vxworks嵌入式操作系統(tǒng)串行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫

摘要：目前，基于嵌入式操作系統(tǒng)的軟件開發(fā)是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，vxworks嵌入式操作系統(tǒng)又是目前最流行的嵌入式操作系統(tǒng)之一。本文的目的在于通過分析vxworks操作系統(tǒng)下串行通信設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的運(yùn)行機(jī)制，提出在此操作系統(tǒng)下開發(fā)串行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)的基本思路。

1. 概 述

我們在基于vxworks嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)產(chǎn)品時(shí)，經(jīng)常會根據(jù)自行設(shè)計(jì)的硬件電路開發(fā)專用的驅(qū)動(dòng)程序。Vxworks下的驅(qū)動(dòng)程序根據(jù)設(shè)備的不同特性,，大體可分為：char driver、serial driver、block driver、end driver、scsi driver等類型，其中以char driver最簡單，最基礎(chǔ)，以serial driver最常用。掌握驅(qū)動(dòng)程序的基本工作流程，無論對我們開發(fā)上層的應(yīng)用還是自己編寫相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，都很有幫助。本文主要以i8250串口驅(qū)動(dòng)程序?yàn)槔榻B一下串行驅(qū)動(dòng)程序編寫的基本思路。

驅(qū)動(dòng)程序，簡而言之就是對具體的硬件設(shè)備進(jìn)行管理和服務(wù)的程序。為了提高代碼的可移植性，vxworks將所有的輸入/輸出設(shè)備都看成是一個(gè)文件，我們對設(shè)備的輸入/輸出操作，都可以看作是對指定文件的讀寫操作。例如，我們用c 標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)open()打開一個(gè)文件，可以是打開一個(gè)傳統(tǒng)意義上的文本文件，也可以是指定一個(gè)輸入/輸出設(shè)備，如指定對某一個(gè)串口的輸入/輸出操作。在vxworks操作系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)程序的主要作用是完成對相關(guān)設(shè)備的讀、寫、打開、建立、關(guān)閉及控制等功能中的一項(xiàng)或幾項(xiàng)，具體情況視具體的設(shè)備及設(shè)計(jì)要求而定。

概括的說，驅(qū)動(dòng)程序主要完成以下幾項(xiàng)工作：

(1)相關(guān)設(shè)備的初始化。

(2)底層輸入/輸出函數(shù)與上層標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出函數(shù)的掛接。

(3)相關(guān)設(shè)備與對應(yīng)驅(qū)動(dòng)程序的掛接。

我們就按照這個(gè)思路，以I8250串口為例，分析一下串行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫及加載流程。首先，給出串行設(shè)備驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)框圖：

 

 

需要說明的是，ttyDrv是一個(gè)虛擬的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，與tylib一起，用于處理I/O系統(tǒng)與底層實(shí)際設(shè)備之間的通信。主要完成以下工作：

(1)處理I/O系統(tǒng)的各種需求，如在driver talbe 中添加相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)條目、創(chuàng)建設(shè)備標(biāo)識符(devise descriptor)。

(2)實(shí)現(xiàn)與上層標(biāo)準(zhǔn)I/O函數(shù)及實(shí)際驅(qū)動(dòng)程序的無縫連接。其中，ttyDrv完成open和ioctl兩項(xiàng)功能(ttyopen()和ttyioctl())。Tylib完成read和write兩項(xiàng)功能(tyRead()和tyWrite())。

(3)管理輸入/輸出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

下面，我們結(jié)合圖(一)給出的框圖，以i8250為例，開始分析串行設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)流程。用戶在編寫自己的驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，可以不按照系統(tǒng)函數(shù)命名的方法命名，也可以不按照系統(tǒng)給定的方法進(jìn)行函數(shù)功能的劃分，但其初始化及實(shí)現(xiàn)流程卻不能改變。

2. 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)流程分析

⑴ i8250相關(guān)硬件設(shè)備的初始化。

編寫驅(qū)動(dòng)程序的第一步是完成相關(guān)硬件的初始化。與I8250相關(guān)的硬件初始化函數(shù)主要有以下三個(gè)：sysSerialHwInit()、i8250HrdInit()、i8250InitChannel()，其調(diào)用順序是：sysSerialHwInit()ài8250HrdInit()ài8250InitChannel()，這條工作鏈的主要作用是，完成對I8250_CHAN數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的初始化。

下面對分別這幾個(gè)函數(shù)的功能介紹一下：

l

sysSerialHwInit()

本函數(shù)完成的主要任務(wù)是初始化設(shè)備的中斷向量、串口的通信模式及相關(guān)存貯器，在函數(shù)的最后調(diào)用i8250HrdInit()對I8250_CHAN結(jié)構(gòu)進(jìn)一步初始化。

void sysSerialHwInit (void)

{

int i;

for (i=0;i

{

i8250Chan[i].int_vec = devParas[i].vector; /*初始化中斷向量*/

i8250Chan[i].channelMode = 0; /*初始化SIO_MODE 可以是INT或POLL*/

i8250Chan[i].lcr = UART_REG(UART_LCR,i); /*初始化line control register*/

………………………

i8250Chan[i].outByte = sysOutByte; /*掛接輸出函數(shù)，此函數(shù)向指定的I/O地址寫入1bye*/

i8250Chan[i].inByte = sysInByte; /*掛接輸出函數(shù)，此函數(shù)從指定的I/O地址讀出1byte*/

i8250HrdInit(&i8250Chan[i]);/*調(diào)用i8250HrdInit()進(jìn)一步完成初始化*/

}

}

l i8250HrdInit()

本函數(shù)完成的主要工作是掛接相應(yīng)的入口函數(shù)，具體說明如下：

void i8250HrdInit

(

I8250_CHAN * pChan /* 指向相應(yīng)設(shè)備的指針*/

)

{

if (i8250SioDrvFuncs.ioctl == NULL)

{

i8250SioDrvFuncs.ioctl = (int (*)())i8250Ioctl;/*掛接用于處理控制I8250相關(guān)輸入

輸出命令的函數(shù)*/

i8250SioDrvFuncs.txStartup = (int (*)())i8250Startup;/*如果設(shè)備工作于中斷模式下，

啟用此函數(shù)用于打開中斷，使設(shè)備開始工作*/

i8250SioDrvFuncs.callbackInstall = i8250CallbackInstall;/*安裝上層提供的回調(diào)函數(shù)，

本例中是安裝的tyIRd()、tyITx()*/

i8250SioDrvFuncs.pollInput = (int (*)())i8250PRxChar;/*掛接輸入輪詢函數(shù)*/

i8250SioDrvFuncs.pollOutput = (int (*)(SIO_CHAN *,char))i8250PTxChar;/*掛接輸出輪詢函數(shù)*/

}

pChan->pDrvFuncs = &i8250SioDrvFuncs;/*初始化CHAN結(jié)構(gòu)，掛接接口函數(shù)列表*/

i8250InitChannel(pChan); /* reset the channel */

}

由上面掛接的函數(shù)可以看出，i8250驅(qū)動(dòng)主要實(shí)現(xiàn)了三個(gè)功能：read、write、ioctl，而并沒有實(shí)現(xiàn)所有和七項(xiàng)功能。同時(shí)，值的注意的是，對同一種設(shè)備的驅(qū)動(dòng)只需掛接一次。

同時(shí)ttyDrv通過SIO_DRV_FUNCS使用xxDrv(i8250Drv)提供的服務(wù)，而xxDrv通過回調(diào)函數(shù)(本例中是由i8250CallbackInstall()安裝的tyIRd()、tyITx())完成ttyDrv提出的請求。原理如下圖示：

 

 

i8250InitChannel()

本函數(shù)的主要作用是初始化特定的CHAN所描述的信道。具體分析如下。

static void i8250InitChannel

(

I8250_CHAN * pChan /* pointer to device */

)

{

int oldLevel;

ldLevel = intLock (); /*關(guān)中斷進(jìn)入臨界區(qū)*

(void) i8250BaudSet(pChan, I8250_DEFAULT_BAUD);/*設(shè)置信道的波特率*/

…………………………………

intUnlock (oldLevel); /*開中斷響應(yīng)，出臨界區(qū)*/

}

⑵ 掛接中斷服務(wù)程序

對i8250的硬件初始化完成后，接著掛接相關(guān)的中斷服務(wù)程序。主要有sysSerialHwinit2()函數(shù)完成。需要注意的是，掛接中斷應(yīng)放在系統(tǒng)初始化的最后，主要是因?yàn)橹袛鄴旖雍瘮?shù)intCONnect()需要調(diào)用malloc()函數(shù)，如果在系統(tǒng)的內(nèi)存分配還未初始化前調(diào)用，則會出錯(cuò)。下面請看源代碼：

void sysSerialHwInit2 (void)

{

int i;

for (i=0;i

if (i8250Chan[i].int_vec)

{

(void) intConnect (INUM_TO_IVEC (i8250Chan[i].int_vec), i8250Int, (int)&i8250Chan[i] );

sysIntEnablePIC (devParas[i].intLevel);

}

}

其中，宏INUM_TO_IVEC的作用是把中斷號轉(zhuǎn)為中斷向量。i8250Int是指向輸入/輸出中斷處理函數(shù)的指針。描述相應(yīng)硬件的結(jié)構(gòu)i8250Chan為函數(shù)i8250int()的入口參數(shù)。

至此，設(shè)備硬件的初始化、相關(guān)的低層函數(shù)的掛接、中斷初始化基本完成。開始進(jìn)行下一步，將設(shè)備的驅(qū)動(dòng)函數(shù)安裝在Driver Table 中。

⑶ 與上層標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出函數(shù)的掛接

在此處I/O系統(tǒng)通過調(diào)用ttyDrv()(在沒有定義INCLUDE_TYCODRV_5_2的情況下)將相應(yīng)驅(qū)動(dòng)函數(shù)添加到Driver Table中，從而完成與上層標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出函數(shù)的掛接。

 

 

由上圖知，iosDrvInstall()函數(shù)在Driver Table中掛接的函數(shù)是tyWrite()和tyRead()，而不是我們實(shí)際編寫的輸入/輸出函數(shù)。其具體的調(diào)用過程是：

① 當(dāng)用戶調(diào)用write函數(shù)進(jìn)行寫操作時(shí)，根據(jù)相應(yīng)的fd調(diào)用在Driver Table中注冊的函數(shù)tyWrite()，此函數(shù)的作用是將用戶緩沖區(qū)的內(nèi)容寫入相應(yīng)的輸出ring buffer，當(dāng)發(fā)現(xiàn)緩沖區(qū)內(nèi)有內(nèi)容時(shí)，開始調(diào)用回調(diào)函數(shù)tyITX()，從ring buffer讀取字符，由I8250Startup()啟動(dòng)中斷輸出，最后由設(shè)備的輸出中斷服務(wù)程序(在本例中調(diào)用的是sysOutbyte())將字符發(fā)往指定的串口。

② 當(dāng)串口接收到數(shù)據(jù)時(shí)會調(diào)用輸入中斷服務(wù)程序(在本例中是sysInbyte())，將輸入的字符寫入指定的緩沖區(qū)。然后由回調(diào)函數(shù)tyIRd()將緩沖區(qū)的內(nèi)容讀入ring buffer，當(dāng)用戶調(diào)用read函數(shù)進(jìn)行寫操作時(shí)，會根據(jù)相應(yīng)的fd調(diào)用在Driver Table中注冊的函數(shù)tyRead(),此函數(shù)會將ring buffer中的內(nèi)容讀入用戶緩沖區(qū)。

關(guān)于具體的中斷輸入/輸出函數(shù)如何調(diào)用，本文不做詳細(xì)分析，請參閱i8250int()及i8250Startup()。

對于輸入/輸出控制函數(shù)ioctl()的掛接，則是直接將命令傳到由用戶編寫的i8250ioctl()函數(shù)，其具體的實(shí)現(xiàn)代碼與驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)思路無緊密的聯(lián)系，本文也不做具體分析。

⑷ 具體設(shè)備與相關(guān)驅(qū)動(dòng)的掛接

當(dāng)Driver Table中相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)掛接完成，開始編寫驅(qū)動(dòng)程序的最后一步：在Device Table中加入設(shè)備，完成具體設(shè)備與相關(guān)驅(qū)動(dòng)的掛接。此項(xiàng)工作是由ttyDevCreat()函數(shù)完成的。本函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

① 分配并初始化一個(gè)device descriptor。

② 通過調(diào)用tyDevInit()初始化tyLib。此處主要完成輸入/輸出ring buffer的創(chuàng)建、建立用與相關(guān)函數(shù)的信號量、初始化selectLib。

③ 調(diào)用iosDevAdd()將串口設(shè)備加入Device Table。對于設(shè)備特性的描述信息是由sysSerialChanGet()函數(shù)得到，并以參數(shù)形式傳入的。

④ 為底層設(shè)備安裝回調(diào)函數(shù)，在本例中是為i8250CHAN 安裝tyIRd()、tyITx()兩處回調(diào)函數(shù)。

⑤ 開中斷，設(shè)備開始以中斷方式工作。

至此，驅(qū)動(dòng)程序的分析全部完成。與掛接驅(qū)動(dòng)函數(shù)不同，在安裝設(shè)備的過程中，無論設(shè)備相同與否，有幾個(gè)設(shè)備則上述過程需調(diào)用幾次。以上各函數(shù)的加載主要在usrinit()函數(shù)中完成。

3. 結(jié)束語

需要說明的是，在VxWorks下，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序既可以嵌入內(nèi)核隨系統(tǒng)一起啟動(dòng)，也可以作為可加載模塊在系統(tǒng)啟動(dòng)之后運(yùn)行。相比之下，后一種方式比較簡單，不用修改系統(tǒng)內(nèi)核，引入錯(cuò)誤的可能性小。但是無論采取哪種方式，其基本思路及需要完成的工作是相同的。本文沒有按照系統(tǒng)的調(diào)用過程進(jìn)行一步步分析，主要基于上述考慮。用戶在編寫相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，中心任務(wù)是按步驟完成上述功能，而沒有必要去死搬系統(tǒng)的加載步驟。