BM3803MG是由北京微電子技術(shù)研究所研制的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的SPARC V8構(gòu)架的國產(chǎn)高可靠嵌入式控制器，能夠穩(wěn)定運行VxWorks實時操作系統(tǒng)，其性能高、功耗低，可應(yīng)用于航空、航天等高可靠領(lǐng)域的32 bit抗輻射RISC芯片。本文用該款控制器以及工業(yè)級以太網(wǎng)芯片KSZ8851-16mll為某型號研制了系統(tǒng)主控板，該板采用實時操作系統(tǒng)VxWorks編程，并對主控板的板級支持包(BSP)進行設(shè)計，從而實現(xiàn)了基于以太網(wǎng)的高可靠和實時的數(shù)據(jù)處理。本文主要介紹主控板以太網(wǎng)芯片KSZ8851-16mll的VxWorks驅(qū)動設(shè)計。

1 硬件系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示，硬件系統(tǒng)由BM30803MG、FPGA、SDRAM和以太網(wǎng)控制器構(gòu)成硬件系統(tǒng)。

BM3803MG是基于SPARC V8體系結(jié)構(gòu)的32 bit處理器，可用于板上嵌入式實時計算機系統(tǒng)。BM3803MG芯片內(nèi)部包含有：整數(shù)處理單元、浮點處理單元、獨立的指令和數(shù)據(jù)Cache、硬件乘法器和除法器、中斷控制器、帶有跟蹤緩沖器的硬件調(diào)試單元、2個24 bit定時器、通用I/O接口、看門狗；能夠支持PROM、SRAM、SDRAM和I/O映射空間訪問的存儲器控制器；具有軟件可以控制的省電工作模式；具有可實現(xiàn) PCI 主機橋（Host bridge）和從屬橋（Guest bridge）功能的PCI 控制器；符合PCI2.3規(guī)范的33 MHz PCI接口；完全的三模冗余設(shè)計、 EDAC和奇偶校驗。

主要性能指標[1]：
(1)用Dhrystone 2.1作為測試程序、CPU主頻為100 MHz時，處理能力為86 MIPS；用Whetstone作為測試程序、CPU主頻為100 MHz時，浮點處理能力為23 MFLOPS。

(2)抗輻性能：總劑量抗輻能力為100 Krad(Si)， 優(yōu)于1 E-5錯誤/器件/day的SEU事件，優(yōu)于70 MeV cm2/mg的抗閂鎖能力。BM3803MG總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。


2 VxWorks BSP設(shè)計

VxWorks是美國風(fēng)河公司(現(xiàn)已被Intel收購)推出的一款高性能、可裁減的嵌入式實時操作系統(tǒng)，它以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實時性要求極高的領(lǐng)域中[2]。由于操作系統(tǒng)廠商不能對所有設(shè)備的處理器驅(qū)動提供支持，故需要針對不同的硬件平臺進行相關(guān)驅(qū)動的開發(fā)。

2.1 BSP

板級支持包BSP(Board Support Package)是介于底層硬件和上層軟件之間的底層軟件開發(fā)包，它將系統(tǒng)中與硬件直接相關(guān)的一層軟件獨立出來。本設(shè)計中BSP的主要功能是屏蔽硬件、提供操作系統(tǒng)的驅(qū)動及硬件驅(qū)動。具體功能包括[3]：(1)目標板硬件初始化。主要是CPU的初始化，為整個系統(tǒng)提供底層硬件支持；(2)為操作系統(tǒng)提供設(shè)備驅(qū)動程序和系統(tǒng)中斷服務(wù)程序；(3)定制操作系統(tǒng)的功能。為軟件系統(tǒng)提供一個實時多任務(wù)的運行環(huán)境；(4)初始化操作系統(tǒng)。為操作系統(tǒng)的正常運行做好準備。

在網(wǎng)卡驅(qū)動開發(fā)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義。

2.2 KSZ8851-16mll以太網(wǎng)控制器

KSZ8851-16mll是美國Micrel公司研制的單端口嵌入式控制芯片，它包括一個快速以太網(wǎng)的 MAC控制器、一個8/16 bit的普通主機處理器接口以及在 RXQ(12 KB)和 TXQ(6 KB)之間進行共享的18 KB內(nèi)部緩沖存儲器，并提供了Wake-on-LAN技術(shù)，可有效地解決快速以太網(wǎng)的應(yīng)用[4]；支持大端(Big-Endian)和小端(Little-Endian)的處理器、多幀數(shù)據(jù)傳輸和接收、IPv4/ IPv6 checksum和32 bit CRC的生成與校驗。此外，KSZ8851-16mll還提供了強大的功率管理功能。

2.3 驅(qū)動程序的實現(xiàn)

2.3.1 SENS協(xié)議棧

VxWorks支持可裁減的增強型網(wǎng)絡(luò)堆棧SENS(Scalable Enhanced Networks Stack)，提供了可替換的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序。SENS 的基本層次結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧相似,但SENS最大的特點是在數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層之間多了MUX層。在SENS中,網(wǎng)絡(luò)接口的驅(qū)動程序即END網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序處于數(shù)據(jù)鏈路層。IP層和TCP/ UDP層合稱為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層。在數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層之間有應(yīng)用程序接口(API)，這個接口在SENS中稱為MUX(Multiplexer)接口。MUX層直接與END 驅(qū)動程序相交互，其應(yīng)用程序提供了獨立于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的驅(qū)動程序接口，可以與多個獨立的END驅(qū)動程序同時交互。接口層MUX 起到了隔離網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序的作用，并管理協(xié)議層和數(shù)據(jù)鏈路層之間的通信，使數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程變得簡單，而不需要通過掛接鉤子函數(shù)來解決[5]。

2.3.2 編程架構(gòu)

KSZ8851-16mll BIU主機接口是間接存取數(shù)據(jù)的總線接口。共享數(shù)據(jù)總線SD[15:0]由CMD控制信號來決定是地址線還是數(shù)據(jù)線。由于KSZ8851-16mll 是單端口芯片，外界與芯片只能通過單端口進行交互。下面簡單介紹KSZ8851-16mll 的寄存器的讀寫以及數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送過程。

(1)寄存器讀寫操作

訪問KSZ8851-16mll寄存器需要兩個步驟：①置CMD為高，寫寄存器的偏移地址和字節(jié)使能號(BEn)到共享數(shù)據(jù)總線上；②置CMD為低，讀或者寫數(shù)據(jù)到共享數(shù)據(jù)總線上。

本文網(wǎng)卡芯片采用大端模式，并且芯片的CMD管腳與主機的地址線A2相連，可以得到KSZ8851-16mll 讀寫寄存器的兩個重要操作程序：

讀寄存器：
*((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 ))；
寫寄存器：
*((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表示網(wǎng)卡芯片基地址，CMD_LOW=0(CMD=0)，表示共享數(shù)據(jù)總線是數(shù)據(jù)線；CMD_HIGH=4(CMD=1)，表示共享數(shù)據(jù)總線是地址線。

(2)數(shù)據(jù)包接收

KSZ8851-16mll軟件驅(qū)動以中斷方式接收數(shù)據(jù)包，當操作系統(tǒng)接收到中斷時，會調(diào)用中斷向量表的中斷服務(wù)程序處理網(wǎng)卡中斷(包括對錯誤的檢查和狀態(tài)的改變)，中斷服務(wù)程序把從網(wǎng)卡的接收緩存?zhèn)鬏數(shù)较到y(tǒng)緩存的所有費時工作都放在任務(wù)層里完成。KSZ8851-16mll接收包的具體流程如圖3所示。


(3)數(shù)據(jù)包發(fā)送

上層應(yīng)用程序調(diào)用KSZ8851-16mll的發(fā)送程序?qū)崿F(xiàn)通過以太網(wǎng)控制器傳送連續(xù)的數(shù)據(jù)塊，如圖4所示。數(shù)據(jù)包的發(fā)送主要是依靠KSZ8851-16mll中的發(fā)送數(shù)據(jù)緩存區(qū)，軟件驅(qū)動將發(fā)送數(shù)據(jù)寫入發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。當網(wǎng)卡芯片檢測到處理器發(fā)來的數(shù)據(jù)發(fā)送信號后，將寫入發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)包處理成Ethernet數(shù)據(jù)包的形式進行發(fā)送。如果以太網(wǎng)控制器傳輸數(shù)據(jù)時出現(xiàn)錯誤，用戶可以決定重新發(fā)送該幀數(shù)據(jù)還是丟棄該幀數(shù)據(jù)。


2.4 END網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包一般有中斷和輪詢兩種方式，本文采用中斷方式。

2.4.1 END驅(qū)動程序中的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

END_0BJ：END_0BJ中定義所有網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的部分，提供一個獨立于設(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包含了設(shè)備名稱、設(shè)備編號、設(shè)備描述以及設(shè)備指針等與設(shè)備相關(guān)的基本信息。這些信息只是提供設(shè)備的一個描述，不包含控制信息[5]。

2.4.2 END驅(qū)動程序的函數(shù)實現(xiàn)

在END驅(qū)動程序中，需要實現(xiàn)設(shè)備的加載、卸載、控制、發(fā)送和接收、設(shè)備啟動和停止、輪詢發(fā)送和接收等功能函數(shù)。下面給出幾個重要功能函數(shù)的實現(xiàn)：

(1)加載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備函數(shù)KS8851EndLoad()：是KSZ8851-
16mll驅(qū)動程序的初始化入口點。KS8851EndLoad()中執(zhí)行幾個必要操作：初始化END_OBJ結(jié)構(gòu)、初始化網(wǎng)絡(luò)緩沖內(nèi)存、初始化MIB、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)準備好標志。

(2)啟動設(shè)備函數(shù)KS8851Start()：其作用是使設(shè)備處于活動狀態(tài)和注冊中斷服務(wù)程序。函數(shù)實現(xiàn)如下：
STATUS KS8851Start(DRV_CTRL * pDrvCtrl)
{
/*驅(qū)動程序的中斷服務(wù)程序和設(shè)備中斷連接*/
intConnect((VOIDFUNCPTR *)IVEC_EXTINT0,
(VOIDFUNCPTR)ks8851EndInt, (int)pDrvCtrl);
/*打開中斷設(shè)備*/
(* ks8851IntEnable) (INUM_TO_LVL(pDrvCtrl->ilevel));
}

其中，intConnect()函數(shù)實現(xiàn)注冊驅(qū)動程序的中斷服務(wù)程序，KS8851IntEnable是對CPU與網(wǎng)卡相連的中斷進行使能。

(3)發(fā)送數(shù)據(jù)包函數(shù)KS8851EndSend()：獲得發(fā)送器的使用權(quán)、查詢發(fā)送緩沖區(qū)、啟動設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)、統(tǒng)計MIB的錯誤數(shù)和釋放已經(jīng)發(fā)送的數(shù)據(jù)包[6]。當要發(fā)送數(shù)據(jù)包時，上層應(yīng)用程序?qū)⒁l(fā)送的數(shù)據(jù)包寫入?yún)f(xié)議層的緩沖區(qū)中交由協(xié)議層進行處理，經(jīng)協(xié)議層處理的包含了協(xié)議層附加信息的數(shù)據(jù)包將被發(fā)送給MUX層的接口函數(shù)muxSend( )，再由KS8851EndSend()函數(shù)寫入緩沖由網(wǎng)卡發(fā)送出去。

(4)接收數(shù)據(jù)包函數(shù)KS8851reveive( )：當接收一個數(shù)據(jù)包時會觸發(fā)一個中斷，網(wǎng)卡的中斷服務(wù)程序（KS8851EndInt( )）將通過調(diào)用netJobAdd( )向任務(wù)隊列注冊一個網(wǎng)絡(luò)任務(wù)，此網(wǎng)絡(luò)任務(wù)為數(shù)據(jù)包接收函數(shù)（KS8851reveive( )），負責(zé)接收數(shù)據(jù)包。KS8851reveive( )由tNettask來調(diào)用。接收到的數(shù)據(jù)包由MUX的接口函數(shù)muxReveive調(diào)用協(xié)議層的接口函數(shù)stackRcvRtn傳遞到協(xié)議層，最終數(shù)據(jù)到達應(yīng)用層的緩沖區(qū)中。應(yīng)用層程序通過read( )函數(shù)對其讀取。數(shù)據(jù)包經(jīng)過物理層到達數(shù)據(jù)鏈路層，然后通過MUX 層到達網(wǎng)絡(luò)層，再通過TCP/IP 協(xié)議層到達應(yīng)用層，即完成了數(shù)據(jù)包接收的全過程[7]。

3 向BSP中添加驅(qū)動程序

已經(jīng)編寫好的網(wǎng)卡驅(qū)動程序加入BSP中需要以下幾步：
(1)修改sysLib.c：
使能外部中斷0，并設(shè)置中斷觸發(fā)方式為邊沿觸發(fā)。
(2)在config.h中添加如下語句：
#define INCLUDE_END
#define INCLUDE_KS8851_END
(3)在configNet.h中添加新的裝載函數(shù)：
END_TBL_ENTRY endDevTbl [] =
{
.....
#ifdef INCLUDE_KS_8851_END
{0,KS8851_LOAD_FUNC, KS8851_LOAD_STRING,
KS8851_BUFF_LOAN,NULL, FALSE},
#endif
.....
};
通過以上步驟，驅(qū)動程序已經(jīng)添加到BSP中，編譯后生成所需要的帶有KSZ8851-16mll驅(qū)動的VxWorks_rom鏡像文件，下載到開發(fā)板里，實現(xiàn)開發(fā)板與主機間的網(wǎng)絡(luò)通信。

4 基于ROM的VxWorks鏡像下載流程

網(wǎng)卡的驅(qū)動程序完成之后，需對驅(qū)動程序進行測試，查出驅(qū)動程序潛在的缺陷以及驗證驅(qū)動功能是否完善。測試環(huán)境如圖5所示。

本文使用BM3803MG專用燒寫軟件燒寫VxWorks_rom鏡像的過程如下：(1)把生成VxWorks_rom鏡像轉(zhuǎn)換成存儲器鏡像VxWorks_rom.bin；(2)運行BM3803MG的專用燒寫軟件，使用Flash映像生成功能，在VxWorks_rom的工程目錄下，自動生成flash_content.bin、program_flash_in_ram.exe和program_flash_in_ram.bin。其中，flash_content.bin為待引導(dǎo)VxWorks_rom.bin的flash映像，program_flash_in_ram.exe為燒寫flash_content.bin的燒寫程序，program_flash_in_ram.bin為此燒寫程序的RAM映像；(3)將program_flash_in_ram.bin燒寫到Flash中后，即完成了VxWorks_rom鏡像下載到目標板的任務(wù)。
BSP程序的開發(fā)與單純的應(yīng)用軟件不同，BSP程序在開發(fā)過程中會遇到很多硬件的問題，如時序匹配和信號完整性問題等。因此，在開發(fā)BSP之前，需盡量熟悉嵌入式系統(tǒng)的硬件以及硬件的初始化、寄存器訪問方式以及硬件的時序等，并完成相關(guān)的調(diào)試工作，為開發(fā)BSP打好基礎(chǔ)[5]。
本文實現(xiàn)了VxWorks下基于BM3803MG的KSZ8851以太網(wǎng)BSP，滿足了空間應(yīng)用項目的嵌入式控制系統(tǒng)的高可靠、實時數(shù)據(jù)處理的需求，為空間高可靠控制系統(tǒng)提供了一種解決方案。