摘要：車輛顯控系統的控制主板選用高性能PowerPC MPC8548E處理器，擴展了顯示器、內存、Flash存儲器和接口設備。以此主板為平臺，實現了車輛數據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I2C控制以及通過PCI總線實現設備間通信的方法。
關鍵詞：PowerPC；MPC8548E；VxWorks；BSP

    車輛顯控系統是對車輛工作狀態信息進行顯示、控制，并完成人機交互的系統。車輛顯控系統需要在顯示文字、圖形和視頻的同時響應按鍵操作，并對車輛控制系統進行操控。這就要求系統具有實時響應、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VxWorks，實現了實時響應系統操作、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，具有高性能、高穩定性和良好的兼容性。

1 PowerPC MPC8548及其控制主板概述
    PowerPC MPC8548是Freescale公司開發的新一代PowerQUICC III系列的高性能處理器。其內部工作頻率可達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據緩存各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不僅擁有強大的數據處理能力，還具有很強的通信處理能力，可靠性高，抗惡劣環境能力好，特別適合對網絡性能要求較高及有多個接口的場合。
    車輛顯控系統的核心控制主板是以PowerPCMPC8548E為處理器的嵌入式系統。該系統通過擴展顯示器、內存、Flash存儲器以及其他接口控制電路，構成了高性能、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VxWorks，對接口設備驅動進行二次開發，繼而以VxWorks為軟件開發平臺，開發應用程序，實現顯示和控制任務。

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
    車輛顯控系統是一個多任務的復雜的實時嵌入式系統，采用操作系統對所有軟硬件資源進行分配、調度、控制和協調，尤其是協調并發活動，如任務調度、內存管理、同步機制、異常和中斷處理、任務間通信等。WindRiver公司(現被Intel收購)的VxWorks是一個實時嵌入式操作系統。VxWorks操作系統已經廣泛應用于航空、汽車等行業，鑒于VxWorks對PowerPC處理器體系結構的支持，使得應用PowerPC處理器的嵌入式系統大多以其作為操作系統。因此，車輛顯控系統也采用VxWorks作為操作系統。
    嵌入式系統是根據實際要求對硬件資源進行配置和裁減而成的系統。由于嵌入式產品是軟硬件的結合體，且隨著產品的研制完成，軟件就已固化在硬件環境中，因此，軟硬件綜合開發是嵌入式系統的一大特點，而軟件設計是在緊密聯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構設計方法，分為如下兩部分：
    ①特殊設備驅動的開發，通用設備驅動程序的集成，即板級支持包BSP的開發。
    ②應用程序的開發，即顯控任務的實現。
3．1 設備驅動開發
    由于本系統的硬件平臺是根據實際需要設計的，故必須根據實際的接口對設備驅動進行開發。在VxWorks提供的通用設備驅動的架構上，結合每個具體設備的工作原理和功能，以數據流為中心，在掌握設備與CPU及外接設備的通信方式后，對具體設備的驅動進行逐一開發。設備驅動程序開發完成后，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)特殊設備驅動
    一些特殊設備的驅動程序不在VxWorks配備的標準設備清單中，因此需自行開發，例如PCI線驅動、DDR內存驅動和顯示驅動等。
    (2)通用設備驅動
    通用設備的驅動程序可以直接應用VxWorks標準驅動，或在標準驅動的基礎上稍作改動即可，例如鼠標、鍵盤、串口、以太網接口和USB接口等。
3．2 應用程序開發
    首先將車輛顯控系統要完成的任務分解為多個任務：按鍵查詢、界面切換、數據顯示、視頻顯示和參數存儲。應用程序保證各任務按照規定的方式實時完成。PowerPC控制主板軟件結構圖如圖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、數據顯示、視頻顯示和參數存儲發送消息，完成相應的任務。
    界面切換：切換到相應界面。
    數據顯示：顯示車輛控制系統在不同工作模式下的狀態。
    視頻顯示：切換視頻通道，調節圖像的亮度、對比度，并進行相關操作。
    參數存儲：根據指令保存參數，或等間隔地將參數保存到緩存。
3．2．1 I2C接口控制的軟件實現
    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——串行數據線和串行時鐘線，即可實現微處理器與總線上具有I2C總線接口的設備進行數據交換。
    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，系統設計采用FPGA構建了硬件I2C電氣結構，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，從而實現視頻通道的切換、亮度和對比度的調整等視頻顯示功能。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、擴展卡之間的互聯接口，PCI局部總線規范是互聯機構的協議，也是電氣和機械配置的規范。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”，負責設備間的協調，其他設備作為“從設備”。由“主設備”根據“從設備”的設備識別號和供應商識別號對其進行配置，根據地址空間的存儲映射訪問方式進行數據通信。PCI設備間的通信流程如圖6所示。
3．3 應用程序與設備驅動的連接
    應用程序是通過調用設備驅動程序來訪問設備的。調用設備驅動有3種方式：直接調用、通過操作系統內核調用和通過操作系統的擴展模塊調用。直接調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；通過內核調用，由操作系統管理，移植性好，但增加了系統開銷；通過擴展模塊調用的優缺點與通過內核調用類似。
    車輛顯控系統是一個復雜的實時操作系統，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核和擴展模塊兩種方式來調用設備驅動程序。通過內核調用通用設備驅動程序，通過擴展模塊調用特殊驅動程序。
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——串行數據線和串行時鐘線，即可實現微處理器與總線上具有I2C總線接口的設備進行數據交換。
    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，系統設計采用FPGA構建了硬件I2C電氣結構，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，從而實現視頻通道的切換、亮度對比度的調整等視頻顯示功能，如圖5所示。

結語
    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、穩定性和易擴展性受到嵌入式系統開發者們的青睞。車輛顯控系統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，使其具備了實時處理多任務的能力。通過擴展PCI設備，實現了顯控系統設備間、顯示系統與其他系統設備間的數據交換和控制。