基于Windows CE的SPI驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

　　引 言

　　Windows CE為支持多線程、多任務(wù)、搶占式的嵌入式操作系統(tǒng)。隨著Windows CE 6.0的發(fā)布，其內(nèi)核性能的明顯提升和源代碼開放，將促使其在消費(fèi)電子、工業(yè)控制、移動(dòng)通信等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。通常Platform Builder中給出了支持多種CPU常用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，如LCD驅(qū)動(dòng)、鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)、USB驅(qū)動(dòng)、串口驅(qū)動(dòng)等;但有時(shí)由于平臺(tái)采用了其他特定的硬件設(shè)備，其驅(qū)動(dòng)程序在Platform Builder并沒有給出，這時(shí)就需要用戶針對(duì)實(shí)際的硬件自行開發(fā)，以滿足個(gè)性化的需求。本文所涉及的SPI接口驅(qū)動(dòng)就屬于此類。

　　1 SPI總線及S3C2440芯片介紹

　　串行外圍設(shè)備接口SPI(Serial Peripheral Interface)總線是Freescale公司推出的一種三線同步接口。接口采用同步串行3～4線方式進(jìn)行通信，即1條時(shí)鐘線SCK、1條數(shù)據(jù)輸入線MOSI、1條數(shù)據(jù)輸出線MISO，另外還有1條從選線NSS(可選)，用于CPU與各種外圍器件進(jìn)行全雙工、同步串行通信。SPI接口在眾多的移動(dòng)存儲(chǔ)和高速通信芯片上得到廣泛應(yīng)用。

　　根據(jù)時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位的不同，MOSI和MISO上的數(shù)據(jù)支持4種數(shù)據(jù)傳輸格式。SPI的主要特點(diǎn)為：可以同時(shí)發(fā)出和接收串行數(shù)據(jù)，可以當(dāng)作主機(jī)或從機(jī)工作，提供頻率可編程時(shí)鐘，發(fā)送結(jié)束中斷標(biāo)志，寫沖突保護(hù)和總線競(jìng)爭(zhēng)保護(hù)等。

　　S3C2440是一款基于ARM920T的16/32位RISC微處理器，主頻可達(dá)400 MHz。該芯片性價(jià)比高，功耗低，含有豐富的片內(nèi)外設(shè)，主要用于手持設(shè)備和移動(dòng)終端。S3C2440中與SPI相關(guān)的寄存器有：

　　2 Windows CE的驅(qū)動(dòng)程序

　　2.1 Windows CE下驅(qū)動(dòng)程序的基本概念和分類

　　驅(qū)動(dòng)程序是一個(gè)抽象物理設(shè)備或者虛擬設(shè)備的功能軟件，驅(qū)動(dòng)程序管理這些設(shè)備的操作并將設(shè)備的功能導(dǎo)出給操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。根據(jù)驅(qū)動(dòng)程序?qū)С鼋涌诘牟煌?，windows CE中驅(qū)動(dòng)可以分為本機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(native device driver)和流式驅(qū)動(dòng)程序(streams device driver)。本機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)適于集成到基于Windows CE平臺(tái)的設(shè)備。這些設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是一些硬件所必需的，是由原始設(shè)備制造商創(chuàng)建的，用來驅(qū)動(dòng)如鍵盤、LED、觸摸屏等。本機(jī)驅(qū)動(dòng)在編譯時(shí)被靜態(tài)鏈接到GWES，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)由GWES加載。流式驅(qū)動(dòng)程序也稱"可安裝驅(qū)動(dòng)程序"，是由設(shè)備管理器(device.exe)動(dòng)態(tài)加載用戶模式的DLL。對(duì)流式驅(qū)動(dòng)程序來說，不管需要控制的設(shè)備是什么類型，所有流式驅(qū)動(dòng)都使用相同的接口并導(dǎo)出一組相同的函數(shù)--流接口函數(shù)。流式驅(qū)動(dòng)適用任何在邏輯上可以被認(rèn)為是一個(gè)數(shù)據(jù)源或者數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的I/O設(shè)備。

　　2.2流式驅(qū)動(dòng)程序工作原理

　　在Window CES中，流式驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)將設(shè)備抽象成一個(gè)文件，應(yīng)用程序便能夠使用系統(tǒng)提供的API(ReadFile、writeFile、IOControl等)對(duì)其進(jìn)行讀寫。應(yīng)用程序使用文件API訪問設(shè)備時(shí)，請(qǐng)求經(jīng)過文件系統(tǒng)(Filesys.exe)過濾被送到device.exe;device.exe根據(jù)請(qǐng)求調(diào)相關(guān)的流式驅(qū)動(dòng)程序接口，從而完成與硬件的交互。

　　2.3 設(shè)備驅(qū)動(dòng)的中斷處理

　　在windows CE系統(tǒng)中，當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，OEM抽象層(OEM Abstraction Layer，OAL)把物理中斷信號(hào)映射成OEM定義的邏輯中斷供操作系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用。為了滿足實(shí)時(shí)性要求，系統(tǒng)將中斷處理過程分為2個(gè)階段，即處于內(nèi)核模式的中斷服務(wù)例程(Interrupt Service Routine，ISR)和處于用戶模式的中斷服務(wù)線程(Interrupt Service Thread，IST)。ISR主要負(fù)責(zé)將物理中斷映射為邏輯中斷，然后由操作系統(tǒng)根據(jù)邏輯中斷激發(fā)所關(guān)聯(lián)時(shí)間對(duì)象的內(nèi)核，使等待該事件內(nèi)核對(duì)象的線程IST開始執(zhí)行中斷處理程序。

　　具體中斷處理過程如圖1所示。中斷發(fā)生后，信號(hào)發(fā)往異常處理器，并且中斷支持處理器調(diào)用OAL函數(shù)OEMInterruptDisable關(guān)閉來自該硬件的中斷。ISR被內(nèi)核調(diào)用并返回結(jié)果，且通過內(nèi)核設(shè)置Event事件來觸發(fā)IST。IST被喚醒后調(diào)用各種I/O函數(shù)完成中斷處理并返回InterruptDone通知內(nèi)核。內(nèi)核調(diào)用OEMInterruptDone通知硬件重新開啟中斷。

　　3 SPI總線驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

　　綜上所述，SPI總線驅(qū)動(dòng)分為2部分，即處于內(nèi)核模式OAL層將物理中斷映射成邏輯中斷的ISR，以及處于用戶模式流式驅(qū)動(dòng)。其中包括執(zhí)行中斷處理線程IST。

　　3.1 初始化中斷以及ISR實(shí)現(xiàn)

　　SPI通信是通過讀寫SPI寄存器來完成的，通過讀寫上述6個(gè)SPI寄存器中的狀態(tài)字可以檢測(cè)和控制SPI總線的行為。在OAL層中需要完成的工作如下：

　?、僭谥袛囝^文件oalintr.h中添加SPI的中斷宏定義，供ISR返回調(diào)用。

　　#(define SYSINTR_SPIO (SYSINTR_FIRMWARE+22)

　　注意：定義時(shí)要使中斷號(hào)滿足該文件中MapIrq2SysIntr中所要求的范圍。WinCE4.2版本支持最大中斷數(shù)為32，WinCE5.0版支持最大中斷數(shù)為64。

　?、谠贠AL實(shí)現(xiàn)文件cfw.c中，添加中斷初始化和禁止中斷實(shí)現(xiàn)代碼。

　?、墼谥袛嗵幚韺?shí)現(xiàn)文件armint.c的OEMInterruptHandler函數(shù)中添加ISR程序代碼，返回邏輯中斷號(hào)。代碼如下：

　　3.2 流式驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

　　驅(qū)動(dòng)被加載后需要完成設(shè)備的初始化工作，包括地址空間申請(qǐng)和映射、全局變量的初始化、IST的加載等。初始化的代碼簡(jiǎn)化如下：

　　需要說明的是，在本程序中使用了CEDDK中MmMapIoSpace庫函數(shù)，故另需在頭文件中添加#include和#pragma comment(lib,"ceddk.lib")。至此，g_SPIReg在其他的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)函數(shù)中就可以調(diào)用，直接讀寫其指向的寄存器的代碼即可完成相關(guān)的操作。還需要實(shí)現(xiàn)的函數(shù)有：SPI_Deinit、SPI_Read、SPI_write、SPI_Seek、SPI_Open、SPI_Close、SPI_IOCntrol。限于篇幅，本文僅給出驅(qū)動(dòng)初始化的代碼。

　　(編者注：源代碼見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。)

　　3.3 驅(qū)動(dòng)與應(yīng)用程序的通信設(shè)計(jì)

　　在Windows CE中，用戶模式下每個(gè)進(jìn)程與其他進(jìn)程所占有的內(nèi)存空間被虛擬內(nèi)存機(jī)制隔離，進(jìn)程間無法實(shí)現(xiàn)直接互訪。在驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序通信過程中，驅(qū)動(dòng)程序位于device.exe的進(jìn)程空間中，由于上述原因，驅(qū)動(dòng)程序向應(yīng)用程序發(fā)起的單向通信存在困難。通常的解決方法是在內(nèi)核空間中共享同步對(duì)象，建立消息隊(duì)列或者通過指針映射來完成。上述方法都無法回避進(jìn)程間的數(shù)據(jù)復(fù)制過程，因而只適用于少量的數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)于大量的數(shù)據(jù)或者實(shí)時(shí)性要求較高的情況，可以在虛擬地址為Ox4200 0000～0x7fff ffff的空間中建立命名的內(nèi)存映射來實(shí)現(xiàn)內(nèi)存共享，從而能夠避免數(shù)據(jù)在進(jìn)程空間中的復(fù)制。相關(guān)的API為CreateFileMapping和MapView()fFile。

　　3.4 驅(qū)動(dòng)程序的封裝和安裝

　　驅(qū)動(dòng)接口函數(shù)編寫完后將其接口以dll的形式導(dǎo)出，再編寫一個(gè)簡(jiǎn)單的注冊(cè)表文件，指明驅(qū)動(dòng)安裝的路徑、前綴以及索引。至此驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)工作就完成了，將驅(qū)動(dòng)及注冊(cè)表添加到當(dāng)前的平臺(tái)中即可。

　　結(jié) 語

　　本文詳細(xì)介紹了Platform Builder下SPI接口驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)以及驅(qū)動(dòng)程序同應(yīng)用程序交互的實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)例程已經(jīng)成功地應(yīng)用于基于nRF2401的嵌入式系統(tǒng)無線通信當(dāng)中，具有很高的參考價(jià)值。