基于龙芯平台的PXI设备驱动设计

杜 影1，朱元元，刘康丽1，毕 硕1，谷 静

(1.北京航天测控技术有限公司，北京 100041;2.北京航天长征飞行器研究所，北京 100076)

0 引言

当前，鉴于军工芯片在信息化装备所处的核心地位，采用自主研发的国产芯片势在必行，并且已经得到了国家政策的支持和大力发展。随着国产核心基础软硬件的性能与功能逐步完善，龙芯平台搭载中标麒麟操作系统的模式已成为国产计算开发平台的首选，其发展、推广和应用是国产软硬件推广和规模化发展的技术基础和科学依据。

军用PXI模块产品一直以地面测试和系统级维修保障为主要任务。在“自主可控”的背景下，将开源软件和PXI硬件平台结合在一起，打造基于开源软件的通用PXI测试平台，建立基于国产龙芯CPU的PXI仪器生态是实现国产化替代的必经之路。如今，PXI产品国产化正面临着发展瓶颈与挑战。首先，在硬件平台方面，嵌入式控制器的CPU要更换成国产龙芯CPU，其整体性能和稳定性有待提高；其次，在软件开发环境方面，龙芯平台下的仪器控制软件要摒弃对NI公司LabView、CVI、VISA库以及WindowsAPI的依赖，而自主开发“龙芯平台+中标麒麟系统”下的PXI设备驱动程序和应用程序。

本文将详细讨论龙芯平台下PXI设备驱动的基本架构和设计方法，并在龙芯平台下以PXI数字多用表模块为例进行试验验证。

1 龙芯PXI测试平台

1.1 龙芯3A3000

龙芯3 A系列处理器是首款国产商用四核处理器，文中PXI龙芯平台所使用的处理器为龙芯3A3000，其工作主频为1.0 GHz，主要技术特征为：片内集成4个64位的高性能处理器核；8MB的分体共享三级Cache；通过目录协议维护多核及I/O DMA访问的Cache一致性； 2个64位带ECC，667 MHz的DDR2/3控制器；32位33 MHz PCI； 1个LPC、2 个UART、1个SPI、16路GPIO接口[1]。龙芯3A3000处理器采用MIPS 架构，因此，目前运行在 X86 架构的操作系统与应用软件均无法在龙芯平台运行和使用，需要通过交叉移植与本地移植的技术实现软件环境适配[2-3]。

1.2 中标麒麟操作系统

国产中标麒麟是一种基于Linux内核的桌面操作系统，支持众多处理器架构。本文使用的PXI龙芯平台安装的操作系统为中标麒麟桌面操作系统软件(龙芯版)V5.0，支持龙芯3A3000(64位)平台采用的 MIPS 架构，具有强大的网络优势和极为突出的安全性和稳定[4]，支持主流国产软硬件，能够最大程度发挥中标麒麟操作系统和龙芯3A3000整机平台的整体性能。

1.3 PXI测试平台

如图1所示，本文所搭建的国产龙芯PXI测试平台包含软硬件平台两个部分。硬件平台主要由PXI机箱、基于龙芯3A3000处理器的嵌入式控制器和PXI模块产品组成。软件平台主要包括：中标麒麟5.0操作系统软件、集成安装在该操作系统的可视化软件开发工具QT5.6、以及其他脚本语言。基于此平台可以完成PXI模块产品的驱动设计、开发、调试、加载、调用，编写可视化应用程序，并进行PXI模块的功能性能验证。

2 龙芯平台下PXI设备驱动分析

在Windows 操作系统下，PXI设备驱动开发人员广泛采用行业标准的VISA(虚拟仪器系统I/O接口软件)对PXI仪器进行配置、控制、编程和调试，也有小部分开发人员在WindowsAPI基础上进一步实现PXI仪器驱动开发。但是在国产龙芯平台搭载中标麒麟操作系统的环境下，以往的PXI设备驱动已无法运行和使用(如第1节所述)，程序员必须面向RISC(精简指令集计算机)体系结构的Linux系统重新开发PXI设备驱动。

2.1 龙芯平台下PXI设备驱动基本框架

考虑到PXI仪器的应用场合和测试测量对象，可将PXI设备驱动程序实现分为以下几个部分：初始化设备模块、设备打开模块、数据读写和控制模块、中断处理模块、设备释放模块和设备卸载模块，如图2所示。

图2 Linux下PXI设备驱动组成部分

初始化设备需要完成以下工作：

(1)检查系统(Linux内核)是否支持PCI总线；

(2)注册硬件驱动程序，即检查设备所占用的插槽并保存它所占用的插槽的位置等信息；

(3)启动PCI设备，读取所有配置好的PCI设备信息中的参数和属性(包括厂商ID、设备ID等)以备驱动程序使用；

(4)使能DMA(直接数据存储)，以便在内存操作的时候能够让设备把数据通过总线主DMA传至系统内存。

设备打开模块主要是根据当前PXI设备号获取其设备参数和属性，并申请对当前PXI设备的控制权。另外，如果当前PXI设备有中断请求，则需要在该驱动模块里申请中断使能，并在Linux内核注册中断处理程序。

数据读写和设备控制模块主要通过：读设备操作、写设备操作、I/O控制操作、内存重映射操作等向应用程序提供对硬件进行控制的接口。面向不同的PXI设备驱动程序，需要程序员重写该模块各个接口函数的方法，从而实现硬件逻辑控制和数据的收发与存储。数据读写和设备控制模块是整个PXI设备驱动程序的核心部分。

中断处理模块即指中断处理程序，当系统接收到中断后，程序先要根据中断号判断是否为当前设备发出的中断请求，如符合条件则立即开始执行中断处理程序，例如：在接收到中断后完成数据的接收与存储或复位硬件等。而中断使能如前文所述在设备打开模块中完成，中断释放则在后面的设备释放模块中完成。

设备释放模块和设备卸载模块比较简单，它们与设备打开模块和初始化设备模块相对应，主要是在设备控制结束后释放对设备的控制以及所占用的内存和中断，并将设备驱动程序从内核中注销。

2.2 关键数据结构

类同于Linux下的PCI驱动程序，在PXI驱动程序中起核心作用的关键数据结构(struct)也是 pci_driver和pci_dev，它们的声明包含文件在linux/pci.h中。其中，pci_driver这个数据结构涵盖：设备模块名称、所有能够驱动的设备列表、查找并初始化设备的函数和卸载设备的函数，而pci_dev 这个数据结构则详细描述了一个PXI设备几乎所有的硬件信息，包括厂商ID、设备ID、各种资源等[5]，其数据格式在此不做赘述。

在2.1节的初始化设备模块中，启动PCI设备后，所有配置好的PCI设备信息保存在结构体pci_driver中，而在设备打开模块中，当前PXI设备的信息保存在pci_dev中。数据读写和设备控制是基于pci_dev中的信息执行相关操作的。

2.3 驱动程序发布

在Linux系统下，设备驱动程序发布就是将其编译成内核的一部分，其主要有静态编译和动态编译两种方法：第一种方法要改动内核的源文件，直接将驱动程序编译成为内核的一部分，从而增加了内核的大小，且不利于调试；第二种方法是将驱动程序编译成可安装模块，通过使用insmod 命令将驱动程序动态加载到内核中，使之成为系统内核的一部分，当不使用该设备驱动时则使用rmmod 命令将其从内核中卸载，另外，还可将加载命令放入开机自启动选项，这样，系统开机时就能够自动加载驱动。比较两种驱动发布方式，动态编译更合理也更灵活[6-7]。

3 龙芯平台下PXI设备驱动设计与调用

3.1 驱动设计

根据上节所述，我们首先要在Linux下编写和加载驱动模块文件，即“.ko”文件。“.ko”文件是kernel object文件，其意义在于把内核的一些功能移动到内核外，需要的时候插入内核，不需要时卸载，这样可以缩小内核的存储容量，而且使用方便。

“.ko”文件的源码是“.c”文件，该文件的核心内容是构造驱动程序的基本框架，文件中含有 2.1节所述的几个关键功能模块以及2.2节所述的关键数据结构。需要注意的是，同加载和卸载模块相关的函数或数据结构都要在前面加上__init、__exit等标志符，以使同普通函数区分开来。

在编译驱动文件之前要先编写Makefile文件，该文件可使用make工具自动完成编译工作，其有利于程序员修改和重新编译。Makefile文件的基本内容如下(以hello.c生成hello.o为例)：

obj-m :=hello.o

KERNEL :=/usr/src/kernels/(uname -r)/

PWD :=(shell pwd)

modules :

(MAKE) -C (KERNEL) M=(PWD) modules

.PHONEY:clean

clean :

rm -f *.o *.ko

在终端执行make命令，即在指定路径下生成了hello.o 文件。然后执行insmod命令安装hello驱动模块，如下所示：

insmod hello.ko 相对路径加载

为了简化了应用层软件设计，我们需要进一步生成“.so”(shared object)文件。该文件是Linux下的动态链接库文件，类似于windows下的.dll 文件。“.so”文件的生成需要“.h”和“.c”文件，为了方便应用层软件的调用以及不同平台软件的移植，我们可以对“.c”文件的函数进行标准化封装，函数名和参数可依照Windows下dll中的函数进行定义，例如:

某PXI仪器在Windows下的应用程序调用了visa库函数viIn8，那么就可以在Linux下封装函数名同为viIn8的函数，并生成相应的.so文件提供给Linux下的应用程序。这样，那些使用跨平台软件开发环境(如Qt)编写的可视化程序，既不需要更改界面源码，也不需要更改逻辑源码，只需要在编译程序时链接“.so”文件，就实现了跨平台软件移植。

编译“.so”文件同样需要先编写Makefile文件，其内容一般为(以生成libhelloio.so为例)：

CFLAGS = -Wall -g -O -fPIC

INCLUDE = helloio.h

TARGET = libhelloio.so

SRCS = helloio.c

OBJS = (patsubst %.c,%.o, (SRCS))

all: helloio

helloio:(OBJS) (INCLUDE)

gcc -shared -fPIC (OBJS) -O3 -o (TARGET)

gcc (CFLAGS) -O3 -c < -o *.o

clean:

rm -f *.o

rm -f *.so

在终端执行make命令，即生成了libhelloio.so文件。

3.2 驱动调用

目前，龙芯软件生态环境还处于初始发展阶段， PXI仪器软件的迁移和二次开发存在一定难度，需要操作系统、应用软件以及硬件兼容的紧密配合。在中标麒麟操作系统中可使用的可视化集成开发环境是Qt Creator，选择Qt作为开发工具不仅因为其开发功能强大，更主要是因为它有开源版本且支持跨平台运行[8]。

在Qt Creator中创建工程后除了工程文件本身还包含：头文件(.h)、源文件(.c)以及界面文件(.ui)。在编写逻辑代码调用“.so”文件时，首先添加相应的头文件，例如helloio.h(对应libhelloio.so)，然后在工程文件(.pro)中引用库文件，代码如下：

LIBS += -L/lib64 -l helloio

如3.1节所述，如果在驱动设计时将.so文件中的函数封装为Windows下.dll文件的同名函数，那么在跨平台移植的过程中，软件人员不再需要进行二次开发，只需简单的程序移植并配置好构建和运行环境就能够编译出Linux下的可执行文件。在Linux下的Qt环境配置如下图所示。

图3 Linux下Qt环境配置

3.3 遇到的问题

本文使用的龙芯平台是试验版，其中断服务功能并不完善，机箱上电后，PXI设备中断号在初始化设备的过程中不能自动分配，也就是说系统不能获知并列出机箱中所有PXI硬件设备的中断号， PXI机箱中每个插槽所使用的硬件设备中断号固定(如：1号插槽设备的中断号固定为04H)，且需要人工测试获取插槽与中断号的对应关系。因此，在设备打开程序中要根据硬件模块所在的插槽位置来配置当前PXI设备所对应的中断号，并使能中断，获取其使用权。

这个问题将导致同一型号的PXI硬件设备无法使用同一个驱动程序，不同插槽的PXI设备要根据其对应的中断号加载不同的驱动程序，从而影响到同型号PXI模块驱动程序的通用性，增加了驱动开发的复杂度。在新版的龙芯平台上，该问题已解决。

4 应用案例

本文将以北京航天测控公司的PXI仪器模块产品AMC4311(5.5位数字多用表)为对象，基于龙芯平台和中标麒麟5.0操作系统进行PXI仪器模块的驱动程序和应用程序开发，以验证上述Linux下驱动程序设计的正确性和实用性。

AMC4311的硬件结构图如图4所示，其具备直流电压、交流电压、直流电流、交流电流、2线电阻、4线电阻和频率测量功能[9]。

图4 数字多用表模块硬件结构图

在龙芯平台的中标麒麟5.0系统下AMC4311驱动程序开发过程如下：

(1)编写设备驱动框架函数，形成Amcdev.c源文件；

(2)编写MakeFile文件，使用make命令生成Amcdev.o文件，生成路径为：/usr/src/kernels/Amcdev.o；

(3)编写标准化库函数，形成amcIO.c源文件和amcIO.h头文件；

(4)编写MakeFile文件，使用make命令生成libamcIO.so文件，生成路径为：/usr/local/lib/libamcIO.so。

可视化软件开发环境选用跨平台软件Qt5.6[7]，界面源码和逻辑代码隔离，这样可以在不修改界面源码的情况下，简单地将Windows下的界面程序移植到Linux下使用；逻辑代码调用的驱动函数是“libamcIO.so”文件封装的自定义接口函数。在Linux下重新配置QT的构建和运行环境，编译程序生成Linux下的可执行文件，其运行界面如下图5所示。

图5 龙芯平台下数字多用表控制程序运行界面

5 结束语

采用自主可控软硬件产品对于实现国产化替代、打造自主可控的IT环境有着非常重要的意义。在全球开源技术蓬勃发展，在中国政府力导掌握测量等基础学科核心技术的大背景下，国内对包括PXI 在内的测试测量技术一定会更加重视，国产PXI软硬件产品的市场份额也会保持一个稳定上升的增长势态。北京航天测控公司已在国内率先建立了自主可控的PXI通用测试平台，军工科研院所等机构也正在通过逆向设计、自主研发等方式实现国产化替代。未来，龙芯平台搭载中标麒麟操作系统的软硬件组合将为我国自主软硬件产业带来良好的发展机遇。