鄧春梅， 董貴山， 王亞棟

（①四川衛(wèi)士通信息安全平臺技術(shù)有限公司，四川 成都610041；②中國電子科技集團公司第三十研究所十部， 四川 成都 610041）

0 引言

在嵌入式安全平臺的研制項目中，需要解決好多通路并發(fā)的串行高速數(shù)據(jù)傳輸及安全處理問題。如果采用8位的基于8250的通用串口芯片，難以滿足大批量,多通道串口數(shù)據(jù)的同步接收和發(fā)送，為此,需要采用高速串口芯片。本文以 OXFORD 半導體有限公司生產(chǎn)的 OX16PCI958高速串口芯片為對象，研究了在vxworks嵌入式實時系統(tǒng)下高速串行通信驅(qū)動的實現(xiàn)技術(shù)。OX16PCI958串口芯片，是由PCI接口擴展而出的，是一個帶有32字節(jié)，可擴展八路串行通道FIFO的通用異步收發(fā)器，通過配置能適應 RS-232/RS-422協(xié)議規(guī)范應用的需要，能同時支持I/0和內(nèi)存映射訪問，每路通道最高速率可達115.2 kb/s。標準的VxWorks操作系統(tǒng)缺乏對此高速串口芯片的驅(qū)動支持，本文提出了專用的多通道高速串口驅(qū)動程序設計，解決了此問題。

1 VxWorks串口驅(qū)動程序的架構(gòu)

1.1 基本框架

在VxWorks系統(tǒng)中，串行設備的驅(qū)動程序不是直接安裝在I/O系統(tǒng)中,而是通過虛擬設備ttyDrv來使用。串行設備不但需要支持 I/O系統(tǒng)也需要支持目標機代理接口，同時它還必須支持在中斷或者輪詢2種方式下工作[1]。

如圖1所示的串行設備驅(qū)動程序的工作方式。其中，與設備無關的部分已經(jīng)在虛擬設備ttyDrv中實現(xiàn)，驅(qū)動程序開發(fā)人員只需要根據(jù)系統(tǒng)給出的接口,實現(xiàn)驅(qū)動程序并將其安裝到ttyDrv。

圖1 串行設備驅(qū)動程序的工作方式

虛擬設備ttyDrv負責管理真實驅(qū)動程序與 I/O系統(tǒng)之間的通信[2]。一方面，虛擬設備 ttyDrv將系統(tǒng)的I/O請求作必要處理后,傳遞給設備驅(qū)動程序,再通過設備驅(qū)動程序來實現(xiàn)實際的 I/O操作；另一方面，虛擬設備ttyDrv將自己的入口點函數(shù)掛接在I/O系統(tǒng)上，初始化設備描述符并將其添加到設備列表中。當I/O系統(tǒng)中有請求包到達時，I/O系統(tǒng)會調(diào)用ttyDrv提供的相應的函數(shù)響應請求。圖2的ttyDrv數(shù)據(jù)流給出了該過程的數(shù)據(jù)流向。

1.2 驅(qū)動程序函數(shù)模塊注冊

[3]，函數(shù)ttyDrv()調(diào)用函數(shù)iosDrv Install()將tyRead()、tyWrite()、ttyOpen()、ttyIoctl()等函數(shù)加入到驅(qū)動程序表中,以供I/O系統(tǒng)調(diào)用。

1.3 專用串口設備的創(chuàng)建

首先初始化設備描述符,然后調(diào)用函數(shù)tyDevInit()初始化select功能,初始化tyLib,創(chuàng)建信號量,創(chuàng)建輸出輸入緩沖區(qū)，最后調(diào)用函數(shù)iosDevAdd()將設備加到設備列表中并設置設備的工作模式為中斷方式。

1.4 設備讀、寫操作實現(xiàn)

當應用程序調(diào)用函數(shù)write()執(zhí)行寫操作的時候,數(shù)據(jù)請求包首先會通過I/O系統(tǒng)傳給ttyDrv,然后運行函數(shù)tyWrite(),將用戶緩沖區(qū)的內(nèi)容復制到輸出環(huán)形緩沖區(qū),并調(diào)用函數(shù)xxTxStartUp初始化發(fā)送循環(huán),開啟中斷準備發(fā)送,最后通過調(diào)用中斷服務程序xxIntTx發(fā)送字符并清除中斷。I/O系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)操作流程如圖3。

當串口接收到數(shù)據(jù)時會調(diào)用接收中斷服務程序xxRcvInt,將接收的字符寫入指定的緩沖區(qū)。然后由回調(diào)函數(shù)tyIRd()將數(shù)據(jù)傳給高層協(xié)議。當用戶調(diào)用read()函數(shù)進行讀操作時, I/O系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)tyRead(),將輸入環(huán)形隊列中的內(nèi)容讀入用戶緩沖區(qū)。I/O系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)操作流程如圖4。

1.5 其他功能函數(shù)擴展

當應用程序調(diào)用函數(shù)ioctl()的時候，tty Ioctl()函數(shù)直接將命令傳到由用戶編寫的stl6c958ioctl()函數(shù)，如果所需要的功能在stl6c958ioctl()中未實現(xiàn)，則調(diào)用函數(shù)tyIoctl()，如果tyIoctl()調(diào)用也失敗,ttyIoctl()才會返回失敗。

2 VxWorks下多通道串口驅(qū)動程序設計

2.1 基本設計需求

基本設計需求如下：①基于 OX16PCI958串口芯片；②支持多任務并發(fā)訪問每路串口通道；③支持中斷共享方式，能正確區(qū)分是否有效中斷，提高CPU利用率；④支持端口設置,如波特率配置從50BPS---115200BPS、8位有效數(shù)據(jù)位、奇偶校驗、流控；⑤支持應用程序與芯片間數(shù)據(jù)的正確交互。

2.2 設計要點

（1）多任務并發(fā)訪問設計

為保障驅(qū)動程序?qū)Χ嗳蝿詹l(fā)通信訪問的支持，在驅(qū)動程序內(nèi)部采用了任務鎖（TaskLock）、中斷鎖（IntLock）來保證對臨界資源的唯一修改權(quán)，同時確保了必須的連續(xù)寄存器操作指令不被打斷。在具體的程序設計中每個通道都有一個獨立的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)ST16C958_CHAN與之對應，使每個通道間互不干擾，可并發(fā)訪問。

（2）中斷共享設置

中斷是CPU和外部設備進行通信的有效方法，它可以避免因反復查詢外部設備的狀態(tài)而浪費CPU時間，從而提高了 CPU的工作效率。首先在sysSerial.c文件的sysSerSerialHwInit()函數(shù)中調(diào)用函數(shù)pciConfigInByte(),參數(shù)設為PCI_CFG_DEV_INT_LINE，從寄存器中獲取中斷線，然后調(diào)用函數(shù)pciIntConnect()掛接中斷回調(diào)函數(shù) ST16C958Int(),最后調(diào)用函數(shù)sysIntEnablePIC()使能共享中斷。在中斷回調(diào)函數(shù)中必須正確處理共享于同一中斷信號線上的其它設備所產(chǎn)生的中斷。

（3）端口設置

當用戶使用 ioctl()函數(shù)訪問虛擬設備 ttyDrv時, I/O系統(tǒng)調(diào)用ttyIoctl()函數(shù), ttyIoctl()則接著訪問函數(shù)ST16C958Ioctl()，ST16C958Ioctl ()函數(shù)中主要實現(xiàn)波特率的設置、查詢，工作模式的設置及查詢等。

（4）應用程序串口訪問數(shù)據(jù)交互設計

1）初始化，首先操作系統(tǒng)要能夠正確識別該接口芯片、建立虛擬設備節(jié)點、映射基地址及掛接中斷，這就需要修改VxWorks系統(tǒng)config目錄下與嵌入式平臺的CPU相對應的文件夾中的sysSerial.c和sysSerail.h兩個文件，在 sysSerialHwlnit()函數(shù)中對接口芯片進行初始化，獲取基地址，設置讀寫及中斷回調(diào)函數(shù), 設置初始狀態(tài), 建立虛擬設備節(jié)點與驅(qū)動程序的關鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)ST16C958_ CHAN (如圖5所示)的對應關系。芯片內(nèi)的每個關鍵寄存器的正確設置，關系到是否能讓芯片正確運轉(zhuǎn)，如PCI設置寄存器，異步收發(fā)中斷狀態(tài)寄存器，異步收發(fā)時鐘寄存器，EEPROM控制寄存器等。最后在syslib.c文件中的 sysHwInit()函數(shù)中調(diào)用 sysSerialHwInit()函數(shù)實現(xiàn)串口芯片的初始化，而這個過程是在Vxworks系統(tǒng)內(nèi)核初始化之前完成的。

2）數(shù)據(jù)收發(fā)，當應用程序調(diào)用 write 函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)時，IO請求包將會通過I/O系統(tǒng)傳給ttyDrv，使tyWrite()開始運行。tyWrite開始執(zhí)行后，將會把用戶數(shù)據(jù)拷貝到 ttyDrv的環(huán)形緩沖區(qū)中，并調(diào)用ST16C958Startup()開始一個發(fā)送周期。每一次中斷，設備都會通過中斷服務程序發(fā)送一個或多個字節(jié)。ST16C958Startup()的任務包括初始化發(fā)送循環(huán)，開啟中斷準備發(fā)送。當硬中斷回調(diào)函數(shù)ST16C958Int()發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，則調(diào)用ST16C958PTxChar ()從高層協(xié)議驅(qū)除字符并將其傳送出去同時清除響應中斷，如果此時高層協(xié)議不再傳送數(shù)據(jù)，則重置傳送中斷，完成一個傳送周期，等待ST16C958Startup()開啟另一個傳送循環(huán)。當有數(shù)據(jù)收中斷產(chǎn)生時，ST16C958PRxChar()函數(shù)就從設備中接收數(shù)據(jù)并傳送到高層協(xié)議。

typedef struct{ /* ST16C958_CHAN */

SIO_DRV_FUNCS * pDrvFuncs;/* 驅(qū)動程序所需的

函數(shù) */

STATUS (*getTxChar) ();/* 傳送函數(shù)指針 */

STATUS (*putRcvChar) ();/* 接收函數(shù)指針 */

void * getTxArg;

void * putRcvArg;

UINT16 int_vec;/* 中斷向量 */

UINT16 channelMode; /* 模式中斷或輪詢 */

UCHAR (*inByte) (int); /* 從硬件讀取一個字節(jié)

函數(shù)指針 */

void (*outByte)(int,char); /* 向硬件寫入一個

字節(jié)函數(shù)指針 */

ULONG lcr; /* 在線控制寄存器 */

ULONG lst; /* 在線狀態(tài)寄存器 */

ULONG mdc; /* MODEM控制寄存器*/

ULONG msr; /* MODEM狀態(tài)寄存器 */

ULONG ier; /* 中斷使能寄存器 */

ULONG iid; /* 中斷狀態(tài)寄存器*/

ULONG brdl; /* 波特率寄存器*/

ULONG brdh; /*波特率寄存器*/

ULONG data; /* 數(shù)據(jù)寄存器 */

ULONG options;

ULONG fcr; /* FIFO狀態(tài)寄存器*/

ULONG spr;

} ST16C958_CHAN;

2.3 實驗效果

通過測試,證明該驅(qū)動程序能夠在50～115 200 b/s的速率下正確傳送數(shù)據(jù)，且在多任務同時訪問不同的串口虛擬通道時，每個串口通道都能夠以 50～115 200 b/s的速率正確工作，且相互間互不干擾。

3 結(jié)語

本文針對基于vxworks的嵌入式安全平臺缺乏對高速多通道串口芯片驅(qū)動支持的問題，提出了vxworks下基于0X16PCI958芯片的多串口的驅(qū)動程序設計，實現(xiàn)了八通道串口通信驅(qū)動能力，并通過任務鎖、中斷鎖及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的合理運用達到了較好的效果。進一步，通過對串口配置寄存器的設置進行優(yōu)化，并通過驅(qū)動模塊內(nèi)部嵌入密碼運算過程，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，并可實現(xiàn)該安全平臺的高速串行數(shù)據(jù)通信和加解密處理。本文的研究成果，對廣泛采用vxworks系統(tǒng)的嵌入式安全平臺的研制，有較高的實用價值。

參考文獻

[1] Wind River Inc.Tornado BSP Developer's Kit for VxWorks User's Guide[EB/OL].(1999-02-11)[2011-10-01]. http://www.vxdev.com/html/42/756.htm.

[2] Wind River Inc. VxWorks BSP Reference[EB/OL].(2000-10-11)[2011-10-01].http://www-kryo.desy.d e/.../vxWorks/.../VxWorks_BSP.

[3] 周啟平,張楊.VxWorks下設備驅(qū)動程序及BSP開發(fā)指南[M].北京:中國電力出版社,2004.