基于WinCE的SPI接口驅(qū)動程序設(shè)計

引 言

Windows CE為支持多線程、多任務(wù)、搶占式的嵌入式操作系統(tǒng)。隨著Windows CE 6.0的發(fā)布，其內(nèi)核性能的明顯提升和源代碼開放，將促使其在消費電子、工業(yè)控制、移動通信等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。通常Platform Builder中給出了支持多種CPU常用設(shè)備驅(qū)動程序，如LCD驅(qū)動、鼠標(biāo)驅(qū)動、USB驅(qū)動、串口驅(qū)動等;但有時由于平臺采用了其他特定的硬件設(shè)備，其驅(qū)動程序在Platform Builder并沒有給出，這時就需要用戶針對實際的硬件自行開發(fā)，以滿足個性化的需求。本文所涉及的SPI接口驅(qū)動就屬于此類。

1 SPI總線及S3C2440芯片介紹

串行外圍設(shè)備接口SPI(Serial Peripheral Interface)總線是Freescale公司推出的一種三線同步接口。接口采用同步串行3～4線方式進行通信，即1條時鐘線SCK、1條數(shù)據(jù)輸入線 MOSI、1條數(shù)據(jù)輸出線MISO，另外還有1條從選線NSS(可選)，用于CPU與各種外圍器件進行全雙工、同步串行通信。SPI接口在眾多的移動存儲和高速通信芯片上得到廣泛應(yīng)用。

根據(jù)時鐘極性和時鐘相位的不同，MOSI和MISO上的數(shù)據(jù)支持4種數(shù)據(jù)傳輸格式。SPI的主要特點為：可以同時發(fā)出和接收串行數(shù)據(jù)，可以當(dāng)作主機或從機工作，提供頻率可編程時鐘，發(fā)送結(jié)束中斷標(biāo)志，寫沖突保護和總線競爭保護等。

S3C2440是一款基于ARM920T的16/32位RISC微處理器，主頻可達400 MHz。該芯片性價比高，功耗低，含有豐富的片內(nèi)外設(shè)，主要用于手持設(shè)備和移動終端。S3C2440中與SPI相關(guān)的寄存器有：

2 Windows CE的驅(qū)動程序

2.1 Windows CE下驅(qū)動程序的基本概念和分類

驅(qū)動程序是一個抽象物理設(shè)備或者虛擬設(shè)備的功能軟件，驅(qū)動程序管理這些設(shè)備的操作并將設(shè)備的功能導(dǎo)出給操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。根據(jù)驅(qū)動程序?qū)С鼋涌诘牟煌?，windows CE中驅(qū)動可以分為本機設(shè)備驅(qū)動程序(native device driver)和流式驅(qū)動程序(streams device driver)。本機設(shè)備驅(qū)動適于集成到基于Windows CE平臺的設(shè)備。這些設(shè)備驅(qū)動程序是一些硬件所必需的，是由原始設(shè)備制造商創(chuàng)建的，用來驅(qū)動如鍵盤、LED、觸摸屏等。本機驅(qū)動在編譯時被靜態(tài)鏈接到 GWES，系統(tǒng)運行時由GWES加載。流式驅(qū)動程序也稱"可安裝驅(qū)動程序"，是由設(shè)備管理器(device.exe)動態(tài)加載用戶模式的DLL。對流式驅(qū)動程序來說，不管需要控制的設(shè)備是什么類型，所有流式驅(qū)動都使用相同的接口并導(dǎo)出一組相同的函數(shù)--流接口函數(shù)。流式驅(qū)動適用任何在邏輯上可以被認為是一個數(shù)據(jù)源或者數(shù)據(jù)存儲的I/O設(shè)備。

2.2流式驅(qū)動程序工作原理

在Window CES中，流式驅(qū)動程序負責(zé)將設(shè)備抽象成一個文件，應(yīng)用程序便能夠使用系統(tǒng)提供的API(ReadFile、writeFile、IOControl等) 對其進行讀寫。應(yīng)用程序使用文件API訪問設(shè)備時，請求經(jīng)過文件系統(tǒng)(Filesys.exe)過濾被送到device.exe;device.exe根據(jù)請求調(diào)相關(guān)的流式驅(qū)動程序接口，從而完成與硬件的交互。

2.3 設(shè)備驅(qū)動的中斷處理

在windows CE系統(tǒng)中，當(dāng)中斷發(fā)生時，OEM抽象層(OEM Abstraction Layer，OAL)把物理中斷信號映射成OEM定義的邏輯中斷供操作系統(tǒng)和驅(qū)動程序調(diào)用。為了滿足實時性要求，系統(tǒng)將中斷處理過程分為2個階段，即處于內(nèi)核模式的中斷服務(wù)例程(Interrupt Service Routine，ISR)和處于用戶模式的中斷服務(wù)線程(Interrupt Service Thread，IST)。ISR主要負責(zé)將物理中斷映射為邏輯中斷，然后由操作系統(tǒng)根據(jù)邏輯中斷激發(fā)所關(guān)聯(lián)時間對象的內(nèi)核，使等待該事件內(nèi)核對象的線程 IST開始執(zhí)行中斷處理程序。

具體中斷處理過程如圖1所示。中斷發(fā)生后，信號發(fā)往異常處理器，并且中斷支持處理器調(diào)用OAL函數(shù)OEMInterruptDisable關(guān)閉來自該硬件的中斷。ISR被內(nèi)核調(diào)用并返回結(jié)果，且通過內(nèi)核設(shè)置Event事件來觸發(fā)IST。IST被喚醒后調(diào)用各種I/O函數(shù)完成中斷處理并返回 InterruptDone通知內(nèi)核。內(nèi)核調(diào)用OEMInterruptDone通知硬件重新開啟中斷。

3 SPI總線驅(qū)動設(shè)計

綜上所述，SPI總線驅(qū)動分為2部分，即處于內(nèi)核模式OAL層將物理中斷映射成邏輯中斷的ISR，以及處于用戶模式流式驅(qū)動。其中包括執(zhí)行中斷處理線程IST。

3.1 初始化中斷以及ISR實現(xiàn)

SPI通信是通過讀寫SPI寄存器來完成的，通過讀寫上述6個SPI寄存器中的狀態(tài)字可以檢測和控制SPI總線的行為。在OAL層中需要完成的工作如下：

①在中斷頭文件oalintr.h中添加SPI的中斷宏定義，供ISR返回調(diào)用。

#(define SYSINTR_SPIO (SYSINTR_FIRMWARE+22)

注意：定義時要使中斷號滿足該文件中MapIrq2SysIntr中所要求的范圍。WinCE4.2版本支持最大中斷數(shù)為32，WinCE5.0版支持最大中斷數(shù)為64。

②在OAL實現(xiàn)文件cfw.c中，添加中斷初始化和禁止中斷實現(xiàn)代碼。

③在中斷處理實現(xiàn)文件armint.c的OEMInterruptHandler函數(shù)中添加ISR程序代碼，返回邏輯中斷號。代碼如下：

3.2 流式驅(qū)動的實現(xiàn)

驅(qū)動被加載后需要完成設(shè)備的初始化工作，包括地址空間申請和映射、全局變量的初始化、IST的加載等。初始化的代碼簡化如下：

需要說明的是，在本程序中使用了CEDDK中MmMapIoSpace庫函數(shù)，故另需在頭文件中添加#include和#pragma comment(lib,"ceddk.lib")。至此，g_SPIReg在其他的驅(qū)動實現(xiàn)函數(shù)中就可以調(diào)用，直接讀寫其指向的寄存器的代碼即可完成相關(guān)的操作。還需要實現(xiàn)的函數(shù)有：SPI_Deinit、SPI_Read、SPI_write、SPI_Seek、SPI_Open、 SPI_Close、SPI_IOCntrol。限于篇幅，本文僅給出驅(qū)動初始化的代碼。

3.3 驅(qū)動與應(yīng)用程序的通信設(shè)計

在Windows CE中，用戶模式下每個進程與其他進程所占有的內(nèi)存空間被虛擬內(nèi)存機制隔離，進程間無法實現(xiàn)直接互訪。在驅(qū)動程序和應(yīng)用程序通信過程中，驅(qū)動程序位于 device.exe的進程空間中，由于上述原因，驅(qū)動程序向應(yīng)用程序發(fā)起的單向通信存在困難。通常的解決方法是在內(nèi)核空間中共享同步對象，建立消息隊列或者通過指針映射來完成。上述方法都無法回避進程間的數(shù)據(jù)復(fù)制過程，因而只適用于少量的數(shù)據(jù)傳輸。對于大量的數(shù)據(jù)或者實時性要求較高的情況，可以在虛擬地址為Ox4200 0000～0x7fff ffff的空間中建立命名的內(nèi)存映射來實現(xiàn)內(nèi)存共享，從而能夠避免數(shù)據(jù)在進程空間中的復(fù)制。相關(guān)的API為CreateFileMapping和 MapView()fFile。

3.4 驅(qū)動程序的封裝和安裝

驅(qū)動接口函數(shù)編寫完后將其接口以dll的形式導(dǎo)出，再編寫一個簡單的注冊表文件，指明驅(qū)動安裝的路徑、前綴以及索引。至此驅(qū)動程序設(shè)計工作就完成了，將驅(qū)動及注冊表添加到當(dāng)前的平臺中即可。

結(jié) 語

本文詳細介紹了Platform Builder下SPI接口驅(qū)動程序設(shè)計以及驅(qū)動程序同應(yīng)用程序交互的實現(xiàn)。驅(qū)動例程已經(jīng)成功地應(yīng)用于基于nRF2401的嵌入式系統(tǒng)無線通信當(dāng)中，具有很高的參考價值。