Vxworks嵌入式操作系统下网络设备驱动程序设计

作者Email:  cai_yang@etang.com

摘　要：本文主要介绍在Vxworks操作系统下网络设备驱动程序设计、调试方法以及将其加入系统内核的配置方法。

关键词：Vxworks  嵌入式操作系统 网络设备

引 言
　　VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），是嵌入式开发环境的关键组成部分。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，在嵌入式实时操作系统领域占据一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等。
　　

1 嵌入式系统
　　嵌入式系统是以嵌入式计算机为技术核心，面向用户、面向产品、面向应用，软硬件可裁减的，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。和通用计算机不同，嵌入式系统是针对具体应用的专用系统，目的就是要把一切变得更简单、更方便、更普遍、更适用；它的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能。

　　嵌入式系统主要由嵌入式处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及特定的应用程序等四部分组成，是集软硬件于一体的可独立工作的“器件”；用于实现对其它设备的控制、监视或管理等功能。

　　嵌入式系统应具有的特点是：要求高可靠性；在恶劣的环境或突然断电的情况下，要求系统仍然能够正常工作；许多嵌入式应用要求实时处理能力，这就要求嵌入式操作系统(EOS)具有实时处理能力；嵌入式系统中的软件代码要求高质量、高可靠性，一般都固化在只读存储器中或闪存中，也就是说软件要求固态化存储，而不是存储在磁盘等载体中。

2 设备驱动程序

Vxworks5.4中驱动程序主要分为三种：字符、块以及网络驱动程序。本文所介绍的网卡驱动程序则属于网络设备驱动程序。

2.1 网络设备驱动程序设计

网络的各功能部件图1所示，网络设备驱动程序实际上是处理硬件和上层协议之间的接口程序。网络传输协议层分发数据在应用程序接口和网络接口之间。网络化网络协议（如IP协议）发送数据在网络主机之间。连接/接口层使能主机隶属于硬件到相同物理媒质的通信。

在Vxworks5.4中，网卡驱动程序又分为END（Enhanced Network Driver）和BSD两种。它们分别处于如图2所示结构中。

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2.1.1 BSD驱动程序设计

在Vxworks5.4中，网络驱动程序都是基于BSD UNIX版本4.3基础上的，这些驱动程序都定义在一个全局例程中，那就是attach子程序，xxattach( )子程序中包含5个函数指针，它们都被映射到ifnet结构中，这5个函数可见表1，它们在IP协议层任何地方被调用。

表1 网络接口处理

驱动程序入口xxattach( )调用ether_attach( )来把上述5个函数映射到ifnet结构中，ether_attach( )调用如下：

ether_attach(
    (IFNET *) & pDrvCtrl->idr,
    unit,
    "xx",
    (FUNCPTR) NULL,
    (FUNCPTR) xxIoctl,
    (FUNCPTR) ether_output( ), /* generic ether_output */
    (FUNCPTR) xxReset
);
pDrvCtrl->idr.ac_if.if_start = (FUNCPTR)xxTxStartup;
上述参数中，需要一个接口数据记录（Interface Data Record (idr)），unit号和设备名，下面四个参数就是相关驱动程序的函数指针。第一个函数指针指的是init( )例程，这个例程可要可不要，第二个函数指针指的是ioctl( )接口，它允许上层来控制设备状态；第三个函数指针指的是把数据包送到物理层；最后一个函数指针指的是如果TCP/IP堆栈决定需要复位的话，它就复位这个设备。

接着下面那一句代码表示添加数据传输例程到IDR，ether_output( )例程被调用后，传输开始例程就被TCP/IP协议堆栈调用。

在这个入口驱动程序中还包括设备的初始化、发送和接收描述符的初始化等。

2.1.2 END驱动程序设计

END驱动程序是基于MUX模式，网络驱动程序被划分为协议组件和硬件组件。MUX数据链路层和网络层之间的接口，它管理网络协议接口和低层硬件接口之间的交互；将硬件从网络协议的细节中隔离出来；删除使用输入钩例程来过滤接收从协议来的数据包，和删除了使用输出钩例程来过滤协议包的发送；并且链路层上的驱动程序需要访问网络层（IP或其他协议）时，也会调用相关的MUX例程。值得注意的是，网络层协议和数据链路层驱动程序不能直接通讯，它们必须通过MUX。如图3所示： 

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2.3将驱动程序加载到Vxworks系统中

要对所设计的驱动程序进行测试，首先就必须把驱动程序加载到Vxworks IMAGE中，并且给设备分配一个IP，这样才能有利于网间测试。

首先，修改configNet.h文件，添加如下代码：

#ifdef INCLUDE_DM_9102_END

#define DM_9102_BUFF_LOAN_0      1

#define DM_9102_LOAD_FUNC        sysDm9102EndLoad

#define DM_9102_LOAD_STR_0       ""

IMPORT END_OBJ * DM_9102_LOAD_FUNC (char *, void *);

和END_TBL_ENTRY endDevTbl [] 中添加

#ifdef INCLUDE_DM_9102_END

    {0, DM_9102_LOAD_FUNC, DM_9102_LOAD_STR_0, TRUE, NULL, FALSE},

#endif /* INCLUDE_DM_9102_END */

其次，编辑config.h文件，添加如下代码：

#define INCLUDE_DM_9102_END      /* Davicom 9102 Fast Ethernet Controller */

最后，编辑sysLib.c文件，添加如下代码：

/* include dm9102 End driver support routines */

#ifdef INCLUDE_DM_9102_END

IMPORT STATUS sysDm9102PciInit (void);

#endif /* INCLUDE_DM_9102_END */

/* include dm9102End driver support routines */

#ifdef INCLUDE_DM_9102_END

#include "sysDm9102End.c"

#endif /* INCLUDE_DM_9102_END */

#ifdef INCLUDE_DM_9102_END

   sysDm9102PciInit ();

#endif /* INCLUDE_DM_9102_END */

通过上述过程相应的添加程序，然后重新编译Vxworks，这样就将所设计的网卡驱动程序添加到Vxworks内核中了。

2.4 PCI设备检测

如果所设计的网卡是基于PCI总线的，那么在程序开始就需要对PCI设备进行检测，在Vxworks5.4中有专门的PCI函数来检测设备的总线号、设备号和功能号。首先利用pciFindDevice( )函数对给定VendorID和DeviceID的设备进行检测，检测完后同时给出了设备的总线号、设备号和功能号；接下来就是获得该设备的中断号、基地址（包括IO和内存）。Vxworks中pciConfigLib.h文件中定义PCI总线的常量。如中断号：PCI_CFG_BRG_INT_LINE，IO基地址：PCI_CFG_BASE_ADDRESS_0，内存基地址：PCI_CFG_BASE_ADDRESS_1等等。所以利用函数pciConfigInByte和pciConfigInLong就可以很容易地获得设备的中断号和基地址。

2.5 调试方法

为了方便调试网卡驱动程序，推荐利用串口对程序进行下载并将Vxworks image拷贝到软盘中以从软盘来加载它。调试的时候首先应该给网卡分配一个IP（利用usrNetIfConfig函数），然后利用ping来对网卡进行测试。

3  结语

　　利用上述方法所设计的网卡后，不久可以利用它来进行程序下载，而且能满足网卡所有的功能，包括对TCP/IP和UDP/IP（组播、广播和单播）进行了测试。