摘 要：隨著嵌入式技術(shù)在軍工、信息家電中的應(yīng)用，如何在嵌入式實時系統(tǒng)下對網(wǎng)卡進(jìn)行驅(qū)動程序的設(shè)計以及實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信和管理，成為非常重要的技術(shù)。本文首先從整體上VxWorks網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)得基本原理和與結(jié)構(gòu)，然后以Intel82557網(wǎng)卡驅(qū)動為例，著重介紹網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計與實現(xiàn)過程。本文對所有基于MUX機制下的VxWorks網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)者具有參考價值。

引言

VxWorks 是一個具有微內(nèi)核、可裁剪的高性能強實時操作系統(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。我校研制的綜合導(dǎo)航顯控臺采用VxWorks操作系統(tǒng),它作為艦船導(dǎo)航系統(tǒng)的核心設(shè)備實時為導(dǎo)航、通信、駕控系統(tǒng)提供各種信息。當(dāng)需要更改海圖模塊硬盤中一些及時需要修改的數(shù)據(jù)、程序和電子海圖等信息時，為避免拆卸設(shè)備，可以通過網(wǎng)絡(luò)傳輸來解決上述問題。可以本文以Intel82557網(wǎng)卡為例 ，給出了基于VxWorks的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)方法和實現(xiàn)流程。

1 VXWORKS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

VxWorks提供了與其他TCP/IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)間“透明”的存取方式、BSD Socket兼用的編程接口，遠(yuǎn)程過程調(diào)用（RPC），遠(yuǎn)程文件存取等。網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序和上層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧可以有兩種實現(xiàn)形式：BSD方式和MUX方式。在VxWorks中, MUX與END合稱 SENS驅(qū)動（可裁剪增強型網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動）。網(wǎng)卡驅(qū)動程序的層次結(jié)構(gòu)使網(wǎng)卡驅(qū)動程序的實現(xiàn)和移植更加方便。而且VxWorks為編寫網(wǎng)卡增強型驅(qū)動程序（SENS）提供了很好的接口和規(guī)范。下圖是VxWorks的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

圖1 VxWorks的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

2 END驅(qū)動概述

2.1 MUX與END

VxWorks網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧可以分為以下幾層：應(yīng)用層 、傳輸層、IP層、MUX層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。如圖2所示。

圖2 VxWorks網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧分層結(jié)構(gòu)示意圖

從上圖看出，與其他TCP/IP 協(xié)議相比VxWorks網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧增加一層MUX層。MUX層是VxWorks為方便在網(wǎng)絡(luò)接口硬件上實現(xiàn)多種協(xié)議而增加的一層 。它主要用于管理底層的多種硬件的設(shè)備驅(qū)動，向上層不同協(xié)議提供統(tǒng)一的接口，降低了上層協(xié)議與底層物理硬件的藕合，使得網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動和上層協(xié)議彼此保持獨立，既方便在現(xiàn)有硬件基礎(chǔ)上實現(xiàn)新的上層協(xié)議，也利于用新的硬件支持原有的上層協(xié)議。

MUX與END的交互是通過提供一套可供底層調(diào)用接口服務(wù)來實現(xiàn)的，實現(xiàn)END驅(qū)動必須遵循這套接口關(guān)系。如圖3所示

圖3 MUX與END的接口關(guān)系

上圖中右邊框中列出的函數(shù)是驅(qū)動需要實現(xiàn)的函數(shù)，供MUX層調(diào)用在必要的時間調(diào)用，如當(dāng)上層使用該網(wǎng)卡發(fā)送數(shù)據(jù)時，MUX會調(diào)用該網(wǎng)卡END驅(qū)動提供的Send函數(shù)，將數(shù)據(jù)提交給網(wǎng)卡芯片硬件。

2.2 緩沖池數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動與上層協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換需要相應(yīng)的內(nèi)存緩沖，并且管理這些緩沖也需要相應(yīng)的函數(shù)。VxWorks提供了netBufLib函數(shù)庫用于創(chuàng)建和管理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用到的內(nèi)存緩沖池，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動可以直接使用也可以在此基礎(chǔ)上設(shè)計自己特定的內(nèi)存緩沖池。數(shù)據(jù)以簇的形式保存，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)mBlks（內(nèi)存塊）和clBlks（簇塊）形成的數(shù)據(jù)鏈結(jié)構(gòu)則用于指定各個簇。

在clBlk之上是mBlk結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)存儲一個到clBlk的連接，也可以存儲一個到另一個mBlk的連接。通過mBlk的連接，可以引用任意數(shù)量的數(shù)據(jù)，如圖4所示

圖4 mBlks和clBlks的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3 END驅(qū)動實現(xiàn)

3.1 END設(shè)備驅(qū)動程序裝載過程

END設(shè)備驅(qū)動程序裝載過程實際上是分三個步驟完成的。即指定END設(shè)備、裝載END設(shè)備和啟動END設(shè)備。

3.1.1 指定END設(shè)備

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的驅(qū)動程序安裝時通過修改相應(yīng)的BSP實現(xiàn)。在修改BSP之前，首先看一下BSP中的END設(shè)備驅(qū)動程序入口表END_TBL_ENTRY的結(jié)構(gòu)。在BSP的configNet.h文件中定義著 END_TBL_ENTRY結(jié)構(gòu)的數(shù)組endDevTbl[],其結(jié)構(gòu)原型如下所示：

END_TBL_ENTRY endDevTbl[]=
{
-----
#ifdef  INCLUDE_FEI_END
{0,FEI82557_LOAD_FUNC,FEI82557_LOAD_
STRING,FEI82557_BUFF_LOAN,NULL,FALSE},
#endif    /*INCLUDE_FEI_END*/
#ifdef   INCLUDE_ELT_3C509_END
{0,END_3C509_LOAD_FUNC,END_3C509_LOAD_STRING,END_3C509_BUFF_LOAN,NULL,FALSE}
#endif  /*INCLUDE_ELT_3C509_END*/
-----
};

該數(shù)組描述了系統(tǒng)中的所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的裝載函數(shù)入口點及其相關(guān)參數(shù)。將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序的裝載函數(shù)fei82557EndLoad（）入口點及相關(guān)參數(shù)添加到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備表endDevTbl[] 中，而后在config.h中加入“#define INCLUDE_END”以使系統(tǒng)準(zhǔn)備初始化MUX并通過MUX裝載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序。

在VxWorks網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序的編程規(guī)范中，為了系統(tǒng)的高移植性、兼容性和可裁剪型等，通常在configNet.h文件中對系統(tǒng)支持的INTEL82557網(wǎng)絡(luò)設(shè)備定義一些宏，其編寫規(guī)范如下所示：

#ifdef  INCLUDE_FEI_END
#define FEI82557_LOAD_FUNC  fei82557EndLoad /*設(shè)備驅(qū)動程序裝載函數(shù)*/
#define FEI82557_BUFF_LOAN 1/*允許緩沖借出*/
/*
*fei82557End初始化字符串格式：
*::::
*/
#define FEI82557_LOAD_STRING“-1:0x00:0x20:0x20:0x00”
IMPORT END_OBJ*FEI82557_LOAD_FUNC(char*,
void*);
#endif  /*INCLUDE_FEI_END*/

3.1.2 裝載及啟動END設(shè)備

裝載及啟動END設(shè)備的系統(tǒng)函數(shù)主要用到以下幾個：

(1) muxDevLoad() 該函數(shù)裝載指定設(shè)備的驅(qū)動程序裝載函數(shù)。如果要裝載END 設(shè)備，系統(tǒng)必須調(diào)用muxDevLoad()函數(shù)。

(2) muxDevStart()啟動設(shè)備函數(shù)

(3) muxBind() muxBind()可以將協(xié)議綁定到指定的END 設(shè)備上。其調(diào)用過程是系統(tǒng)調(diào)用ipAttach()函數(shù)，而該函數(shù)調(diào)用muxBind()函數(shù)，綁定協(xié)議堆棧到MUX上的一個指定的網(wǎng)絡(luò)接口。當(dāng)一個網(wǎng)絡(luò)接口被關(guān)閉時，ipAttach()函數(shù)將釋放網(wǎng)絡(luò)接口所關(guān)聯(lián)的TCP/IP堆棧模塊。

裝載及啟動END設(shè)備驅(qū)動程序的流程如下：使用指定的END設(shè)備驅(qū)動程序的BSP引導(dǎo)VxWorks系統(tǒng)時，在引導(dǎo)過程中，系統(tǒng)將執(zhí)行任務(wù)tUsrRoot來完成如下各項：

1、初始化網(wǎng)絡(luò)任務(wù)的工作隊列；

2、創(chuàng)建tNetTask任務(wù)來處理網(wǎng)絡(luò)任務(wù)工作隊列的條目；

3、調(diào)用muxDevLoad()裝載指定的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序；

4、調(diào)用muxDevStart()啟動指定的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序；

tUsrRoot任務(wù)調(diào)用MUX設(shè)備裝載函數(shù)muxDevLoad()和設(shè)備啟動函數(shù)muxDevStart()，通過這兩個函數(shù)來裝載和啟動設(shè)備驅(qū)動程序。muxDevLoad()函數(shù)會根據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備表endDevTbl[]中的定義逐一調(diào)用各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的裝載函數(shù)，其中這個函數(shù)是muxDevLoad()的一個輸入?yún)?shù)。muxDevStart()函數(shù)也會根據(jù)endDevTbl[]逐一調(diào)用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備所定義的設(shè)備開始函數(shù)。至此MUX的歘石化以及END 驅(qū)動程序的初始化工作已經(jīng)完成。但是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備還是不可以使用，因為還需要將協(xié)議綁定到指定的END 指定的設(shè)備上，這一步需要用muxBind()函數(shù)實現(xiàn)。

在VxWorks中，系統(tǒng)通過usrRoot()函數(shù)調(diào)用usrNetInit()函數(shù)完成MUX的初始化、裝載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備表endDevTbl[]中描述的所有設(shè)備并將IP協(xié)議綁定到網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)設(shè)備上等工作。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序的安裝過程即下圖所示的網(wǎng)絡(luò)初始化順序。

圖5 網(wǎng)絡(luò)初始化順序

3.3 發(fā)送數(shù)據(jù)

在VxWorks網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，發(fā)送數(shù)據(jù)的流程如下圖

通過對上圖分析，主要包含以下幾個處理。

(1) 用戶調(diào)用write()函數(shù)，通過套接字訪問網(wǎng)絡(luò)。

(2) 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議拷貝需要發(fā)送的數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)緩 區(qū)中，并調(diào)用協(xié)議驅(qū)動程序的發(fā)送程序。

(3) 協(xié)議驅(qū)動程序調(diào)用muxSend()啟動發(fā)送循環(huán)。

(4) muxSend()通過調(diào)用send()回調(diào)函數(shù)，把緩沖區(qū)傳遞給END。

(5) 數(shù)據(jù)發(fā)送程序把數(shù)據(jù)拷貝到設(shè)備緩沖區(qū)中，并 把它放置到設(shè)備的發(fā)送隊列中。

(6) 當(dāng)產(chǎn)生發(fā)送中斷時，驅(qū)動程序的中斷服務(wù)程序調(diào)度程序丟棄已發(fā)送的數(shù)據(jù)包，徹底清理發(fā)送隊列。

3.4 接收數(shù)據(jù)

在VxWorks網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，接收數(shù)據(jù)的流程如下圖

通過對上圖進(jìn)行分析，它主要包含以下幾個處理。

(1) 設(shè)備接收到數(shù)據(jù)包后直接把數(shù)據(jù)存放到預(yù)先分配的簇中。

(2) 當(dāng)接收到中斷時，驅(qū)動程序的中斷服務(wù)程序調(diào)度任務(wù)級接收程序進(jìn)行如下操作。

• clBlk結(jié)構(gòu)和簇連接；mBlk和clBlk連接；最后構(gòu)成緩沖區(qū)。
• 通過調(diào)用receiveRtn()函數(shù)，把緩沖區(qū)傳遞給更高級別的協(xié)議。

(3) muxReceive()調(diào)用協(xié)議的stackRcvRtn()函數(shù)，把成列的緩沖區(qū)傳遞給應(yīng)用。用戶使用read()函數(shù)，通過套接字訪問網(wǎng)絡(luò)中的成列緩沖區(qū)

3.5 驅(qū)動程序的中斷處理

中斷處理函數(shù)fei82557INT處理設(shè)備中斷。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)接口產(chǎn)生中斷時，系統(tǒng)調(diào)用用戶驅(qū)動程序注冊的中斷服務(wù)程序。中斷程序主要完成將數(shù)據(jù)包從本地網(wǎng)絡(luò)設(shè)備送出的操作。為了排列任務(wù)級的包接收處理工作，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序中斷服務(wù)程序必須調(diào)用netJobAdd()函數(shù)。在調(diào)用netJobAdd()函數(shù)時，應(yīng)當(dāng)指定任務(wù)級處理數(shù)據(jù)包的驅(qū)動程序入口。然后由netJobAdd()把函數(shù)指派到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)任務(wù)——tNetTask的工作隊列中。VxWorks通過tNetTask處理任務(wù)級的網(wǎng)絡(luò)處理。

tNetTask調(diào)用隊列中處理程序如下：

（1）包接收程序：把接收到的數(shù)據(jù)包上傳到網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)的堆棧中，通過一個調(diào)用上傳給MUX。

（2）釋放所有發(fā)送幀程序：程序調(diào)用netClFree()函數(shù)釋放發(fā)送緩沖區(qū)中所有已經(jīng)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀。

4 結(jié)束語

本文分析了VxWorks下網(wǎng)卡驅(qū)動程序的原理，并以Intel82557網(wǎng)卡為例具體說明了網(wǎng)卡驅(qū)動的設(shè)計開發(fā)過程。主要就VxWorks下網(wǎng)卡驅(qū)動程序的共性做了闡述， 比如VxWorks下網(wǎng)卡驅(qū)動的在結(jié)構(gòu)、在整個系統(tǒng)中的位置，中斷處理，收發(fā)包存儲空間分配等。