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在Windows2000下用多線程實現(xiàn)1394串行總線通信
摘 要：基于Windows2000環(huán)境開發(fā)了1394主控機與1394設備機間進行串行總線通信的軟硬件系統(tǒng)，其中采用了多線程技術，并利用臨界區(qū)實現(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時響應問題，降低了數(shù)據(jù)的丟失率，提高了系統(tǒng)的可靠性。
關鍵詞：多線程；1394總線；線程同步
1 引言
為了便于LS-1394物理層、鏈路層芯片設計課題的研究，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實現(xiàn)1394主控機與1394設備機之間進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、1394設備機、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主控機的PCI插槽中；ISA-1394卡是利用一塊型號為EPM7256AETC144-5的FPGA、一塊TI公司的TSB12LV01鏈路層芯片和一塊TSB41AB3物理層芯片自行設計的1394總線接口芯片控制卡，該卡插在1394設備機的ISA插槽中。1394主控機和1394設備機之間通過1394接口進行串行通信，傳輸介質(zhì)為1394線纜。硬件結構圖如圖1所示。
3 軟件部分
軟件設計主要包括1394主控機端和1394設備機端兩大部分，由于1394主控機端有現(xiàn)成的demo應用程序，所以軟件設計主要針對1394設備機端。1394設備機端的編程環(huán)境是WinDriver 5.0 和VC++6.0。
3.1軟件設計思想
1394串行總線有兩種通信方式：等時通信和異步通信。異步通信采用的是請求/應答模式，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，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，一旦有數(shù)據(jù)包到達，接收器會將數(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)送一個應答包，否則，對方會重發(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)包并及時地取出數(shù)據(jù)包，否則就會使接收FIFO溢出，丟失數(shù)據(jù)，造成通信出錯。
在串行通信程序設計中，通常采用定時查詢或中斷來解決上述問題，其中采用中斷的方法比定時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。在應用程序的主線程之外再創(chuàng)建一個用戶線程，即中斷處理線程，在中斷處理線程中實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送。如果接收中斷到來，中斷處理線程就負責取出接收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，中斷處理線程就負責從用戶定義的發(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。主線程負責調(diào)用解釋處理程序?qū)Buf中的數(shù)據(jù)包進行解釋處理，或者調(diào)用其它程序給sBuf中寫請求數(shù)據(jù)包。
由于多個線程可以訪問同一進程中的公共數(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或兩個以上的線程同時訪問同一個數(shù)據(jù)，以免破壞數(shù)據(jù)的完整性。在本系統(tǒng)中，當中斷處理線程從發(fā)送緩沖區(qū)sBuf取數(shù)據(jù)包，此時若有一個線程正給發(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。它可保證在某一個時間只有一個線程可以訪問sBuf，通過在不同的線程中設置一個共享的臨界區(qū)對像，無論哪個線程占有臨界區(qū)對像，都可以訪問受保護的sBuf，這時候其它的線程需要等待，直到該線程釋放臨界區(qū)對像為止。臨界區(qū)被釋放后，另外的線程可以強占這個臨界區(qū)，以便訪問sBuf。
3.2軟件結構
基于多線程技術的1394串行總線通信系統(tǒng)軟件結構如圖2所示。
各模塊的功能如下：
1） 主線程：響應用戶的輸入，提供前端的人機交互界面；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)用相應的線程處理程序；
2） 中斷處理線程：當接收中斷到來時，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，當發(fā)送中斷到來時，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)包進行解釋處理后放到dataBuf，并構造響應包放到發(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置；
5） 其他程序：從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)dataBuf中取數(shù)據(jù)進行進一步處理，或者給發(fā)送緩沖區(qū)sBuf中寫請求數(shù)據(jù)包。
該軟件采用多線程技術，使前端人機交互部分、中間處理部分和后臺的串口通信部分并行處理，讓耗時的I/O通信在后臺運行，在
大數(shù)據(jù)量通信的情況下對改善程序的響應速度是相當有效的。
3.3程序內(nèi)容
1394設備機端的程序主要由ISA接口卡的驅(qū)動程序、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)動程序
由于WinDriver具有強大的設備驅(qū)動開發(fā)能力，支持用戶模式下直接對硬件進行訪問，并且WinDriver提供的驅(qū)動程序開發(fā)向?qū)riverWizard可以自動生成驅(qū)動程序框架，大大降低了設備驅(qū)動程序的開發(fā)難度，減少了開發(fā)時間，所以ISA接口卡的驅(qū)動程序在WinDriver下開發(fā)。驅(qū)動程序主要完成對ISA接口卡的I/O地址讀寫及對硬件中斷的處理。該ISA卡的I/O端口地址為：0x300~0x510；中斷號為9。
3.3.2初始化程序
在開始通信前，首先要對串口資源、鏈路層寄存器及程序設置進行初始化，其中包括鏈路層寄存器初始化、打開驅(qū)動設備、打開硬件中斷、定義臨界區(qū)對像及收發(fā)緩沖區(qū)等工作。
CCriticalSection m_cs; file://定義臨界區(qū)對像
bool ISA_Init() file://打開驅(qū)動設備
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，下圖是鏈路層寄存器初始化的流圖。復位中斷寄存器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，并設置接收和發(fā)送FIFO的大�。粚懳锢韺有酒L問寄存器PhyAccessReg，初始化總線復位；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。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://申請節(jié)點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的第一個節(jié)點
free(p); file://釋放p
QuadletWriteLLC(ATF_First, *pd); file://寫第1個Quadlet到ATF
pd++;
for(i=1;i<=WriteCount-2;i++,pd++) file://第2~(WriteCount-1)個Quadlet
QuadletWriteLLC(ATF_Continue, *pd);
QuadletWriteLLC(ATF_ContinueUpdata, *pd); file://第WriteCount個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，就從rBuf中取出數(shù)據(jù)包進行解釋。如果是自標識包，將接收到的數(shù)據(jù)放到自標識緩沖區(qū)SelfIDbuf中；如果是讀請求包，從dataBuf中取出數(shù)據(jù)，并根據(jù)讀請求數(shù)據(jù)包的包頭構造相應的讀響應包放到sBuf中；如果是寫請求包，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
進一步的處理，并根據(jù)寫請求數(shù)據(jù)包的包頭構造相應的寫響應包放到sBuf中。
4 結束語
本文針對實際應用中對1394串行總線通信實時性和可靠性的要求 ,采用中斷的方法來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，并提出了在Windows2000下運用多線程技術來實現(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，實踐證明這是一種有效的途徑。
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