基于VxWorks的多串口卡通信实现

    VxWorks操作系统是美国Wind River公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统(RTOS)，良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，使其在嵌入式实时操作系统领域居于领先地位，广泛应用于现代的各种嵌入式计算机系统中，比如军事指挥系统、武器控制系统或工业控制系统中。而在这些系统中，往往不是单个计算机的控制，而是多个计算机以及其他设备组成通信网络共同完成控制作用，因此，对于每一个嵌入式计算机除了连接必需的外设之外，还需要考虑计算机之间的通信。计算机间常用的通信方式是利用串行口来实现的。本文在VxWorks多串口通信的实现过程中未采用常见的标准VxWorks虚拟设备ttyDrv驱动方式，而是在用户的驱动程序中直接对硬件进行初始化，以中断方式进行串口通信。

1、环境及配置

    VxWorks嵌入式开发采用图1所示的主机一目标机方式。

    其他硬件与本文关系不大，这里主要介绍串口卡，该卡是DIAMOND SYSTEM公司生产的EMERALD-MM-8型8串口扩展卡(以下简称EMM8)，是基于2片ST16C554芯片的8串口集成板卡，每一路串口均可单独配置成符合RS-232C/RS-422A/RS-485协议规范，最高速率可达115.2kb/s。通用异步收发器(UART)ST16C554用来扩展4路串口通道。每路通道各有一组16B的收发FIFO和移位寄存器，用来缓冲数据和串并转换。每个通道有12个8b内部寄存器，用来存放收发数据以及配置该串口的工作模式，需要在初始化时对各寄存器进行设置。本文根据工程的要求，将卡上的硬件跳线设好，如：各串口使用RS-232C协议，按照datasheet进行硬件跳线。其中J9的配置较为重要，如图2所示。

    D、C、B、A 四位表示base address，从data sheet中查表可知其跳线情况，以本项目为例，base address为0x300，则D、C、B、A分别为out、out、in、in，为1100。

2、3、4…15为该卡可用的中断号，要使用哪个中断就必须将其跳为in。本项目由于中断资源不足，只能用一个中断号即7号中断，因此只将7设为in。

    CK为频段范围跳线，对ST16C554来说必须为in。

    另外，EMM8在系统启动时会从板上的EEPROM 中读取各个端口的基本配置信息，主要是端口映射地址及分配的中断号，这些信息可以在启动后编程修改，但一般是固定的，因此只要在EEPROM 中配置一次并保存即可。

2、多串口驱动开发

2.1 I/O系统与串口设备驱动层次结构

    I/O系统与串口设备驱动层次如图3所示。

    图3中最底层就是要编写的驱动程序。在这里主要完成对具体硬件的各种操作，以及与上层的接口。硬件驱动层上面是ttyDrv和tyLib。这一层比较特殊，是Vxworks专门为串口设备准备的一个虚拟驱动库，它把跟具体硬件无关的操作集成在了这一层中。这样用户只编写与硬件有关的驱动和跟这一层的接口函数即可。从总的结构讲，这2层都属于设备驱动的范畴。再上一层是I/O系统层，Vxworks的I/O系统向上提供了7个基本的I/O接口，供应用程序调用；向下提供与各种设备驱动程序的接口。I/O系统把应用程序跟驱动程序有机地连接起来。最顶层就是用户根据应用需要编写的应用程序。ttyDrv是一个虚拟设备驱动，用于处理I/O系统与底层实际设备驱动程序(可以是用户设计的驱动程序)之间的通信。使用ttyDrv控制串口是比较常见的串口驱动实现方式，实际上，直接对硬件进行初始化，以中断方式进行串口通信也是可行的方式，且更加靠近底层，可以更自由、高效的控制串口。

2.2 EMM8驱动开发

    首先是对各串口的初始化和中断配置，初始化包括设置波特率以及数据格式。

    在实际的工程应用中，需要8个串口共同使用一个中断(中断资源不足)，实现8串口的全双工同时收发。难点在于使用同一个中断且不能丢数据，对于驱动使用同中断问题，关键是接收数据的中断服务程序ISR。经过探索，不论是否使用单中断，读EMM8卡上I/O Register　Map表中的一个中断状态寄存器(interrupt status　register)，可以指出当时是哪一个串口收到数据，读出该串口的数据即可。但是这种实现方法经过测试在接收时丢数据。后经研究发现，中断状态寄存器并不一定在某一个时刻只有一个端口位发生跳转。即CPU收到中断后，有可能是几个串口“同时”收到数据，这是因为中断控制器将同一个CPU中断分给了不同的串口。从CPU端看来只有一个中断，但从各串口来讲，这个中断有可能是几个串口“同时”产生的。因此要对中断状态寄存器进行轮询，由发生跳转的串口位接收该串口的数据。修改后，经过编写用例测试，可以稳定地使用单中断接收数据且不影响数据的发送。

2.3 驱动测试

    首先是各串口的功能测试，使用“串口调试助手”软件工具通过PC机与各目标机串口通信，收发数据，然后通过屏幕显示得到的数据，对比规定的预期结果，检测数据收发是否正确。经多次验证，工作稳定，通信正确。

    综合测试：使用2台PC104分别安装STV2050CPU模块和EMM8多串口模块各1块，2台PC通过网口(交换机)连接2台PC104，2个EMM8通过8根RS-232双头串口线连接。2台PC通过网口使用tornado的shell工具下载启动程序。2台PC104分别称为1主机和2主机。测试方法是：1主机同时发送8串口的数据，2主机8串口接收并转发回1主机。1主机接收返回的数据，判断是否通信错误。经检验正确通信300000次无错，多次验证。完成对EMM8多串口通讯模块全双工收发的测试。

    经过以上测试，表明本文所述的多串口卡通信实现方法有效，所开发模块稳定可靠。

3、结束语

    本文介绍了VxWorks嵌入式系统中的多串口卡通信的实现过程，因篇幅有限，不能列出详尽代码。本文以EMM8为例，采用驱动直接访问硬件的方法，较为简洁、高效地解决了单中断多串口全双工通信的问题，满足了项目需求，并经过了测试和验收。为日后类似问题的解决提供了一些参考和经验。