向嵌入式Linux移植實時設(shè)備驅(qū)動程序
Linux暴風(fēng)雨般地占領(lǐng)了嵌入式系統(tǒng)市場。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),并在以下幾方面具備巨大的跨越式發(fā)展前景:(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。
新的嵌入式Linux應(yīng)用不會象掌握在智慧和工藝之神-羅神手中那樣,會突然從開發(fā)者的頭腦中爆發(fā)出來。大量的項目必須采用數(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目已經(jīng)成功地將其它平臺的現(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)在仍然有價值和現(xiàn)實意義。
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,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,包括從對中斷服務(wù)例程的特殊使用和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。它對于移植RTOS代碼到規(guī)范化模式的Linux設(shè)備啟動程序具有啟發(fā)性,并且介紹了一些方法。特別地,本文會重點討論和比較RTOS代碼中的內(nèi)存映射,Linux基于I/O調(diào)度隊列的移植,和重新定義RTOSI/O,以便在本地Linux驅(qū)動程序和守護進程里應(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針對較早的無MMU的CPU而設(shè)計,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)運行,表面上看增強了性能。像這樣,全部的RTOS應(yīng)用和系統(tǒng)代碼都能夠訪問整個機器地址空間,內(nèi)存映射設(shè)備和I/O指令。實際上,將RTOS應(yīng)用程序代碼同驅(qū)動程序代碼區(qū)分開非常困難,即使它們是有差別的。
這個不規(guī)范的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了I/O的特殊實現(xiàn)。在很多情況下,完全缺乏對一種設(shè)備驅(qū)動程序模型的認同。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踐非常有指導(dǎo)意義。
在線內(nèi)存映射訪問
當(dāng)在上個世紀八十年代中期商業(yè)化的RTOS產(chǎn)品可以買到的時候,大多數(shù)嵌入式軟件包含巨大的主循環(huán),主循環(huán)帶有針對嚴格時間操作的注冊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)計進他們的項目,主要為了加強同時性和幫助多任務(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的時候,對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。這種處理方法對于一些種類的原型很好,但是不能支持中斷處理,限制了實時響應(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,來讓代碼自己檢測它自己的切換點(比如WindRiverVxWorks的intContext())。中斷服務(wù)例程通常也使用標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(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會提供一個定制的標(biāo)準(zhǔn)C運行庫(比如pSOS的pREPC),或者可以從獨立軟件開發(fā)商的編譯器中選擇打補丁的C庫(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和旋轉(zhuǎn)媒質(zhì)的抽象文件存儲,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。
延時處理
很多RTOS也支持一種叫”下半部“("bottomhalf")的機制,它針對可中斷和/或者可搶占切換的I/O延時處理方法。其他RTOS沒有這樣的機制,但是替代地提供類似中斷嵌套的機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:
*一個硬件中斷觸發(fā)一個中斷服務(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)度延時的處理。在一些情況下,延時處理過程由在Linux里面被叫做用戶進程來處理,在這里就是通常的RTOS任務(wù)。
*無論在何時何地獲得數(shù)據(jù)(中斷服務(wù)例程或者延時切換),準(zhǔn)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)然后從隊列讀消息,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制來完成。替代使用write()或者相似的系統(tǒng)調(diào)用,一個或者多個RTOS應(yīng)用程序任務(wù),將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)放進隊列。隊列中的數(shù)據(jù)由以下過程取出:一個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,一個系統(tǒng)時鐘,或者其它阻塞在獲取隊列中的應(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Linux
上面描述的基于隊列的生產(chǎn)/消費I/O模型,僅僅是很多種在傳統(tǒng)設(shè)計中所采用的特別方法之一。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):
大規(guī)模移植到用戶空間
對于勉強了解Linux設(shè)備驅(qū)動設(shè)計細節(jié),或者非常匆忙的開發(fā)者,可能將大多數(shù)這樣基于隊列設(shè)計程序完整無缺地移植到用戶空間。在這種驅(qū)動程序映射配置中,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()*/
一個基于進程的用戶線程進行與基于RTOS的中斷服務(wù)例程或者延時任務(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()來獲取。這種快速”臟的”處理方法是好的原型,同時對于建立可發(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)項目提供基于信號的帶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(毫秒量級中斷延時,所替代的基于內(nèi)核的中斷服務(wù)例程中斷延時為數(shù)十微秒)。更進一步講,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%的及時執(zhí)行,即使采用可搶占Linux內(nèi)核和實時調(diào)度策略。