RTOS設(shè)備驅(qū)動向嵌人式Linux的移植

Linux暴風雨般占領(lǐng)了嵌入式系統(tǒng)市場。分析家指出，大約有1/3到1/2的32/64位新的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計采用了Linux。嵌入式Linux已經(jīng)在很多應(yīng)用領(lǐng)域顯示出優(yōu)勢，比如SOHO家庭網(wǎng)絡(luò)和成像/多功能外設(shè)。在(NAS/SAN)存儲，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)字移動電話更獲得大幅度發(fā)展。

嵌入式Linux新應(yīng)用不會憑空從開發(fā)者的頭腦中冒出來，大部分項目都是由成千上萬行，甚至數(shù)百萬行的代碼組成。成千上百的嵌入式項目已經(jīng)成功地將現(xiàn)有的其它平臺的代碼移植到Linux下，比如WindRiverVxWorks和pSOS，VRTX，Nucleus和其它RTOS。這些移植工作有著重要的價值和現(xiàn)實意義。

到目前為止，大多數(shù)關(guān)于移植已有的RTOS應(yīng)用到嵌入式Linux的文獻，關(guān)注RTOS接口（API）、任務(wù)、調(diào)度模式以及怎樣將他們映射到相應(yīng)得用戶空間去。同樣重要的是，在I/O調(diào)用密集的嵌入式程序中如何將RTOS的硬件接口代碼移植到更加規(guī)范的Linux設(shè)備驅(qū)動程序中去。

本文將概述幾種常用的經(jīng)常出現(xiàn)于現(xiàn)有嵌入式應(yīng)用中的內(nèi)存映射I/O方法。它們涵蓋的范圍從對中斷服務(wù)例程的特殊使用及用戶線程對硬件訪問到出現(xiàn)于有些ROTS中的半規(guī)范化驅(qū)動程序模型。這對于移植RTOS代碼到規(guī)范化的Linux設(shè)備啟動程序具有一定啟發(fā)作用，并且介紹了一些移植方法。特別地，本文會重點討論RTOS和Linux中的內(nèi)存映射，基于I/O調(diào)度隊列的移植，將RTOSI/O重定義到Linux下的驅(qū)動程序和守護進程里。

RTOSI/O概念

“不規(guī)范”是描述大多數(shù)RTOS系統(tǒng)I/O的最佳詞語。多數(shù)RTOS是針對較早的無MMU的CPU而設(shè)計，所以忽略了內(nèi)存管理部分，即使當MMU問世后也是這樣：不區(qū)分物理地址和邏輯地址。大多數(shù)RTOS還全部運行在特權(quán)模式，雖然表面上看來是增強了性能。全部的RTOS應(yīng)用和系統(tǒng)代碼都能夠訪問整個地址空間、內(nèi)存映射過的設(shè)備、以及其他I/O操作。這樣，即使存在差別，也是很難把RTOS應(yīng)用程序代碼同驅(qū)動程序代碼區(qū)分開來。

不規(guī)范的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了I/O實現(xiàn)的特殊性。在很多情況下，缺乏設(shè)備驅(qū)動程序模型的認同。根據(jù)這種無層次的特性，回顧一下基于RTOS軟件中使用的一些重要概念和習慣用法非常有指導(dǎo)意義。

內(nèi)嵌的內(nèi)存訪問

上個世紀八十年代中期商業(yè)化的RTOS產(chǎn)品中，多數(shù)嵌入式軟件都有一個對執(zhí)行時間有嚴格需求的，采用I/O查詢和中斷服務(wù)例程的大循環(huán)。開發(fā)人員在項目采用RTOS和執(zhí)行程序，主要為了加強并行性和多任務(wù)同步，繞開其它有礙實現(xiàn)該目標的程序結(jié)構(gòu)。這樣，即使RTOS提供了I/O調(diào)用形式化方法，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)者常會將這樣的直接I/O代碼從硬件代碼中分離開來。但是我還是經(jīng)?？吹街T如此類的I/O調(diào)用代碼。

當開始使用直接內(nèi)存映射I/O的時候，新接觸Linux的嵌入式開發(fā)人員總是想把這類代碼移到用戶空間，通過mmap()調(diào)用來替代定義寄存器地址的#define語句。這種處理方法對于一些原型是可以的，但不能支持中斷處理，限制了實時響應(yīng)，特別不安全，不適合商業(yè)化產(chǎn)品的發(fā)布。

RTOS中斷服務(wù)例程

在Linux里，中斷服務(wù)屬于內(nèi)核層;在一個RTOS里，中斷服務(wù)例程代碼沒有特殊規(guī)定且常與應(yīng)用程序代碼沒什么區(qū)別（不外乎返回序列異同）。很多RTOS提供系統(tǒng)調(diào)用或者宏來讓代碼自己檢測它自己的切換狀態(tài)（比如WindRiverVxWorks的intContext()）。中斷服務(wù)例程通常也使用標準的庫函數(shù)，隨之而來也有可重入性和移植性等問題。

大多數(shù)RTOS支持注冊中斷服務(wù)例程代碼、中斷判斷和中斷服務(wù)調(diào)用。一些簡單的嵌入式程序，僅僅支持在硬件矢量表里插入中斷服務(wù)例程的起始地址。

如果試圖直接在用戶程序空間執(zhí)行讀和寫操作，你不得不將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會提供一個定制的標準C運行庫(比如pSOS的pREPC)，或者修改編譯器提供商的C庫(libc)或修改glibc。在盡量最小化情況下，多數(shù)的RTOS支持標準C的I/O子集(open/close/read/write/ioctl)。大多數(shù)情況下，這些調(diào)用和從衍生出來的調(diào)用轉(zhuǎn)化為基本I/O簡單封裝。有趣的是，因為大多數(shù)的RTOS不支持文件系統(tǒng)，這些平臺不提供針對flash和其他存儲介質(zhì)的文件存儲，常采用完全不同的代碼實現(xiàn)或者其他應(yīng)用程序接口(API)(比如pSOS的pHILE)。

WindRiverVxWorks在這方面比其它RTOS做得好些，它提供功能豐富的I/O子集，有效廣泛集成網(wǎng)絡(luò)接口及網(wǎng)絡(luò)媒體。

延時處理

很多RTOS也支持一種叫”下半部“("bottomhalf")的機制，把I/O處理放到可中斷或者可搶占切換上下文中執(zhí)行。其他RTOS提供類似機制比如中斷嵌套來獲得同樣的效果。

典型RTOS應(yīng)用的I/O架構(gòu)

下面描述一個典型的I/O圖解(僅輸入)和它向主應(yīng)用程序傳遞數(shù)據(jù)的路徑，處理過程如下：

·一個硬件中斷觸發(fā)一個中斷服務(wù)例程執(zhí)行。

·中斷服務(wù)例程做基本處理，完成本地輸入操作，或者讓RTOS調(diào)度延時處理。在一些情況下，延時處理過程由Linux里的用戶進程來處理，在這里就是普通的RTOS任務(wù)。

·當獲取到數(shù)據(jù)(中斷服務(wù)例程或者延時切換)，準備好的數(shù)據(jù)被放進隊列(RTOS中斷服務(wù)例程能夠訪問應(yīng)用程序隊列通過應(yīng)用程序接口(API)和其它進程間通信(IPC)，請看下面的API表)。

·一個或者多個應(yīng)用任務(wù)從隊列讀消息取出數(shù)據(jù)

傳統(tǒng)的RTOS和Linux的典型I/O比較

輸出常常由類似的機制來完成-代替write()或者相似的系統(tǒng)調(diào)用，一個或者多個RTOS任務(wù)，將數(shù)據(jù)放進隊列。隊列中的數(shù)據(jù)由以下幾種過程取出：一個I/O程序或者響應(yīng)“準備好發(fā)送”中斷的中斷服務(wù)例程，一個系統(tǒng)時鐘，或者其它阻塞在取數(shù)據(jù)隊列中的應(yīng)用任務(wù)，然后執(zhí)行I/O操作(可以是輪詢，也可以是通過DMA)。[!--empirenews.page--]

將RTOSI/O映射到Linux中

上面描述的基于隊列的生產(chǎn)者/消費者I/O模型，僅僅是傳統(tǒng)多種設(shè)計中所采用的特別方法的一種。讓我們繼續(xù)用這個直接的例子，來討論幾種在嵌入式Linux下的實現(xiàn)方法：

大規(guī)模移植到用戶空間

對于只是初步了解Linux設(shè)備驅(qū)動設(shè)計，或者沒有經(jīng)驗的開發(fā)者，可能將大多數(shù)這種基于隊列的程序原封不動地移植到用戶空間。在這種驅(qū)動程序映射中，內(nèi)存映射通過函數(shù)mmap()提供的指針可以在用戶空間操作物理I/O接口。

#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()*/

一個進程下的用戶線程運行類似RTOS的中斷服務(wù)例程或延時任務(wù)一樣的操作，然后使用SVR4進程間通信函數(shù)msgsnd()將消息放進隊列，等待被另一個本地線程或者另一個進程利用函數(shù)msgrcv()獲取。

這種快速缺乏技巧的處理方法是一種較好的原型，但同時給代碼模型建立帶來了巨大的挑戰(zhàn)。首先重要的是要在用戶空間掃描中斷。象DOSEMU項目提供基于信號的I/O中斷方式，但用戶空間的中斷處理過程非常慢(一般毫秒級中斷延時相較內(nèi)核中斷服務(wù)例程數(shù)十微秒中斷延時)。進一步講，即使采用可搶占Linux內(nèi)核，和實時調(diào)度策略，用戶空間的切換調(diào)度不能保證I/O線程100%的及時得到執(zhí)行。