VxWorks下多协议转换硬件电路及其驱动设计与实现

VxWorks下多协议转换硬件电路及其驱动设计与实现

方盈;翟正军;陈康

【摘要】针对嵌入式系统外部接口各异,无法直接支持SATA接口的问题,采用多款协议转换芯片,设计并实现了PCI接口转换为SATA接口的硬件电路及其在IDE模式下的驱动程序,成功将SATA固态盘应用于机载存储,提高了系统的存储容量和存储速度；测试结果表明工作在此硬件电路上的SATA盘,最高连续读速度为

65MB/s,最高连续写速度为45MB/s,完全满足航空项目中机载存储设备的要求.【期刊名称】《计算机测量与控制》

【年(卷),期】2013(021)005

【总页数】4页(P1314-1316,1329)

【关键词】VxWorks;IDE模式;DMA;接口转换;驱动程序;SATA接口

【作者】方盈;翟正军;陈康

【作者单位】西北工业大学计算机学院,西安 710072;西北工业大学计算机学院,西安 710072;西北工业大学计算机学院,西安 710072

【正文语种】中文

【中图分类】TP311

0 引言

大容量固态存储器是一种在嵌入式系统中大量使用的存储介质，目前的标准接口有SATA 和IDE两种，SATA 接口以其速度快、抗干扰能力强而成为主流接口。但由

于嵌入式系统的外部设备接口各异，无法直接使用SATA 设备，需要涉及到接口转换的问题。目前，PCI接口直接转换为SATA 接口的芯片大都为民用级别，难以在极端的环境下工作；而PCI接口到PCI-Express（以下简写为PCIe）接口的转换芯片以及PCIe接口到SATA 接口（以下简写为PCIe-SATA）的芯片都有相应的工业级别。基于工作环境的要求，接口转换电路采用了两款工业级转换芯片，实现了PCI协议转换为PCIe协议，并最终转换为SATA协议的功能。本文概要介绍了接口转换的硬件电路，详细给出了其驱动程序的设计和实现过程，同时对于VxWorks下SATA 设备的驱动［1］编写具有较大的参考价值。

1 硬件电路的设计与实现

硬件电路的设计主要分为两个部分，一部分为PCI接口到PCIe接口［2］的转换电路，采用PLX公司的PEX 8112芯片实现；另一部分为PCIe接口到SATA接口的转换电路，采用某款PCIe-SATA芯片实现，该芯片中的SATA控制器同时支持IDE和AHCI两者模式。整个系统的结构如图1所示。接口转换电路的电源由PCI 插槽提供，两个部分的同步通过共用同一个PCIe时钟发生器实现。

图1 系统结构图

PEX 8112支持前向桥和反向桥模式。在前向桥模式中，桥允许PCIe处理器使用PCI芯片及其适配器。而在反向桥模式中，桥允许传统的PCI处理器配置和控制PCIe交换器和端点。本硬件转换电路中PEX 8112采用了反向桥模式，不仅允许从PCI总线上完成下行PCIe系统的配置，并且可以处理PCIe的中断和电源管理事件。为了使PEX 8112工作在反向桥模式下，需要将其FORWARD （桥选择）引脚接高电平，表示选择反向桥模式；同时将EXTARB （外部仲裁器使能）引脚接高电平，表示PEX 8112向外部PCI仲裁器请求PCI总线。

PEX8112的上行端遵循严格的PCI协议，与主机的PCI接口相连；PEX 8112与PCIe-SATA转换芯片之间通过2对差分数据线，实现相互通信；同时通过一条复

位信号线，来实现PEX 8112对PCIe-SATA转换芯片的复位操作；PCIe-SATA转换芯片的下行端遵行严格的SATA协议，与22针的SATA母座相连，用于连接标准的SATA设备。

2 驱动程序的设计

2.1 驱动程序的原理

由于PEX 8112是一款透明桥［3］芯片，对于设备和设备驱动器透明，故硬件转换电路的驱动程序可以简化为两部分，一部分是对PCI［4］和PCIe总线的配置，主要包括对PEX 8112和PCIe-SATA芯片配置空间的操作；另一部分就是对

PCIe-SATA芯片的SATA控制器进行操作，也即实现SATA接口的驱动和管理。SATA盘是一种块设备［5］。这类设备在VxWorks下能够支持文件系统，具有

随机访问的能力，同时使用多字节的数据块传输数据。在VxWorks系统下，块设备的驱动结构不是直接挂接在VxWorks的I／O系统中，而是挂接在文件系统上，文件系统作为驱动程序挂接到I／O系统中，用户通过访问文件系统访问块设备。VxWorks支持这几种文件系统：dosFs，rawFs，cdromFs，tapeFs。其中dosFs文件系统适用于块设备，是块设备的上一层。它向下提供了标准的接口，可以挂接多种块设备驱动。Vxworks文件系统的组织结构以及dosFs、电子盘驱动

在文件系统中的位置，如图2所示。文件系统把自己作为一个驱动程序装载到I／

O系统中，并把请求转发给实际的设备驱动程序。块设备的驱动程序通过初始化

块设备描述结构BLK＿DEV来实现驱动程序提供给文件系统的功能。此外，块设

备通过调用文件系统的设备初始化函数来安装驱动。文件系统在使用之前必须初始化。文件系统初始化的过程不仅是初始化自身数据结构，还要执行下面的操作：（1）创建一个文件系统驱动程序条目。

（2）创建一个指定设备名的设备。根据物理设备，调用sataDevCreate（）函数，创建一个SATA逻辑设备。该函数根据物理设备的信息，生成一个块设备描述结

构BLK＿DEV，该结构描述了设备的物理属性（例如SATA设备的磁头数、柱面数、扇区数），供上层软件调用。

（3）将块设备的驱动函数挂接到相应的数据结构中。这一步中主要涉及到SATA

盘的读写函数、控制函数和复位函数，把这些信息作为一个BLK＿DEV返回。

图2 VxWorks文件系统组织结构

2.2 SATA接口驱动程序的设计

驱动程序的结构一般包括3个部分：初始化部分、函数功能部分和中断服务程序

部分。初始化部分初始化硬件，分配设备所需的资源，完成所有与系统相关的设置。函数功能部分主要实现读功能、写功能、控制功能以及复位功能。中断服务程序负责协同系统的数据读写任务。以下为SATA接口驱动程序中涉及到的主要函数：（1）sataDrv（）：初始化SATA设备。

（2）sataDriveInit（）：确认驱动类型，初始化驱动程序的数据结构。

（3）sataDevCreate（）：创建逻辑块设备，建立设备描述符。

（4）sataBlkDevFill（）：将驱动函数与相应的数据结构相关联。

（5）sataReset（）：复位SATA控制器。

（6）sataBlkRd（）：设备读操作。

（7）sataBlkWrt（）：设备写操作。

（8）sataIntr（）：中断服务程序。

3 驱动程序的实现

由透明桥的性质可知，完成相应的总线配置后不需要特定的驱动程序，本文主要介绍IDE模式下PCIe-SATA芯片的驱动。

3.1 总线配置

每个PCI设备有3种物理空间：配置空间、存储器空间和I／O空间。配置空间是PCI设备的硬件与其初始化软件信息交接的地方，软件可以通过它对设备进行识别