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。

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