基于VxWorks的BMK卡的軟件測試系統(tǒng)研究

王煊

（中國空空導(dǎo)彈研究院 河南 洛陽 471009）

首先，本文詳細(xì)探討了基于VxWorks的PXI板卡驅(qū)動程序的開發(fā)，總結(jié)出PXI驅(qū)動開發(fā)的具體流程，闡述了驅(qū)動程序中各功能模塊的實現(xiàn)方法和技術(shù)要點，完成了BMK卡在VxWorks系統(tǒng)下的驅(qū)動程序開發(fā)與調(diào)試工作，尤其是DMA數(shù)據(jù)傳輸部分的實現(xiàn)，填補了國防型號測試系統(tǒng)中的空白，滿足了研制的急需性。其次，論文重點說明了系統(tǒng)應(yīng)用程序的設(shè)計，實現(xiàn)了VxWorks端與Windows端跨平臺的通信，分別詳細(xì)說明了客戶端和服務(wù)端的網(wǎng)絡(luò)通信程序的設(shè)計與實現(xiàn)，為嵌入式軟件的遠(yuǎn)程控制奠定了基礎(chǔ)。最后給出了接口函數(shù)的列表，完成了整個系統(tǒng)的設(shè)計。

1 PXI總線BMK卡概述

基于PXI總線的BMK卡是空空導(dǎo)彈測試系統(tǒng)的重要組成部分，在遙測接收計算機上發(fā)揮重要作用。遙測計算機包括：6槽PXI機箱，PXI嵌入式控制器——PXI3800以及相應(yīng)的PXI總線接口功能子單元和信號調(diào)理硬件。整體結(jié)構(gòu)如圖1。

本文所涉及的BMK卡測試系統(tǒng)是在VxWorks實時控制系統(tǒng)下設(shè)計的BMK的驅(qū)動，實時性較好，為微秒級，對研發(fā)高實時性系統(tǒng)奠定重要基礎(chǔ)。此外在Windows系統(tǒng)下實現(xiàn)了用戶界面的開發(fā)，人機交互界面良好。結(jié)構(gòu)圖如圖2。

圖1 遙測接收計算機框架圖Fig.1 The telemetry receiving computer framework figure

圖2 BMK卡測試程序結(jié)構(gòu)圖Fig.2 BMK card test program design chart

2 VxWorks下設(shè)備驅(qū)動程序研究與實現(xiàn)

VxWorks系統(tǒng)中輸入輸出設(shè)備宏觀上被分為3種類型：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備[2]。這種分類方法是根據(jù)硬件本身的特性來決定的。依照設(shè)備類型，VxWorks下設(shè)備驅(qū)動程序的管理也被分為3種模塊：字符設(shè)備驅(qū)動程序模塊、塊設(shè)備驅(qū)動程序模塊、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序模塊。每個模塊對應(yīng)一種設(shè)備類型，而每個模塊中不同的設(shè)備包含的功能不一樣。用戶可以根據(jù)自己的需要在VxWorks下，創(chuàng)建不同的模塊。

BMK卡為PXI設(shè)備，屬于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，其驅(qū)動程序應(yīng)創(chuàng)建為網(wǎng)路設(shè)備驅(qū)動程序。

2.1 初始化模塊

系統(tǒng)加電以后，加載VxWorks映像。然后處理器跳到加載映像的地址即 sysInit（）的首地址開始執(zhí)行，sysInit（）完成最初的硬件初始化工作。再調(diào)用第二個子程序UserInit（）來關(guān)閉所有硬件中斷[5]。 其中 UserInit（）的子程序 sysHInit（）將硬件處于初始的安靜狀態(tài)，此時VxWorks系統(tǒng)內(nèi)核還沒有被激活，內(nèi)存也沒有被初始化。

主要工作如下：在config.h中定義INCLUDE_PCI，設(shè)置PCI_CFG_TYPE為PCI_CFG_NONE讓BIOS來完成硬件資源配置；sysHWInit（）做動態(tài)配置調(diào)用 sysPlx9054PciInit（）查找設(shè)備和動態(tài)配置設(shè)備[1]。

2）重視項目化的過程考核。傳統(tǒng)的高職大學(xué)英語課堂上，學(xué)生普遍認(rèn)為只要期末根據(jù)教師所給定的復(fù)習(xí)重點臨時抱抱佛腳，就能應(yīng)付期末考試。而對于英語學(xué)習(xí)來說，在期末英語考試中，考試內(nèi)容只有一小部分的聽力考試，其余都是筆試，不能全面反映學(xué)生在一個學(xué)期內(nèi)的學(xué)習(xí)成果。因此，在英語考試方面應(yīng)當(dāng)增加考試內(nèi)容，將學(xué)習(xí)的過程納入英語期末考評中，增加其占考評的比重。在核心素養(yǎng)培養(yǎng)下的英語課程考核應(yīng)當(dāng)包括對學(xué)生語言能力、學(xué)習(xí)能力、思維能力和文化意識方面的考核。

PXI3800的BSP對專門的PCI設(shè)備提供了支持，BMKCardInit（）函數(shù)就是通過調(diào)用這些庫函數(shù)來完成硬件搜索和資源配置功能的。

2.2 中斷處理

對于中斷，首先要進(jìn)行中斷掛接，其次進(jìn)行中斷處理模塊。

中斷掛接是在系統(tǒng)內(nèi)核被激活后才被調(diào)用的，其主要工作是初始化DMA相關(guān)寄存器，為進(jìn)行DMA操作做準(zhǔn)備；掛接中斷，將中斷向量和中斷服務(wù)程序相關(guān)聯(lián)，并使能中斷；創(chuàng)建互斥信號量，用于建立驅(qū)動程序和應(yīng)用程序之間的特殊通信[3]。

一般情況PCI設(shè)備會共享中斷，所以掛接要使用pciIntConnect來將所有共享中斷的中斷服務(wù)程序組成一個函數(shù)鏈，這樣每次發(fā)生中斷都會將這個鏈調(diào)用一遍，從而實現(xiàn)中斷共享。

接收中斷后進(jìn)入中斷處理模塊。中斷處理模塊的主要工作是中斷到來時判斷是否為自己控制的設(shè)備發(fā)生的中斷，是則繼續(xù)處理，否則立即返回，交由其他中斷服務(wù)程序處理。若為DMA0通道產(chǎn)生的中斷，則釋放互斥信號量通知應(yīng)用程序處理剛通過DMA方式存入內(nèi)存的數(shù)據(jù)；最后清中斷。

由于所有的中斷服務(wù)例程共享一個堆棧，沒有任務(wù)控制模塊，所以，在中斷服務(wù)程序中不能使用可導(dǎo)致阻塞的函數(shù)，如 printf（）、semTake（）等。 另外，中斷服務(wù)程序不允許使用浮點協(xié)處理器的函數(shù)，因為在 VxWorks中，intConnect（）建立的中斷服務(wù)程序不能保存并回復(fù)浮點寄存器，如果一定要在中斷服務(wù)程序中使用浮點運算的話，必須使用fppArchLib庫中的函數(shù)顯式的保存和恢復(fù)浮點協(xié)處理器寄存器。

3 網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計與實現(xiàn)

在VxWorks的BSP完成了網(wǎng)口的底層驅(qū)動和TCP/IP層上的協(xié)議加載后，用戶程序需要的就是在TCP/IP層上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。在本系統(tǒng)中，采用的是服務(wù)器 （server）和客戶端（client）的通信方式。其實現(xiàn)過程如圖3所示。

圖3 服務(wù)器端與客戶端的建立Fig.3 Socket connecting between server and client

3.1 VxWorks端網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計

在服務(wù)器端，在Tornado2.2中利用VxWorks對socket的支持，其通信程序如下[4]：

1）創(chuàng)建套接字。創(chuàng)建 socket是利用函數(shù) socket（AF_INET，SOCK_STREAM，0）， 其 中 ，AF_INET 指 定 通 信 域 為TCP/IP協(xié)議簇，SOCK_STREAM是全雙工的字節(jié)流。Socket調(diào)用成功后返回一個套接字描述符，接著對服務(wù)器地址等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)初始化并對字節(jié)順序進(jìn)行初始化。

2）bind （listenSkt， （struct sockaddr*） &serverAddr， sock AddrSize），將套接字口和端口號綁定在一起。

3）監(jiān)聽。函數(shù) listen （listenSkt， 5）將在 listenSkt套接字指定的端口上開始監(jiān)聽，等待客戶的連接請求。

4）建立連接。 函數(shù) accept（listenSkt， （struct sockaddr*）（&clientAddr），&sockAddrSize）接收客戶機的連接請求并為此建立一個連接。函數(shù)accept返回一個新的套接字描述符commuSkt來供連接使用，服務(wù)器可以在以前的socket上繼續(xù)監(jiān)聽。

5）關(guān)閉連接。用函數(shù)close（）來關(guān)閉一個套接字描述符。

6）發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。函數(shù)send（）用于從發(fā)送緩沖區(qū)讀取指定字節(jié)長度的數(shù)據(jù)來發(fā)送。函數(shù)recv（）從接收緩沖區(qū)接收指定字節(jié)長度的數(shù)據(jù)。

整個程序的運行，需要多任務(wù)的支持。在多任務(wù)操作系統(tǒng)VxWorks下，任務(wù)由唯一的ID來標(biāo)識，并且對應(yīng)某一個特定的任務(wù)名，系統(tǒng)支持256個優(yōu)先級。在默認(rèn)情況下，0為最高優(yōu)先級，255為最低優(yōu)先級。每個任務(wù)都有自己的狀態(tài)，是下面一種或幾種的組合狀態(tài)：excute（正在執(zhí)行），ready（就緒狀態(tài)），pended（阻塞狀態(tài)），delayed（延遲狀態(tài)），suspended（掛起狀態(tài)）。本系統(tǒng)中采用了默認(rèn)的優(yōu)先級搶占調(diào)度策略。

3.2 windows端通信程序的設(shè)計

Windows端通信程序是基于Windows socket的，windows socket定義了一套Microsoft Windows下網(wǎng)絡(luò)編程接口。它提供了針對Windows的擴展函數(shù)庫，使程序員可以充分的利用Windows消息驅(qū)動機制進(jìn)行編程。

Windows socket通信的基礎(chǔ)是套接字 （socket）。 利用socket進(jìn)行通信，主要有兩種方式。第一種是有連接的流方式，即需要在兩個通信的應(yīng)用程序之間建立一條連接鏈路。必須在兩端確定通路后，數(shù)據(jù)才能被正確接收和發(fā)送。第二種是無連接的數(shù)據(jù)報文方式，這時通信的兩臺計算機把數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)郵寄給對方，數(shù)據(jù)在傳送過程中有可能會殘缺，也有可能接收順序與發(fā)出時順序不同，這種方式支持雙向的數(shù)據(jù)流，但并不保證數(shù)據(jù)的可靠、有序、無重復(fù)性。在本系統(tǒng)中采用的是有連接的流方式，用的是客戶機/服務(wù)器模型。

對于VxWorks端來說，Windows屬于客戶機，客戶機的界面用MFC進(jìn)行編寫，通過界面向服務(wù)器請求服務(wù)，并通過一套協(xié)議保證服務(wù)可以被提供或者接收，該協(xié)議需要被客戶機和服務(wù)器所接受。在MFC中為套接字提供了類CAsyncSocket和 CSocket，由于CAsyncSocket不需要多線程，使用簡單，雖然CAsyncSocket的發(fā)送和接收受到TCP/IP緩沖大小的限制，但是Windows作為上層界面控制的時候，數(shù)據(jù)量并不大，所以在本系統(tǒng)中采用CAsyncSocket類庫中的函數(shù)。

創(chuàng)建函數(shù)：BOOL Create（UINT nSocketPort=0，int nSocketType=SOCK_STREAM，long lEvent=FD_READ|FD_WRITE|FD_OOB|FD_ACCEPT|FD_CONNECT|FD_CLOSE，LPCTSTR lpszSocketAddress=NULL）

關(guān) 聯(lián) 函 數(shù) ：BOOL Bind （ UINT nSocketPort， LPCTSTR lpszSocketAddress=NULL）

客戶套接字連接函數(shù)：BOOL Connect（LPCTSTR lpszHostAddress， UINT nHostPort）

4 接口函數(shù)設(shè)計

接口函數(shù)包括發(fā)送例程和接收例程。

發(fā)送例程的設(shè)計分為以下幾步：

1）應(yīng)用程序把要發(fā)送的數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)首指針和發(fā)送要求傳遞給驅(qū)動程序，發(fā)送要求包括通道號，發(fā)送方式，發(fā)送個數(shù)。

2）驅(qū)動程序?qū)l(fā)送要求寫入對應(yīng)的寄存器地址。寫發(fā)送命令字，然后請求獲得該發(fā)送通道以及發(fā)送方式對應(yīng)的發(fā)送緩沖區(qū)的信號量。若信號量獲得成功，驅(qū)動程序就把將要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過DMA傳輸?shù)姆绞綄懭氚l(fā)送緩沖區(qū)；若信號量獲得不成功，多請求幾次，超過一次次數(shù)后函數(shù)返回，發(fā)送失敗。對于單次發(fā)送的方式必須首先查詢一個特定的標(biāo)志位，該標(biāo)志位表示的是發(fā)送是否準(zhǔn)備好，只有查詢到該標(biāo)志位為0，才可以進(jìn)行后面的操作。

相對于發(fā)送例程來說，接收例程要復(fù)雜一些[6]。

圖4 接收例程流程圖Fig.4 Receive routine flowchart

這里涉及到了兩個任務(wù)的同步以及任務(wù)間的通信，采用了信號量的方式進(jìn)行處理。VxWorks為信號量做了很好的優(yōu)化，為任務(wù)間通信提供了最快捷的方式。信號量是互斥和任務(wù)同步的主要實現(xiàn)手段。

二進(jìn)制信號量是速度最快、真正意義上的信號量。VxWorks專門為任務(wù)同步和互斥優(yōu)化了這種信號量，這種信號量相當(dāng)于總數(shù)為1的計數(shù)型信號量，也可以理解成一種開關(guān)。一個信號量只有唯一的任務(wù)可以獲得，當(dāng)一個任務(wù)釋放信號量之后，其他的任務(wù)才可以重新獲得這個信號量。

BMK的接口函數(shù)如下：

表1 BMK通信卡接口函數(shù)表Tab.1 BMK card interface functions list

5 結(jié) 論

本文設(shè)計了基于PXI總線的BMK卡的軟件測試程序，該程序結(jié)構(gòu)緊湊，功能齊全，并且在實時性系統(tǒng)VxWorks的操作下，確保了數(shù)據(jù)處理的迅速準(zhǔn)確。該板卡工作穩(wěn)定，可以實現(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)，尤其在DMA傳輸過程中，保證了大量數(shù)據(jù)發(fā)送的及時性，適用于高實時性要求的系統(tǒng)。在國防中可以發(fā)揮重要作用。

[1]9054 Data Book Version 2.1，PCI 9054 Data Book[S].U.S:PLX，2000.

[2]Barbalance A.Performance Comparison of VxWorks， Linux，RTAI and Xenomai in a Hard Realctime Application[C]//Real-Time Conference，2007.

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[6]孔祥營，柏桂枝.嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks及其開發(fā)環(huán)境Tornado[M].北京:中國電力出版社，2002:114-116.