在Windows2000下用多线程实现1394串行总线通信

 

摘  要：基于Windows2000环境开发了1394主控机与1394设备机间进行串行总线通信的软硬件系统，其中采用了多线程技术，并利用临界区实现线程间共享资源的同步，从而有效地解决了串行通信中的实时响应问题，降低了数据的丢失率，提高了系统的可靠性。

关键词：多线程；1394总线；线程同步

1 引言

    为了便于LS-1394物理层、链路层芯片设计课题的研究，我们采用FPGA和ISA总线开发了基于TI公司的TSB41AB3和TSB12LV01的ISA-1394的1394总线接口卡，并在Windows2000环境下开发了一套利用多线程技术实现1394主控机与1394设备机之间进行串行通信的软件系统。

2 硬件部分

    硬件部分主要包括：1394主控机、1394设备机、PCI-1394卡、ISA-1394卡。其中，PCI-1394卡是TI公司的1394总线接口芯片控制卡，该卡插在1394主控机的PCI插槽中；ISA-1394卡是利用一块型号为EPM7256AETC144-5的FPGA、一块TI公司的TSB12LV01链路层芯片和一块TSB41AB3物理层芯片自行设计的1394总线接口芯片控制卡，该卡插在1394设备机的ISA插槽中。1394主控机和1394设备机之间通过1394接口进行串行通信，传输介质为1394线缆。硬件结构图如图1所示。

    3 软件部分

    软件设计主要包括1394主控机端和1394设备机端两大部分，由于1394主控机端有现成的demo应用程序，所以软件设计主要针对1394设备机端。1394设备机端的编程环境是WinDriver 5.0 和VC++6.0。

    3.1软件设计思想

    1394串行总线有两种通信方式：等时通信和异步通信。异步通信采用的是请求/应答模式，数据传输可靠性较高，因此这里主要讨论异步通信。1394串行总线异步通信的原理为：发送数据包时，等待发送器空闲，将数据包写到1394链路层芯片的发送FIFO中发送出去；接收数据包时，一旦有数据包到达，接收器会将数据包放到1394链路层芯片的接收FIFO，接收到数据包后必须立即发送一个应答包，否则，对方会重发此数据包，直到重发次数到。需注意的是，用户必须自行访问接收FIFO查看是否有数据包并及时地取出数据包，否则就会使接收FIFO溢出，丢失数据，造成通信出错。

    在串行通信程序设计中，通常采用定时查询或中断来解决上述问题，其中采用中断的方法比定时查询法拥有更高的工作效率和可靠性，因此本系统采用中断法来完成1394串行总线的数据通信。

    为了实现数据处理和数据接收及发送的分离，本系统引入了多线程技术。在应用程序的主线程之外再创建一个用户线程，即中断处理线程，在中断处理线程中实现数据包的接收和发送。如果接收中断到来，中断处理线程就负责取出接收FIFO中的数据，放到用户定义的接收缓冲区rBuf中；如果发送中断到来，中断处理线程就负责从用户定义的发送缓冲区sBuf中取出数据放到发送FIFO中发送出去。主线程负责调用解释处理程序对rBuf中的数据包进行解释处理，或者调用其它程序给sBuf中写请求数据包。

    由于多个线程可以访问同一进程中的公共数据，所以使用多线程的过程中需要注意的问题是如何防止两个或两个以上的线程同时访问同一个数据，以免破坏数据的完整性。在本系统中，当中断处理线程从发送缓冲区sBuf取数据包，此时若有一个线程正给发送缓冲区sBuf写数据包，这样就存在访问发送缓冲区sBuf资源的冲突，即所谓的线程不同步问题。针对该问题，系统中采用临界区来加以解决。它可保证在某一个时间只有一个线程可以访问sBuf，通过在不同的线程中设置一个共享的临界区对像，无论哪个线程占有临界区对像，都可以访问受保护的sBuf，这时候其它的线程需要等待，直到该线程释放临界区对像为止。临界区被释放后，另外的线程可以强占这个临界区，以便访问sBuf。

    3.2软件结构

    基于多线程技术的1394串行总线通信系统软件结构如图2所示。

   

    各模块的功能如下：

    1） 主线程：响应用户的输入，提供前端的人机交互界面；完成线程的创建、终止及线程间的同步；接收线程发来的消息，并调用相应的线程处理程序；

    2） 中断处理线程：当接收中断到来时，接收GRF中的数据包放到接收缓冲区rBuf，并向主线程发送接收到数据包的消息，当发送中断到来时，从发送缓冲区sBuf中取出数据包写到ATF中；

    3） 解释处理程序：从接收缓冲区rBuf中取出数据包进行解释处理后放到dataBuf，并构造响应包放到发送缓冲区sBuf中；

    4） 初始化程序：初始化串口资源及程序设置；

    5） 其他程序：从数据缓冲区dataBuf中取数据进行进一步处理，或者给发送缓冲区sBuf中写请求数据包。

    该软件采用多线程技术，使前端人机交互部分、中间处理部分和后台的串口通信部分并行处理，让耗时的I/O通信在后台运行，在大数据量通信的情况下对改善程序的响应速度是相当有效的。

    3.3程序内容

    1394设备机端的程序主要由ISA接口卡的驱动程序、初始化程序、中断处理程序及解释处理程序四大主要部分组成。

    3.3.1驱动程序

    由于WinDriver具有强大的设备驱动开发能力，支持用户模式下直接对硬件进行访问，并且WinDriver提供的驱动程序开发向导DriverWizard可以自动生成驱动程序框架，大大降低了设备驱动程序的开发难度，减少了开发时间，所以ISA接口卡的驱动程序在WinDriver下开发。驱动程序主要完成对ISA接口卡的I/O地址读写及对硬件中断的处理。该ISA卡的I/O端口地址为：0x300~0x510；中断号为9。

    3.3.2初始化程序

    在开始通信前，首先要对串口资源、链路层寄存器及程序设置进行初始化，其中包括链路层寄存器初始化、打开驱动设备、打开硬件中断、定义临界区对像及收发缓冲区等工作。

   CCriticalSection  m_cs;    file://定义临界区对像
   bool  ISA_Init()          file://打开驱动设备
   bool  ISA_IntAEnable()    file://打开硬件使能
   List   rBuf,sBuf          file://定义收发缓冲区
void  BusInit()           file://链路层寄存器初始化

    链路层寄存器初始化是1394串行总线能正常工作的基础，下图是链路层寄存器初始化的流图。复位中断寄存器IntFlagReg，使其为零；写中断屏蔽寄存器IntMaskReg，打开中断允许使能位、发送中断位及接收中断位；写FIFO控制寄存器FifoCtrlReg，清除接收和发送FIFO，并设置接收和发送FIFO的大小；写物理层芯片访问寄存器PhyAccessReg，初始化总线复位；写控制寄存器ControlReg，打开发送，接收使能位等。

    3.3.3中断处理程序

    InterruptHandle()是一个全局的中断处理函数，它一直在等待硬件中断，一旦有中断到来就立即响应。具体形式如下：

UINT InterruptHandle (LPVOID wParam)
{ while(1)
  {  ISA_WriteByte(0x502,0x01);        file://开中断
WD_IntWait(hWD,&Intrp);          file://等待中断
……                            file://判断中断类型，复位中断寄存器
if(RxDta)                        file://接收中断
{  Data   =  QuadletReadLLC(GRFStatusReg);    file://读GRF状态寄存器
WriteCount  =  (BYTE)Data & 0xff;            file://获得接收数据包的大小
  pt  = (PLISTBLOCK)malloc(sizeof(LISTBLOCK)); file://申请节点pt存放数据包
pd  = (DWORD*)malloc(WriteCount*sizeof(DWORD));
pt->pdata  = pd;
pt->next   = NULL;
     for(i=0;i<=WriteCount;i++，pd++)         file://读GRF的数据
     *pd = QuadletReadLLC(GRFReg);
     ps  = &rBuf;                          file://给链表rBuf尾插入数据节点pt
  while(ps->next!=NULL) ps=ps->next;
  ps->next   = pt;
     SendMessage(hWnd,WM_MY_MESSAGE,0,0);  file://发送接收到数据包的消息
}
    if(TxRdy)                              file://发送中断
    {   m_cs.Lock();                       file://锁定临界资源
  p  = &sBuf;
    if(p->next!=NULL)                 file://sBuf不为空
   {  pd = p->pdata;                 
     sBuf->next  =  p->next;          file://删除链表sBuf的第一个节点
  free(p);                         file://释放p                             
        QuadletWriteLLC(ATF_First,  *pd);         file://写第1个Quadlet到ATF
pd++;
  for(i=1;i<=WriteCount-2;i++,pd++)         file://第2~(WriteCount-1)个Quadlet
        QuadletWriteLLC(ATF_Continue, *pd);
     QuadletWriteLLC(ATF_ContinueUpdata, *pd); file://第WriteCount个Quadlet
}
 m_cs.Unlock();          file://解锁临界资源
    }
      return 0;
}

    3.3.4 解释处理程序

    解释处理程序实际上是用户自定义的一个消息处理函数，它一直在等待中断处理程序发来的接收到数据包的消息。如果有消息到达，就从rBuf中取出数据包进行解释。如果是自标识包，将接收到的数据放到自标识缓冲区SelfIDbuf中；如果是读请求包，从dataBuf中取出数据，并根据读请求数据包的包头构造相应的读响应包放到sBuf中；如果是写请求包，从rBuf中取出数据部分放到数据缓冲区dataBuf中等待做进一步的处理，并根据写请求数据包的包头构造相应的写响应包放到sBuf中。

    4 结束语

    本文针对实际应用中对1394串行总线通信实时性和可靠性的要求 ,采用中断的方法来接收和发送数据，并提出了在Windows2000下运用多线程技术来实现1394串行总线异步通信的方法，有效的解决了在串口通信中出现的数据丢失和不稳定问题，提高了系统的执行效率和资源的利用率，实践证明这是一种有效的途径。