μC/OS-II下通用驅(qū)動(dòng)框架的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：在μC/OS-II下，設(shè)計(jì)了一個(gè)通用的設(shè)備管理模型，稱為通用驅(qū)動(dòng)框架，通過該驅(qū)動(dòng)框架，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件設(shè)備的統(tǒng)一、一致的管理，同時(shí)，也為上層應(yīng)用程序提供了統(tǒng)一、一致的設(shè)備訪問接口，并在以ARM7TDMI-S為核心的LPC2210微控制器開發(fā)板上給出了一例實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng);μC/OS-II;通用驅(qū)動(dòng)框架;驅(qū)動(dòng)程序

1、概述

在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中使用嵌入式操作系統(tǒng)可以提高應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)效率和提升嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性，因此，在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中使用嵌入式操作系統(tǒng)將成為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主流^[1]。μC/OS-II是由美國(guó)學(xué)者Labrosse設(shè)計(jì)的一個(gè)優(yōu)秀的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)^[2]，它是一個(gè)源碼公開、可移植、可固化、可裁剪、占先式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

μC/OS-II提供了操作系統(tǒng)必須具備的基本功能，包括：任務(wù)管理、信號(hào)量管理、郵箱管理、消息隊(duì)列管理、事件管理、時(shí)間管理、內(nèi)存管理，但它不提供設(shè)備管理和文件系統(tǒng)管理，已有研究者對(duì)μC/OS-II進(jìn)行了文件子系統(tǒng)功能擴(kuò)展^[3]。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的有效管理也是一個(gè)非常重要的任務(wù)，因此，需要對(duì)μC/OS-II進(jìn)行擴(kuò)展，以實(shí)現(xiàn)這一功能。本文為μC/OS-II設(shè)計(jì)了一個(gè)對(duì)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理的通用驅(qū)動(dòng)框架，在此框架下，可以屏蔽系統(tǒng)硬件的差異，在無約束地發(fā)揮硬件能力的前提下，為上層應(yīng)用提供了統(tǒng)一、一致的調(diào)用接口API，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的有效管理。

2、μC/OS-II下通用驅(qū)動(dòng)框架的基本模型

為了給上層應(yīng)用提供統(tǒng)一、一致的系統(tǒng)設(shè)備調(diào)用接口，需要對(duì)上層應(yīng)用程序?qū)ο到y(tǒng)設(shè)備的訪問操作進(jìn)行抽象，在這方面，Unix系統(tǒng)和Linux系統(tǒng)做得比較成功^[4][5]。本文借鑒了Unix及Linux系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)考慮到嵌入式操作系統(tǒng)的特殊性，為μC/OS-II建立了如圖1所示的通用驅(qū)動(dòng)框架模型。在圖1所示的通用驅(qū)動(dòng)框架模型中，共包括三個(gè)層次：

（1）上層訪問抽象接口層：在這一層，通過對(duì)設(shè)備訪問操作的抽象，為上層應(yīng)用提供了5個(gè)訪問接口API：UDFOpen、UDFRead、UDFWrite、UDFIoctrl、UDFClose，分別用于打開設(shè)備、讀設(shè)備、寫設(shè)備、設(shè)備控制和關(guān)閉設(shè)備。

（圖1 通用驅(qū)動(dòng)框架模型）

（2）設(shè)備管理核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)層：這是通用驅(qū)動(dòng)框架的核心，在這一層，為系統(tǒng)中的每個(gè)硬件設(shè)備分配唯一的設(shè)備名，上層應(yīng)用程序通過將設(shè)備名作為參數(shù)傳遞給UDFOpen函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)設(shè)備的核心管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定位尋址，通過尋址，UDFOpen函數(shù)得到相應(yīng)設(shè)備的核心管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并定位到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊，獲得相應(yīng)硬件設(shè)備的操作函數(shù)表，再通過上層訪問抽象接口層的其他接口函數(shù)UDFRead、UDFWrite、UDFIoctrl和UDFClose實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的統(tǒng)一訪問控制。

（3）硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊層：這一層是硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊功能的實(shí)現(xiàn)層，對(duì)各個(gè)硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)在相應(yīng)的硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊中完成。各個(gè)硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊，原則上需要實(shí)現(xiàn)如下幾個(gè)函數(shù)：devOpen、devRead、devWrite、devIoctrl和 devClose分別完成相應(yīng)設(shè)備的打開、讀、寫、控制和關(guān)閉，當(dāng)然，可以根據(jù)具體設(shè)備的特性，只實(shí)現(xiàn)5個(gè)驅(qū)動(dòng)函數(shù)的其中一部分，例如，如果某設(shè)備不支持寫操作，那么就不用實(shí)現(xiàn)devWrite函數(shù)。

下面，對(duì)該模型的工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)單描述：首先，在上層應(yīng)用程序可以訪問硬件設(shè)備之前，需要首先打開欲操作的設(shè)備，這可以通過調(diào)用“上層訪問抽象接口層”的UDFOpen函數(shù)實(shí)現(xiàn)。上層應(yīng)用程序?qū)⒂蜷_的設(shè)備的設(shè)備名傳遞給UDFOpen函數(shù)，UDFOpen函數(shù)通過該設(shè)備名從“設(shè)備管理核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”中得到相應(yīng)設(shè)備的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而得到相應(yīng)設(shè)備的操作函數(shù)表，并調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊的devOpen函數(shù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化，當(dāng)完成相應(yīng)設(shè)備的初始化后，UDFOpen函數(shù)返回給上層應(yīng)用程序一個(gè)句柄，這個(gè)句柄是上層應(yīng)用程序進(jìn)行后續(xù)設(shè)備操作的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在假設(shè)上層應(yīng)用程序需要從設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)，這是通過調(diào)用“上層訪問抽象接口層”的UDFRead函數(shù)完成的：上層應(yīng)用程序?qū)DFOpen函數(shù)返回的設(shè)備句柄和相關(guān)的讀取參數(shù)傳遞給UDFRead函數(shù)，UDFRead函數(shù)通過該句柄從“設(shè)備管理核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”中得到相應(yīng)設(shè)備的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而得到相應(yīng)設(shè)備的操作函數(shù)表，并調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊的devRead函數(shù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行讀取操作，當(dāng)完成讀取操作后，將讀取到的數(shù)據(jù)返回給上層應(yīng)用程序。其它的操作如UDFWrite、UDFIoctrl和UDFClose是類似的。

3、μC/OS-II下通用驅(qū)動(dòng)框架的實(shí)現(xiàn)

3.1 實(shí)現(xiàn)環(huán)境

本文在以下的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了所設(shè)計(jì)的通用驅(qū)動(dòng)框架：開發(fā)工具采用ARM公司的ADS 1.2，目標(biāo)板采用周立功公司開發(fā)設(shè)計(jì)的以LPC2210為微控制器的SmartARM2210開發(fā)板^[6]。LPC2210是一顆以ARM7TDMI-S為核心的微控制器，支持8位、16位、32位總線，具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，其中就包括兩個(gè)具有16Bytes FIFO的UART接口和高速I²C接口。開發(fā)主機(jī)通過EasyJTAG連接目標(biāo)板以建立交叉開發(fā)調(diào)試環(huán)境。

3.2 設(shè)備管理核心設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

如上文所述：通用驅(qū)動(dòng)框架以“設(shè)備管理核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”為核心，它在模型中起著承上啟下的作用。設(shè)備管理核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)：UDFFramework和UDFOperations，定義如下：

typedef struct {

INT8U deviceName[UDF_MAX_NAME]; //設(shè)備名

INT8U deviceType; //1―塊設(shè)備, 2―字符設(shè)備;

INT8U canShared; //0---不可共享使用, 1―可共享使用

INT16U openCount; //對(duì)于共享設(shè)備，此字段為打開次數(shù)計(jì)數(shù);

UDFOperations op; //設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊提供的設(shè)備操作函數(shù)表；

} UDFFramework;

該結(jié)構(gòu)描述了系統(tǒng)設(shè)備的特性，包括：設(shè)備名、設(shè)備類型、共享設(shè)備的打開計(jì)數(shù)、設(shè)備操作函數(shù)表等，通過建立UDFFramework結(jié)構(gòu)的一個(gè)數(shù)組來描述系統(tǒng)中的所有設(shè)備，并通過設(shè)備名字段deviceName實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備操作函數(shù)表UDFOperations結(jié)構(gòu)的尋地定位。UDFOperations結(jié)構(gòu)定義如下：

typedef struct {

INT32S (*devOpen)(void *pd);

INT32S (*devRead)(INT8S *buffer, INT32U blen, INT32U lenToRead, INT8U waitType);

INT32S (*devWrite)(INT8S *buffer, INT32U lenToWrite, INT8U waitType);

INT32S (*devIoctl)(INT32U too, void *pd);

INT32S (*devClose)(void *pd);

} UDFOperations;

該結(jié)構(gòu)定義了相應(yīng)設(shè)備的操作函數(shù)表，具體的操作函數(shù)的實(shí)現(xiàn)在相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊中提供，通過使用通用驅(qū)動(dòng)框架的設(shè)備驅(qū)動(dòng)安裝函數(shù)可以將設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊安裝到UDFFramework結(jié)構(gòu)中。

3.3 上層訪問抽象接口層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

基于設(shè)備管理核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，上層訪問抽象接口層為上層應(yīng)用提供了5個(gè)API函數(shù)：UDFOpen、UDFRead、UDFWrite、UDFIoctrl、UDFClose。本文以UDFOpen和UDFRead為例說明這些API函數(shù)的實(shí)現(xiàn)邏輯。UDFOpen函數(shù)的實(shí)現(xiàn)邏輯如下：

INT32S UDFOpen(char *deviceName, void *pd)

{

在UDFFramework結(jié)構(gòu)數(shù)組中查找名為deviceName的設(shè)備；

if (找到名為deviceName的設(shè)備) {

if (設(shè)備已被其它應(yīng)用打開) {

if (設(shè)備不可共享)

返回出錯(cuò)信息并返回；

else

將設(shè)備的打開計(jì)數(shù)器openCount加1

}

else {

從UDFFramework結(jié)構(gòu)中得到該設(shè)備的UDFOperations結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)并調(diào)用該設(shè)備的devOpen函數(shù)初始化該設(shè)備；

將UDFFramework結(jié)構(gòu)的數(shù)組下標(biāo)作為句柄handle返回給上層應(yīng)用程序；

}

}

else {

提示設(shè)備驅(qū)動(dòng)未安裝并返回；

}

}

UDFRead函數(shù)的實(shí)現(xiàn)邏輯如下：

INT32S UDFRead(INT32U handle, INT8S *buffer, INT32U blen, INT32U lenToRead, INT8U waitType)

{

判斷參數(shù)handle句柄是否合法；

if (handle合法)

return UDFF[handle].op.devRead(buffer, blen, lenToRead, waitType);

else

返回出錯(cuò)信息并返回；

}

3.4 硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本文在該通用驅(qū)動(dòng)框架下實(shí)現(xiàn)了UART0設(shè)備和I²C接口設(shè)備CAT1025JI-30的E²PROM設(shè)備的驅(qū)動(dòng)模塊。LPC2210的UART0設(shè)備滿足16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，具有16Bytes的接收FIFO和16Bytes的發(fā)送FIFO，本文采用中斷方式接收數(shù)據(jù)、查詢方式發(fā)送數(shù)據(jù)，按照通用驅(qū)動(dòng)框架設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)要求，為UART0實(shí)現(xiàn)了以下驅(qū)動(dòng)函數(shù)：UART0Open、UART0Read、UART0Write、UART0Ioctrl、UART0Close，并通過通用驅(qū)動(dòng)框架的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序安裝函數(shù)InstallDriver將UART0驅(qū)動(dòng)模塊安裝到UDFFramework結(jié)構(gòu)數(shù)組中。對(duì)CAT1025JI-30設(shè)備的驅(qū)動(dòng)模塊的實(shí)現(xiàn)是類似的。

4、結(jié)束語

本文在μC/OS-II下設(shè)計(jì)了一個(gè)通用驅(qū)動(dòng)框架模型以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)備的統(tǒng)一、一致的管理，并在以ARM7TDMI-S為核心、以LPC2210為微控制器的開發(fā)板上進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，結(jié)果表明，該框架實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單但效率和可靠性方面都有比較好的表現(xiàn)。同時(shí)，雖然該框架是在LPC2210開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)的，但代碼是用ANSI C編寫的，可以較容易地移植到其它類型的目標(biāo)板上。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：在μC/OS-II下，提出并設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單但是高效的通用驅(qū)動(dòng)框架，它一方面擴(kuò)展了μC/OS-II的功能，另一方面在該通用驅(qū)動(dòng)框架的管理下，可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)備的統(tǒng)一管理，并為上層應(yīng)用提供了統(tǒng)一、一致的調(diào)用接口，方便了上層應(yīng)用對(duì)硬件設(shè)備的訪問控制。

參考文獻(xiàn)

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