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在Windows2000下用多線程實(shí)現(xiàn)1394串行總線通信
摘 要：基于Windows2000環(huán)境開發(fā)了1394主控機(jī)與1394設(shè)備機(jī)間進(jìn)行串行總線通信的軟硬件系統(tǒng)，其中采用了多線程技術(shù)，并利用臨界區(qū)實(shí)現(xiàn)線程間共享資源的同步，從而有效地解決了串行通信中的實(shí)時(shí)響應(yīng)問題，降低了數(shù)據(jù)的丟失率，提高了系統(tǒng)的可靠性。
關(guān)鍵詞：多線程；1394總線；線程同步
1 引言
為了便于LS-1394物理層、鏈路層芯片設(shè)計(jì)課題的研究，我們采用FPGA和ISA總線開發(fā)了基于TI公司的TSB41AB3和TSB12LV01的ISA-1394的1394總線接口卡，并在Windows2000環(huán)境下開發(fā)了一套利用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)1394主控機(jī)與1394設(shè)備機(jī)之間進(jìn)行串行通信的軟件系統(tǒng)。
2 硬件部分
硬件部分主要包括：1394主控機(jī)、1394設(shè)備機(jī)、PCI-1394卡、ISA-1394卡。其中，PCI-1394卡是TI公司的1394總線接口芯片控制卡，該卡插在1394主控機(jī)的PCI插槽中；ISA-1394卡是利用一塊型號(hào)為EPM7256AETC144-5的FPGA、一塊TI公司的TSB12LV01鏈路層芯片和一塊TSB41AB3物理層芯片自行設(shè)計(jì)的1394總線接口芯片控制卡，該卡插在1394設(shè)備機(jī)的ISA插槽中。1394主控機(jī)和1394設(shè)備機(jī)之間通過1394接口進(jìn)行串行通信，傳輸介質(zhì)為1394線纜。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
3 軟件部分
軟件設(shè)計(jì)主要包括1394主控機(jī)端和1394設(shè)備機(jī)端兩大部分，由于1394主控機(jī)端有現(xiàn)成的demo應(yīng)用程序，所以軟件設(shè)計(jì)主要針對(duì)1394設(shè)備機(jī)端。1394設(shè)備機(jī)端的編程環(huán)境是WinDriver 5.0 和VC++6.0。
3.1軟件設(shè)計(jì)思想
1394串行總線有兩種通信方式：等時(shí)通信和異步通信。異步通信采用的是請(qǐng)求/應(yīng)答模式，數(shù)據(jù)傳輸可靠性較高，因此這里主要討論異步通信。1394串行總線異步通信的原理為：發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，等待發(fā)送器空閑，將數(shù)據(jù)包寫到1394鏈路層芯片的發(fā)送FIFO中發(fā)送出去；接收數(shù)據(jù)包時(shí)，一旦有數(shù)據(jù)包到達(dá)，接收器會(huì)將數(shù)據(jù)包放到1394鏈路層芯片的接收FIFO，接收到數(shù)據(jù)包后必須立即發(fā)送一個(gè)應(yīng)答包，否則，對(duì)方會(huì)重發(fā)此數(shù)據(jù)包，直到重發(fā)次數(shù)到。需注意的是，用戶必須自行訪問接收FIFO查看是否有數(shù)據(jù)包并及時(shí)地取出數(shù)據(jù)包，否則就會(huì)使接收FIFO溢出，丟失數(shù)據(jù)，造成通信出錯(cuò)。
在串行通信程序設(shè)計(jì)中，通常采用定時(shí)查詢或中斷來解決上述問題，其中采用中斷的方法比定時(shí)查詢法擁有更高的工作效率和可靠性，因此本系統(tǒng)采用中斷法來完成1394串行總線的數(shù)據(jù)通信。
為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)接收及發(fā)送的分離，本系統(tǒng)引入了多線程技術(shù)。在應(yīng)用程序的主線程之外再創(chuàng)建一個(gè)用戶線程，即中斷處理線程，在中斷處理線程中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送。如果接收中斷到來，中斷處理線程就負(fù)責(zé)取出接收FIFO中的數(shù)據(jù)，放到用戶定義的接收緩沖區(qū)rBuf中；如果發(fā)送中斷到來，中斷處理線程就負(fù)責(zé)從用戶定義的發(fā)送緩沖區(qū)sBuf中取出數(shù)據(jù)放到發(fā)送FIFO中發(fā)送出去。主線程負(fù)責(zé)調(diào)用解釋處理程序?qū)Buf中的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解釋處理，或者調(diào)用其它程序給sBuf中寫請(qǐng)求數(shù)據(jù)包。
由于多個(gè)線程可以訪問同一進(jìn)程中的公共數(shù)據(jù)，所以使用多線程的過程中需要注意的問題是如何防止兩個(gè)或兩個(gè)以上的線程同時(shí)訪問同一個(gè)數(shù)據(jù)，以免破壞數(shù)據(jù)的完整性。在本系統(tǒng)中，當(dāng)中斷處理線程從發(fā)送緩沖區(qū)sBuf取數(shù)據(jù)包，此時(shí)若有一個(gè)線程正給發(fā)送緩沖區(qū)sBuf寫數(shù)據(jù)包，這樣就存在訪問發(fā)送緩沖區(qū)sBuf資源的沖突，即所謂的線程不同步問題。針對(duì)該問題，系統(tǒng)中采用臨界區(qū)來加以解決。它可保證在某一個(gè)時(shí)間只有一個(gè)線程可以訪問sBuf，通過在不同的線程中設(shè)置一個(gè)共享的臨界區(qū)對(duì)像，無論哪個(gè)線程占有臨界區(qū)對(duì)像，都可以訪問受保護(hù)的sBuf，這時(shí)候其它的線程需要等待，直到該線程釋放臨界區(qū)對(duì)像為止。臨界區(qū)被釋放后，另外的線程可以強(qiáng)占這個(gè)臨界區(qū)，以便訪問sBuf。
3.2軟件結(jié)構(gòu)
基于多線程技術(shù)的1394串行總線通信系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
各模塊的功能如下：
1） 主線程：響應(yīng)用戶的輸入，提供前端的人機(jī)交互界面；完成線程的創(chuàng)建、終止及線程間的同步；接收線程發(fā)來的消息，并調(diào)用相應(yīng)的線程處理程序；
2） 中斷處理線程：當(dāng)接收中斷到來時(shí)，接收GRF中的數(shù)據(jù)包放到接收緩沖區(qū)rBuf，并向主線程發(fā)送接收到數(shù)據(jù)包的消息，當(dāng)發(fā)送中斷到來時(shí)，從發(fā)送緩沖區(qū)sBuf中取出數(shù)據(jù)包寫到ATF中；
3） 解釋處理程序：從接收緩沖區(qū)rBuf中取出數(shù)據(jù)包進(jìn)行解釋處理后放到dataBuf，并構(gòu)造響應(yīng)包放到發(fā)送緩沖區(qū)sBuf中；
4） 初始化程序：初始化串口資源及程序設(shè)置；
5） 其他程序：從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)dataBuf中取數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，或者給發(fā)送緩沖區(qū)sBuf中寫請(qǐng)求數(shù)據(jù)包。
該軟件采用多線程技術(shù)，使前端人機(jī)交互部分、中間處理部分和后臺(tái)的串口通信部分并行處理，讓耗時(shí)的I/O通信在后臺(tái)運(yùn)行，在
大數(shù)據(jù)量通信的情況下對(duì)改善程序的響應(yīng)速度是相當(dāng)有效的。
3.3程序內(nèi)容
1394設(shè)備機(jī)端的程序主要由ISA接口卡的驅(qū)動(dòng)程序、初始化程序、中斷處理程序及解釋處理程序四大主要部分組成。
3.3.1驅(qū)動(dòng)程序
由于WinDriver具有強(qiáng)大的設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)能力，支持用戶模式下直接對(duì)硬件進(jìn)行訪問，并且WinDriver提供的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)向?qū)riverWizard可以自動(dòng)生成驅(qū)動(dòng)程序框架，大大降低了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)難度，減少了開發(fā)時(shí)間，所以ISA接口卡的驅(qū)動(dòng)程序在WinDriver下開發(fā)。驅(qū)動(dòng)程序主要完成對(duì)ISA接口卡的I/O地址讀寫及對(duì)硬件中斷的處理。該ISA卡的I/O端口地址為：0x300~0x510；中斷號(hào)為9。
3.3.2初始化程序
在開始通信前，首先要對(duì)串口資源、鏈路層寄存器及程序設(shè)置進(jìn)行初始化，其中包括鏈路層寄存器初始化、打開驅(qū)動(dòng)設(shè)備、打開硬件中斷、定義臨界區(qū)對(duì)像及收發(fā)緩沖區(qū)等工作。
CCriticalSection m_cs; file://定義臨界區(qū)對(duì)像
bool ISA_Init() file://打開驅(qū)動(dòng)設(shè)備
bool ISA_IntAEnable() file://打開硬件使能
List rBuf,sBuf file://定義收發(fā)緩沖區(qū)
void BusInit() file://鏈路層寄存器初始化
鏈路層寄存器初始化是1394串行總線能正常工作的基礎(chǔ)，下圖是鏈路層寄存器初始化的流圖。復(fù)位中斷寄存器IntFlagReg，使其為零；寫中斷屏蔽寄存器IntMaskReg，打開中斷允許使能位、發(fā)送中斷位及接收中斷位；寫FIFO控制寄存器FifoCtrlReg，清除接收和發(fā)送FIFO，并設(shè)置接收和發(fā)送FIFO的大��；寫物理層芯片訪問寄存器PhyAccessReg，初始化總線復(fù)位；寫控制寄存器ControlReg，打開發(fā)送，接收使能位等。
3.3.3中斷處理程序
InterruptHandle()是一個(gè)全局的中斷處理函數(shù)，它一直在等待硬件中斷，一旦有中斷到來就立即響應(yīng)。具體形式如下：
UINT InterruptHandle (LPVOID wParam)
{ while(1)
{ ISA_WriteByte(0x502,0x01); file://開中斷
WD_IntWait(hWD,&Intrp); file://等待中斷
…… file://判斷中斷類型，復(fù)位中斷寄存器
if(RxDta) file://接收中斷
{ Data = QuadletReadLLC(GRFStatusReg); file://讀GRF狀態(tài)寄存器
WriteCount = (BYTE)Data & 0xff; file://獲得接收數(shù)據(jù)包的大小
pt = (PLISTBLOCK)malloc(sizeof(LISTBLOCK)); file://申請(qǐng)節(jié)點(diǎn)pt存放數(shù)據(jù)包
pd = (DWORD*)malloc(WriteCount*sizeof(DWORD));
pt->pdata = pd;
pt->next = NULL;
for(i=0;i<=WriteCount;i++，pd++) &n
bsp; file://讀GRF的數(shù)據(jù)
*pd = QuadletReadLLC(GRFReg);
ps = &rBuf; file://給鏈表rBuf尾插入數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)pt
while(ps->next!=NULL) ps=ps->next;
ps->next = pt;
SendMessage(hWnd,WM_MY_MESSAGE,0,0); file://發(fā)送接收到數(shù)據(jù)包的消息
}
if(TxRdy) file://發(fā)送中斷
{ m_cs.Lock(); file://鎖定臨界資源
p = &sBuf;
if(p->next!=NULL) file://sBuf不為空
{ pd = p->pdata;
sBuf->next = p->next; file://刪除鏈表sBuf的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)
free(p); file://釋放p
QuadletWriteLLC(ATF_First, *pd); file://寫第1個(gè)Quadlet到ATF
pd++;
for(i=1;i<=WriteCount-2;i++,pd++) file://第2~(WriteCount-1)個(gè)Quadlet
QuadletWriteLLC(ATF_Continue, *pd);
QuadletWriteLLC(ATF_ContinueUpdata, *pd); file://第WriteCount個(gè)Quadlet
}
m_cs.Unlock(); file://解鎖臨界資源
}
return 0;
}
3.3.4 解釋處理程序
解釋處理程序?qū)嶋H上是用戶自定義的一個(gè)消息處理函數(shù)，它一直在等待中斷處理程序發(fā)來的接收到數(shù)據(jù)包的消息。如果有消息到達(dá)，就從rBuf中取出數(shù)據(jù)包進(jìn)行解釋。如果是自標(biāo)識(shí)包，將接收到的數(shù)據(jù)放到自標(biāo)識(shí)緩沖區(qū)SelfIDbuf中；如果是讀請(qǐng)求包，從dataBuf中取出數(shù)據(jù)，并根據(jù)讀請(qǐng)求數(shù)據(jù)包的包頭構(gòu)造相應(yīng)的讀響應(yīng)包放到sBuf中；如果是寫請(qǐng)求包，從rBuf中取出數(shù)據(jù)部分放到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)dataBuf中等待做
進(jìn)一步的處理，并根據(jù)寫請(qǐng)求數(shù)據(jù)包的包頭構(gòu)造相應(yīng)的寫響應(yīng)包放到sBuf中。
4 結(jié)束語
本文針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中對(duì)1394串行總線通信實(shí)時(shí)性和可靠性的要求 ,采用中斷的方法來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，并提出了在Windows2000下運(yùn)用多線程技術(shù)來實(shí)現(xiàn)1394串行總線異步通信的方法，有效的解決了在串口通信中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)丟失和不穩(wěn)定問題，提高了系統(tǒng)的執(zhí)行效率和資源的利用率，實(shí)踐證明這是一種有效的途徑。
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