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BM3803MG与VxWorks的BSP设计
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2017-10-21
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BM3803MG是由北京微电子技术研究所研制的、具有自主知识产权的SPARC V8构架的国产高可靠嵌入式控制器，能够稳定运行VxWorks实时操作系统，其性能高、功耗低，可应用于航空、航天等高可靠领域的32 bit抗辐射RISC芯片。本文用该款控制器以及工业级以太网芯片KSZ8851-16mll为某型号研制了系统主控板，该板采用实时操作系统VxWorks编程，并对主控板的板级支持包（BSP）进行设计，从而实现了基于以太网的高可靠和实时的数据处理。本文主要介绍主控板以太网芯片KSZ8851-16mll的VxWorks驱动设计。
1 硬件系统构成
如图1所示，硬件系统由BM30803MG、FPGA、SDRAM和以太网控制器构成硬件系统。
BM3803MG是基于SPARC V8体系结构的32 bit处理器，可用于板上嵌入式实时计算机系统。BM3803MG芯片内部包含有：整数处理单元、浮点处理单元、独立的指令和数据Cache、硬件乘法器和除法器、中断控制器、带有跟踪缓冲器的硬件调试单元、2个24 bit定时器、通用I/O接口、看门狗；能够支持PROM、SRAM、SDRAM和I/O映射空间访问的存储器控制器；具有软件可以控制的省电工作模式；具有可实现 PCI 主机桥（Host bridge）和从属桥（Guest bridge）功能的PCI 控制器；符合PCI2.3规范的33 MHz PCI接口；完全的三模冗余设计、 EDAC和奇偶校验。
主要性能指标［1］：
（1）用Dhrystone 2.1作为测试程序、CPU主频为100 MHz时，处理能力为86 MIPS；用Whetstone作为测试程序、CPU主频为100 MHz时，浮点处理能力为23 MFLOPS。
（2）抗辐性能：总剂量抗辐能力为100 Krad（Si）， 优于1 E-5错误/器件/day的SEU事件，优于70 MeV cm2/mg的抗闩锁能力。BM3803MG总体结构框图如图2所示。
2 VxWorks BSP设计
VxWorks是美国风河公司（现已被Intel收购）推出的一款高性能、可裁减的嵌入式实时操作系统，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［2］。由于操作系统厂商不能对所有设备的处理器驱动提供支持，故需要针对不同的硬件平台进行相关驱动的开发。
2.1 BSP
板级支持包BSP（Board Support Package）是介于底层硬件和上层软件之间的底层软件开发包，它将系统中与硬件直接相关的一层软件独立出来。本设计中BSP的主要功能是屏蔽硬件、提供操作系统的驱动及硬件驱动。具体功能包括［3］：（1）目标板硬件初始化。主要是CPU的初始化，为整个系统提供底层硬件支持；（2）为操作系统提供设备驱动程序和系统中断服务程序；（3）定制操作系统的功能。为软件系统提供一个实时多任务的运行环境；（4）初始化操作系统。为操作系统的正常运行做好准备。
在网卡驱动开发之前，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义。
2.2 KSZ8851-16mll以太网控制器
KSZ8851-16mll是美国Micrel公司研制的单端口嵌入式控制芯片，它包括一个快速以太网的 MAC控制器、一个8/16 bit的普通主机处理器接口以及在 RXQ（12 KB）和 TXQ（6 KB）之间进行共享的18 KB内部缓冲存储器，并提供了Wake-on-LAN技术，可有效地解决快速以太网的应用［4］；支持大端（Big-Endian）和小端（Little-Endian）的处理器、多帧数据传输和接收、IPv4/ IPv6 checksum和32 bit CRC的生成与校验。此外，KSZ8851-16mll还提供了强大的功率管理功能。
2.3 驱动程序的实现
2.3.1 SENS协议栈
VxWorks支持可裁减的增强型网络堆栈SENS（Scalable Enhanced Networks Stack），提供了可替换的网络设备驱动程序。SENS 的基本层次结构与传统的TCP/IP网络协议栈相似，但SENS最大的特点是在数据链路层和网络协议层之间多了MUX层。在SENS中，网络接口的驱动程序即END网络驱动程序处于数据链路层。IP层和TCP/ UDP层合称为网络协议层。在数据链路层和网络协议层之间有应用程序接口（API），这个接口在SENS中称为MUX（Multiplexer）接口。MUX层直接与END 驱动程序相交互，其应用程序提供了独立于网络协议的驱动程序接口，可以与多个独立的END驱动程序同时交互。接口层MUX 起到了隔离网络协议和网络驱动程序的作用，并管理协议层和数据链路层之间的通信，使数据的发送和接收过程变得简单，而不需要通过挂接钩子函数来解决［5］。
1 硬件系统构成
如图1所示，硬件系统由BM30803MG、FPGA、SDRAM和以太网控制器构成硬件系统。
BM3803MG是基于SPARC V8体系结构的32 bit处理器，可用于板上嵌入式实时计算机系统。BM3803MG芯片内部包含有：整数处理单元、浮点处理单元、独立的指令和数据Cache、硬件乘法器和除法器、中断控制器、带有跟踪缓冲器的硬件调试单元、2个24 bit定时器、通用I/O接口、看门狗；能够支持PROM、SRAM、SDRAM和I/O映射空间访问的存储器控制器；具有软件可以控制的省电工作模式；具有可实现 PCI 主机桥（Host bridge）和从属桥（Guest bridge）功能的PCI 控制器；符合PCI2.3规范的33 MHz PCI接口；完全的三模冗余设计、 EDAC和奇偶校验。
主要性能指标［1］：
（1）用Dhrystone 2.1作为测试程序、CPU主频为100 MHz时，处理能力为86 MIPS；用Whetstone作为测试程序、CPU主频为100 MHz时，浮点处理能力为23 MFLOPS。
（2）抗辐性能：总剂量抗辐能力为100 Krad（Si）， 优于1 E-5错误/器件/day的SEU事件，优于70 MeV cm2/mg的抗闩锁能力。BM3803MG总体结构框图如图2所示。
2 VxWorks BSP设计
VxWorks是美国风河公司（现已被Intel收购）推出的一款高性能、可裁减的嵌入式实时操作系统，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［2］。由于操作系统厂商不能对所有设备的处理器驱动提供支持，故需要针对不同的硬件平台进行相关驱动的开发。
2.1 BSP
板级支持包BSP（Board Support Package）是介于底层硬件和上层软件之间的底层软件开发包，它将系统中与硬件直接相关的一层软件独立出来。本设计中BSP的主要功能是屏蔽硬件、提供操作系统的驱动及硬件驱动。具体功能包括［3］：（1）目标板硬件初始化。主要是CPU的初始化，为整个系统提供底层硬件支持；（2）为操作系统提供设备驱动程序和系统中断服务程序；（3）定制操作系统的功能。为软件系统提供一个实时多任务的运行环境；（4）初始化操作系统。为操作系统的正常运行做好准备。
在网卡驱动开发之前，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义。
2.2 KSZ8851-16mll以太网控制器
KSZ8851-16mll是美国Micrel公司研制的单端口嵌入式控制芯片，它包括一个快速以太网的 MAC控制器、一个8/16 bit的普通主机处理器接口以及在 RXQ（12 KB）和 TXQ（6 KB）之间进行共享的18 KB内部缓冲存储器，并提供了Wake-on-LAN技术，可有效地解决快速以太网的应用［4］；支持大端（Big-Endian）和小端（Little-Endian）的处理器、多帧数据传输和接收、IPv4/ IPv6 checksum和32 bit CRC的生成与校验。此外，KSZ8851-16mll还提供了强大的功率管理功能。
2.3 驱动程序的实现
2.3.1 SENS协议栈
VxWorks支持可裁减的增强型网络堆栈SENS（Scalable Enhanced Networks Stack），提供了可替换的网络设备驱动程序。SENS 的基本层次结构与传统的TCP/IP网络协议栈相似，但SENS最大的特点是在数据链路层和网络协议层之间多了MUX层。在SENS中，网络接口的驱动程序即END网络驱动程序处于数据链路层。IP层和TCP/ UDP层合称为网络协议层。在数据链路层和网络协议层之间有应用程序接口（API），这个接口在SENS中称为MUX（Multiplexer）接口。MUX层直接与END 驱动程序相交互，其应用程序提供了独立于网络协议的驱动程序接口，可以与多个独立的END驱动程序同时交互。接口层MUX 起到了隔离网络协议和网络驱动程序的作用，并管理协议层和数据链路层之间的通信，使数据的发送和接收过程变得简单，而不需要通过挂接钩子函数来解决［5］。
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