向嵌入式Linux移植實(shí)時(shí)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

Linux暴風(fēng)雨般地占領(lǐng)了嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)。根據(jù)工業(yè)分析家分析，大約1/3到1/2的新的32位和64位嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了Linux。嵌入式Linux已經(jīng)在很多應(yīng)用領(lǐng)域顯示出優(yōu)勢(shì)，比如SOHO家庭網(wǎng)絡(luò)和成像/多功能外設(shè)，并在以下幾方面具備巨大的跨越式發(fā)展前景：(NAS/SAN)存儲(chǔ)，家庭數(shù)字娛樂(HDTV/PVR/DVR/STB)和手持設(shè)備/無線設(shè)備，特別是數(shù)字移動(dòng)電話。

新的嵌入式Linux應(yīng)用不會(huì)象掌握在智慧和工藝之神-羅神手中那樣，會(huì)突然從開發(fā)者的頭腦中爆發(fā)出來。大量的項(xiàng)目必須采用數(shù)千行的，甚至數(shù)百萬行的過去的現(xiàn)成代碼。成百上千的嵌入式項(xiàng)目已經(jīng)成功地將其它平臺(tái)的現(xiàn)成代碼移植到Linux之上，比如WindRiverVxWorks和pSOS，VRTX，Nucleus和其它RTOS，這些移植工作現(xiàn)在仍然有價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

到目前為止，大多數(shù)的關(guān)于移植舊的RTOS應(yīng)用到嵌入式Linux的文獻(xiàn)，已經(jīng)在關(guān)注RTOS接口（API），任務(wù)，調(diào)度模式和怎樣將他們映射到相應(yīng)的用戶空間去。在嵌入式程序的密集I/O空間中，同樣重要的是，將RTOS的應(yīng)用硬件接口代碼向具有更加規(guī)范化模式的Linux設(shè)備啟動(dòng)程序的移植。

本文將縱覽幾種常用的內(nèi)存映射I/O方法，它們經(jīng)常出現(xiàn)于舊的嵌入式應(yīng)用中。它們涵蓋的范圍，包括從對(duì)中斷服務(wù)例程的特殊使用和用戶線程對(duì)硬件訪問，到出現(xiàn)于有些ROTS中的半規(guī)范化驅(qū)動(dòng)程序模型。它對(duì)于移植RTOS代碼到規(guī)范化模式的Linux設(shè)備啟動(dòng)程序具有啟發(fā)性，并且介紹了一些方法。特別地，本文會(huì)重點(diǎn)討論和比較RTOS代碼中的內(nèi)存映射，Linux基于I/O調(diào)度隊(duì)列的移植，和重新定義RTOSI/O，以便在本地Linux驅(qū)動(dòng)程序和守護(hù)進(jìn)程里應(yīng)用。

RTOSI/O概念

“不規(guī)范”是能夠描述大多數(shù)在基于RTOS系統(tǒng)里的I/O的最佳詞語。大多數(shù)RTOS針對(duì)較早的無MMU的CPU而設(shè)計(jì)，忽略了內(nèi)存管理，即使當(dāng)MMU問世也是這樣，不區(qū)分物理地址和邏輯地址。大多數(shù)RTOS還全部在特權(quán)態(tài)（系統(tǒng)模式）運(yùn)行，表面上看增強(qiáng)了性能。像這樣，全部的RTOS應(yīng)用和系統(tǒng)代碼都能夠訪問整個(gè)機(jī)器地址空間，內(nèi)存映射設(shè)備和I/O指令。實(shí)際上，將RTOS應(yīng)用程序代碼同驅(qū)動(dòng)程序代碼區(qū)分開非常困難，即使它們是有差別的。

這個(gè)不規(guī)范的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了I/O的特殊實(shí)現(xiàn)。在很多情況下，完全缺乏對(duì)一種設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序模型的認(rèn)同。根據(jù)這種工作的平等和沒有分層的特性，回顧在基于RTOS軟件中使用的一些重要概念和實(shí)踐非常有指導(dǎo)意義。

在線內(nèi)存映射訪問

當(dāng)在上個(gè)世紀(jì)八十年代中期商業(yè)化的RTOS產(chǎn)品可以買到的時(shí)候，大多數(shù)嵌入式軟件包含巨大的主循環(huán)，主循環(huán)帶有針對(duì)嚴(yán)格時(shí)間操作的注冊(cè)I/O和中斷服務(wù)例程。開發(fā)人員將RTOS和執(zhí)行程序設(shè)計(jì)進(jìn)他們的項(xiàng)目，主要為了加強(qiáng)同時(shí)性和幫助多任務(wù)同步，但是避開其它任何有“妨礙“的構(gòu)造。同樣地，即使一個(gè)RTOS提供了I/O調(diào)用形式方法，嵌入式程序員繼續(xù)使用直接的I/O操作：

#defineDATA_REGISTER0xF00000F5

chargetchar(void){

return(*((char*)DATA_REGISTER));/*readfromport*/

}

voidputchar(charc){

*((char*)DATA_REGISTER)=c;/*writetoport*/

}

多數(shù)受過訓(xùn)練的開發(fā)者常常將這樣的直接I/O代碼從硬件代碼獨(dú)立分離開。但是我還曾遇見大量的意大利面條式的I/O處理代碼。

當(dāng)普遍深入使用直接內(nèi)存映射I/O的時(shí)候，對(duì)Linux開始接觸的嵌入式開發(fā)人員總是面臨將所有的這類代碼移植到用戶空間，將定義寄存器地址的#define語句轉(zhuǎn)換成mmap()調(diào)用。這種處理方法對(duì)于一些種類的原型很好，但是不能支持中斷處理，限制了實(shí)時(shí)響應(yīng)，特別不安全，不適合作為商業(yè)發(fā)布。

RTOS中斷服務(wù)例程

在Linux中，中斷服務(wù)專屬于內(nèi)核的范圍。在一個(gè)RTOS中，中斷服務(wù)例程代碼是自由形態(tài)而且與應(yīng)用程序代碼沒有區(qū)別（不外乎返回序列）。很多RTOS提供系統(tǒng)調(diào)用或者宏，來讓代碼自己檢測(cè)它自己的切換點(diǎn)（比如WindRiverVxWorks的intContext()）。中斷服務(wù)例程通常也使用標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)，伴隨著可重入性和可移植性問題。大多數(shù)RTOS支持注冊(cè)中斷服務(wù)例程代碼，中斷仲裁句柄和中斷服務(wù)例程調(diào)度。一些非常原始的嵌入式執(zhí)行程序，僅僅支持在硬件矢量表里插入中斷服務(wù)例程的開始地址。即使你試圖直接在用戶程序空間執(zhí)行讀和寫的操作，你不得不將你的Linux中斷服務(wù)例程放入內(nèi)核程序空間。

RTOSI/O子系統(tǒng)

大多數(shù)RTOS會(huì)提供一個(gè)定制的標(biāo)準(zhǔn)C運(yùn)行庫(kù)(比如pSOS的pREPC)，或者可以從獨(dú)立軟件開發(fā)商的編譯器中選擇打補(bǔ)丁的C庫(kù)(libc)同樣可以得到glibc。這樣，在最小化情況下，多數(shù)的RTOS支持標(biāo)準(zhǔn)C類型I/O的一個(gè)子集(open/close/read/write/ioctl)。大多數(shù)情況下，這些調(diào)用和從他們衍生出來的調(diào)用可以轉(zhuǎn)化為圍繞基本I/O的非常薄的封裝程序。有趣的是，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的？RTOS不支持文件系統(tǒng)，這些平臺(tái)不提供針對(duì)flash和旋轉(zhuǎn)媒質(zhì)的抽象文件存儲(chǔ)，常常使用完全不同的代碼和/或者不同的應(yīng)用程序接口(API)(比如pSOS的pHILE)。

WindRiverVxWorks在這方面比其它多數(shù)RTOS平臺(tái)做的較好些，提供功能豐富的I/O子集，主要克服了網(wǎng)絡(luò)接口/多媒體接口里的集成和廣泛化障礙。

延時(shí)處理

很多RTOS也支持一種叫”下半部“("bottomhalf")的機(jī)制，它針對(duì)可中斷和/或者可搶占切換的I/O延時(shí)處理方法。其他RTOS沒有這樣的機(jī)制，但是替代地提供類似中斷嵌套的機(jī)制來獲得同樣的效果。

典型RTOS應(yīng)用I/O架構(gòu)

下面描述一個(gè)典型的I/O配置(僅僅輸入)和它向主要應(yīng)用程序傳遞數(shù)據(jù)的路徑處理過程依次如下：

*一個(gè)硬件中斷觸發(fā)一個(gè)中斷服務(wù)例程的執(zhí)行。

*中斷服務(wù)例程做基本的處理和完成本地的輸入操作，或者讓RTOS調(diào)度延時(shí)的處理。在一些情況下，延時(shí)處理過程由在Linux里面被叫做用戶進(jìn)程來處理，在這里就是通常的RTOS任務(wù)。

*無論在何時(shí)何地獲得數(shù)據(jù)(中斷服務(wù)例程或者延時(shí)切換)，準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)被放進(jìn)隊(duì)列(RTOS中斷服務(wù)例程能夠訪問應(yīng)用程序隊(duì)列通過應(yīng)用程序接口(API)和其它進(jìn)程間通信(？IPC)，請(qǐng)看下面的API表)。

*一個(gè)或者多個(gè)應(yīng)用任務(wù)然后從隊(duì)列讀消息，來取出數(shù)據(jù)。

在傳統(tǒng)的RTOS和Linux之間的典型I/O的比較輸出常常由類似的機(jī)制來完成。替代使用write()或者相似的系統(tǒng)調(diào)用，一個(gè)或者多個(gè)RTOS應(yīng)用程序任務(wù)，將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)放進(jìn)隊(duì)列。隊(duì)列中的數(shù)據(jù)由以下過程取出：一個(gè)I/O程序或者響應(yīng)”準(zhǔn)備好發(fā)送”中斷的中斷服務(wù)例程，一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘，或者其它阻塞在獲取隊(duì)列中的應(yīng)用任務(wù)，然后直接執(zhí)行I/O操作(可以是輪詢，也可以是通過DMA)。

將RTOSI/O映射進(jìn)Linux

上面描述的基于隊(duì)列的生產(chǎn)/消費(fèi)I/O模型，僅僅是很多種在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中所采用的特別方法之一。讓我們繼續(xù)用這個(gè)直接的例子，來討論幾種在嵌入式Linux下的實(shí)現(xiàn)：

大規(guī)模移植到用戶空間

對(duì)于勉強(qiáng)了解Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，或者非常匆忙的開發(fā)者，可能將大多數(shù)這樣基于隊(duì)列設(shè)計(jì)程序完整無缺地移植到用戶空間。在這種驅(qū)動(dòng)程序映射配置中，內(nèi)存映射的物理I/O口通過函數(shù)mmap()提供的指針可以在用戶空間操作。

#include

#defineREG_SIZE0x4/*deviceregistersize*/

#defineREG_OFFSET0xFA400000

/*physicaladdressofdevice*/

void*mem_ptr;/*de-referenceformemory-mappedaccess*/

intfd;

fd=open("/dev/mem"，O_RDWR);/*openphysicalmemory(mustberoot)*/

mem_ptr=mmap((void*)0x0，REG_AREA_SIZE，PROT_READ+PROT_WRITE，

MAP_SHARED，fd，REG_OFFSET);

/*actualcalltommap()*/

一個(gè)基于進(jìn)程的用戶線程進(jìn)行與基于RTOS的中斷服務(wù)例程或者延時(shí)任務(wù)一樣的操作，然后使用SVR4進(jìn)程間通信函數(shù)msgsnd()將消息放進(jìn)隊(duì)列，等待被另一個(gè)本地線程或者另一個(gè)進(jìn)程利用函數(shù)msgrcv()來獲取。這種快速”臟的”處理方法是好的原型，同時(shí)對(duì)于建立可發(fā)布型代碼帶來了巨大的挑戰(zhàn)。首先重要的是需要在用戶空間掃描中斷。象DOS仿真(DOSEMU)項(xiàng)目提供基于信號(hào)的帶SIG(Silly中斷發(fā)生器)中斷I/O，但是用戶空間的中斷處理過程非常慢(毫秒量級(jí)中斷延時(shí)，所替代的基于內(nèi)核的中斷服務(wù)例程中斷延時(shí)為數(shù)十微秒)。更進(jìn)一步講，在用戶空間的切換調(diào)度不能保證用戶空間的I/O線程100%的及時(shí)執(zhí)行，即使采用可搶占Linux內(nèi)核和實(shí)時(shí)調(diào)度策略。