基於VxWorks的多串口卡通信實現

    VxWorks操作系統是美國Wind River公司於1983年設計開發的一種嵌入式實時操作系統(RTOS)，良好的持續發展能力、高性能的內核以及友好的用戶開發環境，使其在嵌入式實時操作系統領域居於領先地位，廣泛應用於現代的各種嵌入式計算機系統中，比如軍事指揮系統、武器控制系統或工業控制系統中。而在這些系統中，往往不是單個計算機的控制，而是多個計算機以及其他設備組成通信網路共同完成控制作用，因此，對於每一個嵌入式計算機除了連接必需的外設之外，還需要考慮計算機之間的通信。計算機間常用的通信方式是利用串列口來實現的。本文在VxWorks多串口通信的實現過程中未採用常見的標準VxWorks虛擬設備ttyDrv驅動方式，而是在用戶的驅動程序中直接對硬體進行初始化，以中斷方式進行串口通信。

1 環境及配置
    VxWorks嵌入式開發採用圖1所示的主機一目標機方式。
 
    其他硬體與本文關係不大，這裡主要介紹串口卡，該卡是DIAMOND SYSTEM公司生產的EMERALD-MM-8型8串口擴展卡(以下簡稱EMM8)，是基於2片ST16C554晶元的8串口集成板卡，每一路串口均可單獨配置成符合RS-232C/RS-422A/RS-485協議規範，最高速率可達115.2 kb/s。通用非同步收發器(UART)ST16C554用來擴展4路串口通道。每路通道各有一組16 B的收發FIFO和移位寄存器，用來緩衝數據和串並轉換。每個通道有12個8 b內部寄存器，用來存放收發數據以及配置該串口的工作模式，需要在初始化時對各寄存器進行設置。本文根據工程的要求，將卡上的硬體跳線設好，如：各串口使用RS-232C協議，按照datasheet進行硬體跳線。其中J9的配置較為重要，如圖2所示。
 
    D、C、B、A 四位表示base address，從data sheet中查表可知其跳線情況，以本項目為例，base address為0x300，則D、C、B、A分別為out、out、in、in，為1100。
    2、3、4…15為該卡可用的中斷號，要使用哪個中斷就必須將其跳為in。本項目由於中斷資源不足，只能用一個中斷號即7號中斷，因此只將7設為in。
    CK為頻段範圍跳線，對ST16C554來說必須為in。
    另外，EMM8在系統啟動時會從板上的EEPROM 中讀取各個埠的基本配置信息，主要是埠映射地址及分配的中斷號，這些信息可以在啟動后編程修改，但一般是固定的，因此只要在EEPROM 中配置一次並保存即可。

2 多串口驅動開發
2.1 I/O系統與串口設備驅動層次結構
    I/O系統與串口設備驅動層次如圖3所示。
 
    圖3中最底層就是要編寫的驅動程序。在這裡主要完成對具體硬體的各種操作，以及與上層的介面。硬體驅動層上面是ttyDrv和tyLib。這一層比較特殊，是Vxworks專門為串口設備準備的一個虛擬驅動庫，它把跟具體硬體無關的操作集成在了這一層中。這樣用戶只編寫與硬體有關的驅動和跟這一層的介面函數即可。從總的結構講，這2層都屬於設備驅動的範疇。再上一層是I/O系統層，Vxworks的I/O系統向上提供了7個基本的I/O介面，供應用程序調用；向下提供與各種設備驅動程序的介面。I/O系統把應用程序跟驅動程序有機地連接起來。最頂層就是用戶根據應用需要編寫的應用程序。ttyDrv是一個虛擬設備驅動，用於處理I/O系統與底層實際設備驅動程序(可以是用戶設計的驅動程序)之間的通信。使用ttyDrv控制串口是比較常見的串口驅動實現方式，實際上，直接對硬體進行初始化，以中斷方式進行串口通信也是可行的方式，且更加靠近底層，可以更自由、高效的控制串口。

2.2 EMM8驅動開發
    首先是對各串口的初始化和中斷配置，初始化包括設置波特率以及數據格式。
    在實際的工程應用中，需要8個串口共同使用一個中斷(中斷資源不足)，實現8串口的全雙工同時收發。難點在於使用同一個中斷且不能丟數據，對於驅動使用同中斷問題，關鍵是接收數據的中斷服務程序ISR。經過探索，不論是否使用單中斷，讀EMM8卡上I/O Register Map表中的一個中斷狀態寄存器(interrupt status register)，可以指出當時是哪一個串口收到數據，讀出該串口的數據即可。但是這種實現方法經過測試在接收時丟數據。后經研究發現，中斷狀態寄存器並不一定在某一個時刻只有一個埠位發生跳轉。即CPU 收到中斷後，有可能是幾個串口“同時”收到數據，這是因為中斷控制器將同一個CPU中斷分給了不同的串口。從CPU端看來只有一個中斷，但從各串口來講，這個中斷有可能是幾個串口“同時”產生的。因此要對中斷狀態寄存器進行輪詢，由發生跳轉的串口位接收該串口的數據。修改後，經過編寫用例測試，可以穩定地使用單中斷接收數據且不影響數據的發送。

2.3 驅動測試
    首先是各串口的功能測試，使用“串口調試助手”軟體工具通過PC機與各目標機串口通信，收發數據，然後通過屏幕顯示得到的數據，對比規定的預期結果，檢測數據收發是否正確。經多次驗證，工作穩定，通信正確。
    綜合測試：使用2台PC104分別安裝STV2050CPU模塊和EMM8多串口模塊各1塊，2台PC通過網口(交換機)連接2台PC104，2個EMM8通過8根RS-232雙頭串口線連接。2台PC通過網口使用tornado的shell工具下載啟動程序。2台PC104分別稱為1主機和2主機。測試方法是：1主機同時發送8串口的數據，2主機8串口接收並轉發回1主機。1主機接收返回的數據，判斷是否通信錯誤。經檢驗正確通信300000次無錯，多次驗證。完成對EMM8多串口通訊模塊全雙工收發的測試。
    經過以上測試，表明本文所述的多串口卡通信實現方法有效，所開發模塊穩定可靠。

3 結束語
    本文介紹了VxWorks嵌入式系統中的多串口卡通信的實現過程，因篇幅有限，不能列出詳盡代碼。本文以EMM8為例，採用驅動直接訪問硬體的方法，較為簡潔、高效地解決了單中斷多串口全雙工通信的問題，滿足了項目需求，並經過了測試和驗收。為日後類似問題的解決提供了一些參考和經驗。