摘要：車輛顯控系統(tǒng)的控制主板選用高性能PowerPC MPC8548E處理器，擴展了顯示器、內(nèi)存、Flash存儲器和接口設備。以此主板為平臺，實現(xiàn)了車輛數(shù)據(jù)和視頻的實時顯示和控制。本文重點闡述了在PowerPC上用軟件實現(xiàn)I2C控制以及通過PCI總線實現(xiàn)設備間通信的方法。
關鍵詞：PowerPC；MPC8548E；VxWorks；BSP
車輛顯控系統(tǒng)是對車輛工作狀態(tài)信息進行顯示、控制，并完成人機交互的系統(tǒng)。車輛顯控系統(tǒng)需要在顯示文字、圖形和視頻的同時響應按鍵操作，并對車輛控制系統(tǒng)進行操控。這就要求系統(tǒng)具有實時響應、并行處理多個任務的能力。本文在以PowerPC MPC8548E為處理器的控制主板上應用實時操作系統(tǒng)VxWorks，實現(xiàn)了實時響應系統(tǒng)操作、顯示相應信息的功能。以此主板為核心控制主板的顯控系統(tǒng)，具有高性能、高穩(wěn)定性和良好的兼容性。
1 PowerPC MPC8548及其控制主板概述
PowerPC MPC8548是Freescale公司開發(fā)的新一代PowerQUICC III系列的高性能處理器。其內(nèi)部工作頻率可達1．33 GHz，在該工作頻率上處理性能可達3 065MIPS。一級緩存有指令緩存和數(shù)據(jù)緩存各32 KB，二級緩存為512 KB，支持DDR1和DDR2存儲器控制器，支持PCI、PCI-X和PCIE接口，支持SRapid IO接口和4個GbE接口。MPC8548不僅擁有強大的數(shù)據(jù)處理能力，還具有很強的通信處理能力，可靠性高，抗惡劣環(huán)境能力好，特別適合對網(wǎng)絡性能要求較高及有多個接口的場合。
車輛顯控系統(tǒng)的核心控制主板是以PowerPCMPC8548E為處理器的嵌入式系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過擴展顯示器、內(nèi)存、Flash存儲器以及其他接口控制電路，構(gòu)成了高性能、高可靠性的核心控制主板。以此控制主板為硬件平臺，移植嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks，對接口設備驅(qū)動進行二次開發(fā)，繼而以VxWorks為軟件開發(fā)平臺，開發(fā)應用程序，實現(xiàn)顯示和控制任務。
2 PowerPC控制主板硬件設計
如圖1所示，PowerPC控制主板硬件系統(tǒng)由處理器、外圍電路和外部接口設備組成。外圍電路包括電源、晶振和復位電路；外部接口電路包括串口、網(wǎng)口、EL／LVDS液晶顯示、16位PCI總線、USB接口、Flash、鼠標和鍵盤等。
3 PowerPC控制主板軟件設計
車輛顯控系統(tǒng)是一個多任務的復雜的實時嵌入式系統(tǒng)，采用操作系統(tǒng)對所有軟硬件資源進行分配、調(diào)度、控制和協(xié)調(diào)，尤其是協(xié)調(diào)并發(fā)活動，如任務調(diào)度、內(nèi)存管理、同步機制、異常和中斷處理、任務間通信等。WindRiver公司(現(xiàn)被Intel收購)的VxWorks是一個實時嵌入式操作系統(tǒng)。VxWorks操作系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應用于航空、汽車等行業(yè)，鑒于VxWorks對PowerPC處理器體系結(jié)構(gòu)的支持，使得應用PowerPC處理器的嵌入式系統(tǒng)大多以其作為操作系統(tǒng)。因此，車輛顯控系統(tǒng)也采用VxWorks作為操作系統(tǒng)。
嵌入式系統(tǒng)是根據(jù)實際要求對硬件資源進行配置和裁減而成的系統(tǒng)。由于嵌入式產(chǎn)品是軟硬件的結(jié)合體，且隨著產(chǎn)品的研制完成，軟件就已固化在硬件環(huán)境中，因此，軟硬件綜合開發(fā)是嵌入式系統(tǒng)的一大特點，而軟件設計是在緊密聯(lián)系硬件的基礎上完成的。
PowerPC控制主板的軟件設計遵循嵌入式軟件的體系結(jié)構(gòu)設計方法，分為如下兩部分：
①特殊設備驅(qū)動的開發(fā)，通用設備驅(qū)動程序的集成，即板級支持包BSP的開發(fā)。
②應用程序的開發(fā)，即顯控任務的實現(xiàn)。[!--empirenews.page--]
3．1 設備驅(qū)動開發(fā)
由于本系統(tǒng)的硬件平臺是根據(jù)實際需要設計的，故必須根據(jù)實際的接口對設備驅(qū)動進行開發(fā)。在VxWorks提供的通用設備驅(qū)動的架構(gòu)上，結(jié)合每個具體設備的工作原理和功能，以數(shù)據(jù)流為中心，在掌握設備與CPU及外接設備的通信方式后，對具體設備的驅(qū)動進行逐一開發(fā)。設備驅(qū)動程序開發(fā)完成后，最終形成MPC8548E的板級支持包BSP。硬件設備程序的集成包括如下幾個方面。
(1)特殊設備驅(qū)動
一些特殊設備的驅(qū)動程序不在VxWorks配備的標準設備清單中，因此需自行開發(fā)，例如PCI線驅(qū)動、DDR內(nèi)存驅(qū)動和顯示驅(qū)動等。
(2)通用設備驅(qū)動
通用設備的驅(qū)動程序可以直接應用VxWorks標準驅(qū)動，或在標準驅(qū)動的基礎上稍作改動即可，例如鼠標、鍵盤、串口、以太網(wǎng)接口和USB接口等。
3．2 應用程序開發(fā)
首先將車輛顯控系統(tǒng)要完成的任務分解為多個任務：按鍵查詢、界面切換、數(shù)據(jù)顯示、視頻顯示和參數(shù)存儲。應用程序保證各任務按照規(guī)定的方式實時完成。PowerPC控制主板軟件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
按鍵查詢：定時查詢是否有鍵按下，如有，則向界面切換、數(shù)據(jù)顯示、視頻顯示和參數(shù)存儲發(fā)送消息，完成相應的任務。
界面切換：切換到相應界面。
數(shù)據(jù)顯示：顯示車輛控制系統(tǒng)在不同工作模式下的狀態(tài)。
視頻顯示：切換視頻通道，調(diào)節(jié)圖像的亮度、對比度，并進行相關操作。
參數(shù)存儲：根據(jù)指令保存參數(shù)，或等間隔地將參數(shù)保存到緩存。
3．2．1 I2C接口控制的軟件實現(xiàn)
I2C總線是一種兩線式串行總線，主要應用于微處理器外圍芯片的擴展。它只需兩根線——串行數(shù)據(jù)線和串行時鐘線，即可實現(xiàn)微處理器與總線上具有I2C總線接口的設備進行數(shù)據(jù)交換。[!--empirenews.page--]
I2C總線設備以其簡單性和有效性被廣泛使用。車輛顯控系統(tǒng)中用于模擬視頻顯示的視頻解碼器CCX25836就是其中之一。CCX25836的寄存器需要用I2C總線進行配置，系統(tǒng)設計采用FPGA構(gòu)建了硬件I2C電氣結(jié)構(gòu)，在PowerPC控制主板上用軟件模擬視頻解碼器所需的I2C讀寫流程，設置其寄存器，從而實現(xiàn)視頻通道的切換、亮度和對比度的調(diào)整等視頻顯示功能。I2C讀、寫流程如圖3、圖4所示，通過I2C總線設置亮度、對比度的流程如圖5所示。
3．2．2 通過PCI局部總線實現(xiàn)設備間通信
PCI局部總線是微型計算機中處理器／存儲器與外圍控制部件、擴展卡之間的互聯(lián)接口，PCI局部總線規(guī)范是互聯(lián)機構(gòu)的協(xié)議，也是電氣和機械配置的規(guī)范。PCI局部總線具有總線主設備支持和自動配置功能，提供了3類地址空間，即存儲器、I／O和配置地址空間。這些特點為總線上各設備間的通信奠定了基礎。
車輛顯控系統(tǒng)中存在多個PCI設備，鑒于PowerPC較強的處理能力和實時操作系統(tǒng)的實時多任務處理功能，使得PowerPC控制主板成為“主設備”，負責設備間的協(xié)調(diào)，其他設備作為“從設備”。由“主設備”根據(jù)“從設備”的設備識別號和供應商識別號對其進行配置，根據(jù)地址空間的存儲映射訪問方式進行數(shù)據(jù)通信。PCI設備間的通信流程如圖6所示。
3．3 應用程序與設備驅(qū)動的連接
應用程序是通過調(diào)用設備驅(qū)動程序來訪問設備的。調(diào)用設備驅(qū)動有3種方式：直接調(diào)用、通過操作系統(tǒng)內(nèi)核調(diào)用和通過操作系統(tǒng)的擴展模塊調(diào)用。直接調(diào)用方式可以使應用程序高效地訪問設備，但移植性差，且用戶需自行管理設備；通過內(nèi)核調(diào)用，由操作系統(tǒng)管理，移植性好，但增加了系統(tǒng)開銷；通過擴展模塊調(diào)用的優(yōu)缺點與通過內(nèi)核調(diào)用類似。
車輛顯控系統(tǒng)是一個復雜的實時操作系統(tǒng)，需要良好的可移植性，且存在擴展模塊，因此應用程序同時使用通過內(nèi)核和擴展模塊兩種方式來調(diào)用設備驅(qū)動程序。通過內(nèi)核調(diào)用通用設備驅(qū)動程序，通過擴展模塊調(diào)用特殊驅(qū)動程序。
3．4 應用程序與設備的直接連接
針對一些特殊設備的控制要求，PowerPC控制主板對其采用直接控制的方式，而不通過設備驅(qū)動。
I2C總線是一種兩線式串行總線，主要應用于微處理器外圍芯片的擴展。它只需兩根線——串行數(shù)據(jù)線和串行時鐘線，即可實現(xiàn)微處理器與總線上具有I2C總線接口的設備進行數(shù)據(jù)交換。
I2C總線設備以其簡單性和有效性被廣泛使用。車輛顯控系統(tǒng)中用于模擬視頻顯示的視頻解碼器CCX25836就是其中之一。CCX25836的寄存器需要用I2C總線進行配置，系統(tǒng)設計采用FPGA構(gòu)建了硬件I2C電氣結(jié)構(gòu)，在PowerPC控制主板上用軟件模擬視頻解碼器所需的I2C讀寫流程(詳見圖3～4)，設置其寄存器，從而實現(xiàn)視頻通道的切換、亮度對比度的調(diào)整等視頻顯示功能，如圖5所示。
結(jié)語
PowerPC MPC8548E微處理器以其豐富的接口、較強的運算能力、較快的處理速度、穩(wěn)定性和易擴展性受到嵌入式系統(tǒng)開發(fā)者們的青睞。車輛顯控系統(tǒng)的主板采用此芯片為核心處理器，配備必要的外圍接口，并采用VxWorks作為運行在其上的操作系統(tǒng)，使其具備了實時處理多任務的能力。通過擴展PCI設備，實現(xiàn)了顯控系統(tǒng)設備間、顯示系統(tǒng)與其他系統(tǒng)設備間的數(shù)據(jù)交換和控制。
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