢弃该帧数据。


2.4 END网络驱动程序

网络设备发送和接收数据包一般有中断和轮询两种方式，本文采用中断方式。

2.4.1 END驱动程序中的基本数据结构

END_0BJ：END_0BJ中定义所有网络相关的部分，提供一个独立于设备的数据结构，在这个数据结构中包含了设备名称、设备编号、设备描述以及设备指针等与设备相关的基本信息。这些信息只是提供设备的一个描述，不包含控制信息[5]。

2.4.2 END驱动程序的函数实现

在END驱动程序中，需要实现设备的加载、卸载、控制、发送和接收、设备启动和停止、轮询发送和接收等功能函数。下面给出几个重要功能函数的实现：

(1)加载网络设备函数KS8851EndLoad()：是KSZ8851-
16mll驱动程序的初始化入口点。KS8851EndLoad()中执行几个必要操作：初始化END_OBJ结构、初始化网络缓冲内存、初始化MIB、设置网络准备好标志。

(2)启动设备函数KS8851Start()：其作用是使设备处于活动状态和注册中断服务程序。函数实现如下：
STATUS KS8851Start(DRV_CTRL * pDrvCtrl)
{
/*驱动程序的中断服务程序和设备中断连接*/
intConnect((VOIDFUNCPTR *)IVEC_EXTINT0,
(VOIDFUNCPTR)ks8851EndInt,  (int)pDrvCtrl);
/*打开中断设备*/
(* ks8851IntEnable) (INUM_TO_LVL(pDrvCtrl->ilevel));
}

其中，intConnect()函数实现注册驱动程序的中断服务程序，KS8851IntEnable是对CPU与网卡相连的中断进行使能。

(3)发送数据包函数KS8851EndSend()：获得发送器的使用权、查询发送缓冲区、启动设备发送数据、统计MIB的错误数和释放已经发送的数据包[6]。当要发送数据包时，上层应用程序将要发送的数据包写入协议层的缓冲区中交由协议层进行处理，经协议层处理的包含了协议层附加信息的数据包将被发送给MUX层的接口函数muxSend( )，再由KS8851EndSend()函数写入缓冲由网卡发送出去。

(4)接收数据包函数KS8851reveive( )：当接收一个数据包时会触发一个中断，网卡的中断服务程序（KS8851EndInt( )）将通过调用netJobAdd( )向任务队列注册一个网络任务，此网络任务为数据包接收函数（KS8851reveive( )），负责接收数据包。KS8851reveive( )由tNettask来调用。接收到的数据包由MUX的接口函数muxReveive调用协议层的接口函数stackRcvRtn传递到协议层，最终数据到达应用层的缓冲区中。应用层程序通过read( )函数对其读取。数据包经过物理层到达数据链路层，然后通过MUX 层到达网络层，再通过TCP/IP 协议层到达应用层，即完成了数据包接收的全过程[7]。

3 向BSP中添加驱动程序

已经编写好的网卡驱动程序加入BSP中需要以下几步：
(1)修改sysLib.c：
使能外部中断0，并设置中断触发方式为边沿触发。
(2)在config.h中添加如下语句：
#define INCLUDE_END
#define INCLUDE_KS8851_END
(3)在configNet.h中添加新的装载函数：
END_TBL_ENTRY endDevTbl [] =
{
.....
#ifdef  INCLUDE_KS_8851_END
{0,KS8851_LOAD_FUNC, KS8851_LOAD_STRING,
KS8851_BUFF_LOAN,NULL, FALSE},
#endif
.....
};
通过以上步骤，驱动程序已经添加到BSP中，编译后生成所需要的带有KSZ8851-16mll驱动的VxWorks_rom镜像文件，下载到开发板里，实现开发板与主机间的网络通信。

4 基于ROM的VxWorks镜像下载流程

网卡的驱动程序完成之后，需对驱动程序进行测试，查出驱动程序潜在的缺陷以及验证驱动功能是否完善。测试环境如图5所示。

本文使用BM3803MG专用烧写软件烧写VxWorks_rom镜像的过程如下：(1)把生成VxWorks_rom镜像转换成存储器镜像VxWorks_rom.bin；(2)运行BM3803MG的专用烧写软件，使用Flash映像生成功能，在VxWorks_rom的工程目录下，自动生成flash_content.bin、program_flash_in_ram.exe和program_flash_in_ram.bin。其中，flash_content.bin为待引导VxWorks_rom.bin的flash映像，program_flash_in_ram.exe为烧写flash_content.bin的烧写程序，program_flash_in_ram.bin为此烧写程序的RAM映像；(3)将program_flash_in_ram.bin烧写到Flash中后，即完成了VxWorks_rom镜像下载到目标板的任务。
BSP程序的开发与单纯的应用软件不同，BSP程序在开发过程中会遇到很多硬件的问题，如时序匹配和信号完整性问题等。因此，在开发BSP之前，需尽量熟悉嵌入式系统的硬件以及硬件的初始化、寄存器访问方式以及硬件的时序等，并完成相关的调试工作，为开发BSP打好基础[5]。
本文实现了VxWorks下基于BM3803MG的KSZ8851以太网BSP，满足了空间应用项目的嵌入式控制系统的高可靠、实时数据处理的需求，为空间高可靠控制系统提供了一种解决方案。