基于X86及PCIE的MVB通信网卡设计

宁寿辉 石小磊

摘要：简要介绍多功能车辆总线（MVB ）总线及PCIE总线的特点，给出了基于X86处理器、PCIE总线接口的MVB通信网卡的硬件架构及设计方法，MVB网卡驱动软件、通信软件设计开发流程。

关键词：MVB;PCIE;X86;通信网卡;驱动;通信

中图分类号：TP334.7 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）01-0142-03

0 引言

目前，符合TCN标准的通信产品在铁路上已经得到广泛应用，该标准定义了两种用于列车车载数据通信的现场总线：绞线式列车总线（WTB）和多功能车辆总线（MVB）。MVB总线将车厢内，即机车内、客车车辆内或货车车辆内的设备连在一起构成一个局域网。其中，以基于PC/104架构的MVB通信设备应用最为广泛。随着PCI总线技术向工业控制领域渗透，以支持热插拔操作为显著特征的PCI总线的MVB通信设备拥有良好的应用前景。PCI总线技术具有无法忽视的优点，如更高的总线频率、独立于处理器、支持突发读写传输、自动配置、支持自动的设备检测与配置及低功耗等。PCI-Express （PCIE）作为最新一代的总线接口，其点对点的串行设计以及双通道高带宽的传输模式，大大提高了数据的传输速率，它的广泛应用将全面取代PCI、AGP等总线。本文设计了一种基于X86及PCIE总线的MVB通信网卡，并完成软硬件设计开发。

1 MVB网卡硬件设计

1.1 总体硬件架构

MVB网卡硬件架构如图1所示，MVB网卡由现场可编程逻辑阵列FPGA和MVB物理接口单元两部分组成。现场可编程逻辑阵列FPGA完成PCIE总线数据编解码、MVB数据帧收发以及PCIE总线与MVB核之间的数据交互，MVB物理接口单元完成MVB数据的编解码（RS485格式）和符合IEC61375-1标准的TCN网络物理接入。

1.2 MVB接口单元设计

MVB接口单元完成MVB差分信号隔离、RS485信号编解码和收发器控制，接口标准符合IEC61357-1協议。

接口单元硬件原理如图2所示，隔离变压器采用PULSE公司X-1729NL，RS485收发器采用MAX3088，LCDA05完成差分信号的过压钳位保护。

1.3 PCIE转MVB单元设计

PCIE转MVB单元硬件原理如图3所示， XILINX公司FPGA完成PCIE协议转换和MVB核设计，PCIE协议转换完成PCIE总线控制命令解析，MVB核完成MVB数据帧解析和收发功能。

2 MVB网卡软件设计

2.1 驱动软件设计

本设计采用X86工控机及Windows7操作系统，为了实现操作系统应用程序对于MVB网卡的控制操作，需要开发设备驱动程序。这里选用WDK7.1开发工具软件，结合VS2013进行PCIE驱动程序开发。WDK是微软推出的一款完全集成的驱动程序开发工具，它包含Windows DDK，用于测试Windows驱动器的可靠性和稳定性，是专门为开发人员推出的，支持Win7以上所有操作系统。

首先要进行开发环境的搭建。在Windows7操作系统中，依次安装Visual Studio 2013及WDK7.1开发工具。安装结束后，要完成WDK7.1编译环境的配置，选择checked build环境编译包含debug信息的驱动。

整个WDF驱动程序工程共包含3个源文件（Driver.c， Device.c， Queue.c）。device.c源码文件主要包含设备创建、设备资源获取和释放的功能代码。PortIODeviceCreate（）为设备创建函数，供PNP调用。PortIODeviceGetHw（）为硬件资源获取函数，供PNP调用，顺序获取PCI/PCIE设备所使用的IO和Memeoy空间资源并对memory空间进行映射，PortIODeviceReleaseHw（）为硬件资源释放函数，供PNP调用，对已映射的memory空间进行释放。

driver.c源码文件主要功能为生成驱动对象。DriverEntry DriverEntry（）为驱动程序入口函数;PortIOEvtDeviceAdd（）为设备添加函数。

queue.c源码文件创建用于与客户应用程序通讯的IO队列对象，PortIOEvtIoDeviceControl（）回调函数对于用户操作进行分发处理。

将以上源代码通过VS2013+WDK7.1编译就能生成相应PCIE硬件板卡的Windows驱动程序genport.sys文件。安装驱动程序后，应用程序可以调用设备驱动接口与硬件设备进行通信。

驱动程序调度流程如图4所示，具体实现过程如下：

（1）首先通过Win32API函数GP_LoadDev打开设备。

（2）然后调用GP_GetIOResourceInfo函数获取设备资源列表情况。资源列表信息保存在RESINFO结构体中。

typedef struct {

ULONG PortBase[6];  //基地址列表

ULONG PortCount[6];  //基地址段长度列表

ULONG PortMemoryType[6];//基地址的类型，1表示是IO空间，0表示是Memory空间

ULONG PortMemoryResourceCount;//有效的基地址数量

} RESINFO， *PRESINFO;

（3）接下来调用GP_SetBusInterfaceData函数完成PCIE配置空间的配置。

（4）最后调用GP_WritePort及GP_ReadPort函数实现与驱动程序通信，即读写数据，当应用程序退出时，调用GP_CloseDev函数关闭设备。

2.2 通信软件设计

根据MVB设备的分类标准，MVB设备按性能可分为5类。本文设计的MVB网卡支持过程数据、消息数据、监视数据的收发，也具备总线管理能力，实现了MVB4类设备的全部功能。设计中没有采用传统的利用MVB专用通讯控制器的设计方法，而是采用了当今流行的FPGA代替MVB专用通讯控制器的方案。

MVB网卡的通信采用客户端-服务器模式，如图5所示。主机也称作上位机，是指可以直接发出控制命令的计算机设备，可以通过界面显示各种变化信号的状态，实现良好的人机交互。下位机为MVB网卡，将接收到的主机命令解释成为时序信号，直接来控制相应的硬件设备，并且实时读取设备的状态数据，将此状态数据转化成数字信号反馈给主机。本论文中，主机软件就是应用程序，其功能是实现与硬件设备的驱动程序进行通信，发送指令并接收由硬件设备传递来的实时数据。主机软件采用VS2013软件工具来进行编程，采用面向对象的C++语言，在与硬件驱动程序进行通信的同时，将实时数据显示在主机界面上，实现硬件与软件的协同工作。服务器端的驱动程序由MVB网卡中的FPGA实现。

主机与MVB网卡的接口采用UART仿真（UART Emulation）模式，即利用一种类似于通用异步收发器UART16C450的基本通信模式实现数据通信，在这种模式下，数据“仿佛是通过一根串行线路”进行传输，数据以高速连续方式发送和接收。主机对MVB鏈路层的接口访问主要通过使用UART寄存器组的方式实现。主机使用发送指令的方式访问UART寄存器组。MVB控制器将处理分析指令中的信息，从而对MVB进行相关的操作。主机用户应用程序与MVB通信协议栈之间的接口由应用程序接口API实现，如过程数据链路层接口LPI、过程数据应用层接口AVI及消息数据应用层接口AMI等。

MVB通信软件调度流程如下：首先读取MVB配置文件进行配置信息解析;然后完成MVB监视数据接口初始化、过程数据接口初始化、通信存储器初始化、过程数据端口配置;之后启动MVB设备;最后就可以进行MVB过程数据收发及处理。

MVB数据的接收指主机从MVB网络上读取数据，用于相应的应用。MVB数据的发送指应用通过主机将需要发送的数据发送至MVB网络。主机与MVB网卡进行数据交互，完成MVB数据的收发，其收发流程如图6所示。进行数据收发之前首先读取状态寄存器，判断发送缓冲区为空还是接收缓冲区为空，当发送缓冲区为空时，先传递发送指令，然后将数据写入发送缓冲区，数据发送完毕，结束本次发送。接收过程与发送过程类似。

3 结语

本文在研究多功能车辆总线（MVB）的基础上，提出了一种基于PCIE总线接口、FPGA通信控制器、X86处理器的MVB通信网卡的设计方法，并完成了最终实现。利用Visual Studio 2013及WDK7.1开发工具，完成了WDF模型驱动程序的开发。完成了基于客户端-服务器模式及UART仿真技术的MVB通信软件设计。在Windows7操作系统下，驱动程序和通信软件能够稳定运行。利用该类网卡组成的地铁车辆网络控制系统，通过实验室联调试验，验证了系统信息传递的可靠性、准确性和实时性，以及与其他产品的兼容性。实验表明，所设计的基于PCIE接口的MVB网卡可以很好地满足地铁车辆控制系统要求。目前该网卡已研制成功并批量装车使用，运行稳定可靠，已成为地铁车辆控制的关键设备。

参考文献

[1] IEC61375-1.Electric Railway Equipment-Train Bus-Part 1：Train Communication Network[S].2007.

[2] 王齐.PCI Express体系结构导读[M].北京：机械工业出版社，2010.

[3] 王晓庆，周晓波，赵强.PCIE高速数据采集系统的驱动及上位机软件开发[J].计算机应用与软件，2013（9）：331-333.

[4] 刘娟，田泽，黎小玉.PCI-E接口驱动软件设计与实现[J].计算机技术与发展，2012（8）：53-55+59.