實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks下電子盤驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)

       在某些特定的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，普通的操作系統(tǒng)并不適用，需要采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

       目前，已有許多實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)如：VxWorks、pSOS、QNX、Hard-Linux、WinCE等等，其中美國Wind River System 公司的VxWorks是公認(rèn)的性能最出色的一種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。這是一個(gè)運(yùn)行在目標(biāo)機(jī)上的高性能、可裁減的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它的軟件開發(fā)平臺(tái)是Tornado。
   

      本文以VxWorks操作系統(tǒng)為平臺(tái)，以M-System公司的DOC2000(144M)為例，說明在VxWorks下如何驅(qū)動(dòng)并使用電子盤設(shè)備。

       1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
   

       DOC 系列的電子盤采用的都是TrueFFS(True Flash File System)。TrueFFS for Tornado II是Tornado II開發(fā)環(huán)境中的一個(gè)集成的快速閃存文件系統(tǒng)，它是使用一系列的嵌入式閃存設(shè)備來實(shí)現(xiàn)快速可靠的物理存儲(chǔ)的。通過VxWorks的TrueFFS仿真DOS文件系統(tǒng)下的硬盤驅(qū)動(dòng)器，開發(fā)者可以使用標(biāo)準(zhǔn)的文件系統(tǒng)接口來產(chǎn)生和操作一個(gè)文件系統(tǒng)。這樣，在閃存設(shè)備上進(jìn)行讀寫操作就與在DOS文件系統(tǒng)設(shè)備上是一樣的了。因此，對(duì)于電子盤驅(qū)動(dòng)的介紹就需要分為上層操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)和底層的驅(qū)動(dòng)器物理結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩部分。

     1.1 VxWorks中的文件系統(tǒng)
   

       VxWorks是一種功能強(qiáng)大而且比較復(fù)雜的嵌入式操作系統(tǒng)，包括了進(jìn)程管理、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理、文件系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及系統(tǒng)應(yīng)用等幾個(gè)部分。VxWorks只占用了很小的存儲(chǔ)空間，并可高度裁減，保證了系統(tǒng)能以較高的效率運(yùn)行。
   

       VxWorks提供的快速文件系統(tǒng)適合于實(shí)時(shí)系統(tǒng)應(yīng)用。它包括幾種支持使用塊設(shè)備(如磁盤)的本地文件系統(tǒng)。這些設(shè)備都使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的接口從而使得文件系統(tǒng)能夠被靈活地在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序上移植。VxWorks也支持SCSI磁帶設(shè)備的本地文件系統(tǒng)。VxWorks支持四種文件系統(tǒng)：dosFs、rt11Fs、rawFs、tapeFs。
   

       VxWorks的I/O系統(tǒng)將普通數(shù)據(jù)文件、外部設(shè)備都統(tǒng)一作為文件處理。它們?cè)谟脩裘媲坝邢嗤恼Z法定義，使用相同的保護(hù)機(jī)制。這樣既簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)又便于用戶使用。VxWorks I/O 體系結(jié)構(gòu)甚至還支持在一個(gè)單獨(dú)的VxWorks系統(tǒng)上同時(shí)并存幾個(gè)不同的文件系統(tǒng)。VxWorks提供了一個(gè)快速靈活的與ANSI C 兼容的I/O 系統(tǒng)，包括：UNIX 標(biāo)準(zhǔn)的緩沖I/O、POSIX 標(biāo)準(zhǔn)的異步I/O。VxWorks包括以下驅(qū)動(dòng)程序：網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)、管道驅(qū)動(dòng)、RAM 盤驅(qū)動(dòng)、SCSI驅(qū)動(dòng)、鍵盤驅(qū)動(dòng)、顯示驅(qū)動(dòng)、磁盤驅(qū)動(dòng)、并口驅(qū)動(dòng)。
   

      VxWorks的所有機(jī)制和功能都是基于“C子程序”這種簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的，即：VxWorks的所有功能都是由C程序庫提供的。任何C程序都能夠從Tornado的命令和調(diào)試環(huán)境中交互式地調(diào)用；任何C程序都能夠作為VxWorks的一個(gè)任務(wù)從Tornado主機(jī)工具或者應(yīng)用程序中產(chǎn)生，而且C程序能夠與中斷、看門狗定時(shí)器或輔助定時(shí)器相連。VxWorks的這種統(tǒng)一性使Tornado成為一種有效的開發(fā)系統(tǒng)。因?yàn)橛脩舨槐卦倬帉懱厥獾拇a來與系統(tǒng)陷阱接口，也不需要進(jìn)行特殊的處理來建立一個(gè)任務(wù)，更不需要編寫特殊的用戶接口程序或交互式的測(cè)試程序來測(cè)試新代碼，用戶只要編寫子程序就能夠完成所有這些工作。
   

       VxWorks的特性為編寫應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供了極大的便利。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，無論采用哪一種方式編寫驅(qū)動(dòng)程序，需要注意的一點(diǎn)就是：其使用不能依賴于還沒有啟動(dòng)的功能模塊(例如c庫函數(shù))或者未激活的設(shè)備。

     1.2 電子盤
   

      電子盤的內(nèi)部存儲(chǔ)介質(zhì)Flash是近年來發(fā)展最快的一種存儲(chǔ)芯片，它具有EEPROM可擦寫的特點(diǎn)，又同時(shí)具有EPROM 廉價(jià)的特點(diǎn)，它是一種高性能、低功耗、電可擦除的存儲(chǔ)器件。電子盤由于上述特點(diǎn)，現(xiàn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于信息存儲(chǔ)、機(jī)頂盒、瘦客戶機(jī)、瘦主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)、以及嵌入式計(jì)算機(jī)等很多系統(tǒng)。
   

       TrueFFS是M-System 公司開發(fā)出來的可用于電子盤設(shè)備的專利技術(shù)。TrueFFS的基本功能就是磁盤仿真。它提供像DOC一樣的塊設(shè)備的接口，從而方便了操作系統(tǒng)對(duì)電子盤設(shè)備的邏輯區(qū)的讀寫。通過TrueFFS可以對(duì)電子盤進(jìn)行讀寫、分區(qū)、格式化等一系列操作。通過對(duì)操作系統(tǒng)的l/O控制的調(diào)用，就可以訪問TrueFFS的外部接口。電子盤設(shè)備的I/O控制并不局限于某一特定操作系統(tǒng)，所以可以兼容多種操作系統(tǒng)。通常，在操作系統(tǒng)下驅(qū)動(dòng)電子盤有以下兩步：

       ①調(diào)用操作系統(tǒng)的GetDriverHandle()函數(shù)得到驅(qū)動(dòng)器的句柄。它的返回值是一個(gè)能夠供I/O控制函數(shù)調(diào)用的TrueFFS驅(qū)動(dòng)的描述符。這一步依賴于操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)。

        ②調(diào)用操作系統(tǒng)中文件系統(tǒng)的IOControl()函數(shù)。它將使TrueFFS具有其它文件系統(tǒng)的特性：

      1)文件系統(tǒng)狀態(tài)。它的值可以指示操作指令是否成功的傳遞給了驅(qū)動(dòng)器或者驅(qū)動(dòng)器對(duì)于操作指令有無響應(yīng)，但它并不能確認(rèn)操作的結(jié)果或狀態(tài)。一個(gè)操作的結(jié)果或狀態(tài)是由輸入輸出控制包(IO Package)來傳遞的。它們使用的是TrueFFS的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)碼，這些狀態(tài)碼可以在IO控制的頭文件以及一些驅(qū)動(dòng)包文件中查到。

      2)文件系統(tǒng)IO控制。它可以調(diào)用文件系統(tǒng)的擴(kuò)展功能。

      3)輸入輸出請(qǐng)求包。所有的TrueFFS擴(kuò)展功能都使用下列輸入輸出請(qǐng)求包，它的定義格式如下：
typedef struct
{
FLHandle irHandle；
Unsigned irFlages；
FLSimplePath FAR1 *irPath；
Void FAR1 *irData；
Long irLength；
Long irCount；
}
       irHandle(句柄)主要用于確認(rèn)一個(gè)操作究竟應(yīng)該作用于哪一個(gè)分區(qū)。如果只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，那么就不會(huì)出現(xiàn)沖突，則句柄的值可以設(shè)置為0。驅(qū)動(dòng)器的句柄包含了物理驅(qū)動(dòng)數(shù)(LSB 0-3)和分區(qū)數(shù)(LBB 4-7)。由于Binary Partition和Disk Partition的句柄都可以從0開始。所以，Binary Partition和Disk Partition總是通過不同的句柄來訪問，以免產(chǎn)生沖突。
   

       irFlags這個(gè)變量用來標(biāo)識(shí)擴(kuò)展功能的類型。每一個(gè)擴(kuò)展功能都有一個(gè)枚舉類型的代碼標(biāo)識(shí)。
   

       irData包含了一個(gè)指向fllOctlRecond記錄的指針。fllOctlRecond記錄包含了一些擴(kuò)展功能的輸入輸出記錄的指針。
   

       DOC2000為M-System 公司DOC系列的第二代產(chǎn)品，它為32腳DIP封裝，具有體積小，封裝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，通過將DOC2000插入DOC2000插槽，可以大量減少占用的物理空間。

        如圖1所示，DOC2000由系統(tǒng)接口單元(System Interface)、系統(tǒng)引導(dǎo)模塊(Boot Block)、錯(cuò)誤檢測(cè)與更正單元(EDC/ECC)，閃存控制單元(Flash Control)以及Flash存儲(chǔ)介質(zhì)組成。其中系統(tǒng)接口單元為DOC2000提供一個(gè)類SRAM 接口，使之能通過CPU的本地總線、ISA總線、SRAM 總線、EEPROM 接口建立與操作系統(tǒng)的連接。DOC提供片選信號(hào)(CE#)、讀寫信號(hào)(WE#)、使能信號(hào)(OE#)以及13位寬的地址線(A[0:12])和8位寬的數(shù)據(jù)總線(D[0:7])。每個(gè)DOC占用系統(tǒng)8K的地址空間，通過地址窗的滑動(dòng)來訪問整個(gè)DOC空間。系統(tǒng)引導(dǎo)模塊用來響應(yīng)PC機(jī)結(jié)構(gòu)中BIOS擴(kuò)展設(shè)備的搜索。當(dāng)BIOS檢測(cè)到DOC2000為擴(kuò)展設(shè)備時(shí)，它可以執(zhí)行保存在系統(tǒng)引導(dǎo)模塊中的TrueFFS的驅(qū)動(dòng)程序，通過系統(tǒng)調(diào)用TrueFFS格式轉(zhuǎn)換軟件，系統(tǒng)可以把DOC2000映射為普通的硬盤從而方便地進(jìn)行讀寫。DOC2000的錯(cuò)誤檢測(cè)和更正模塊用來提供數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的檢測(cè)、更正以及數(shù)據(jù)保護(hù)。Flash控制模塊主要用來完成TrueFFS地址與Flash介質(zhì)地址之間的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸控制等功能。

      2 電子盤設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的基本結(jié)構(gòu)流程
   

       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。

      2.1可選加載方式
   

       可選加載方式驅(qū)動(dòng)電子盤是一種比較常用的方式。它是把驅(qū)動(dòng)程序制作成一個(gè)可獨(dú)立運(yùn)行的應(yīng)用程序，當(dāng)需要的時(shí)候可以選擇加載到用戶程序集中。利用可選加載方式驅(qū)動(dòng)電子盤的第一步是要確定電子盤所占用的系統(tǒng)地址窗的范圍。一般主機(jī)板都給出了幾個(gè)可以選擇的范圍，通過跳線可以設(shè)置電子盤的地址窗的起始、結(jié)束地址。啟動(dòng)VxWorks下TrueFFS驅(qū)動(dòng)程序，根據(jù)實(shí)際的地址將地址窗參數(shù)配置好。第二步將TrueFFS映射成DOS文件系統(tǒng)。調(diào)用tffsMakeHandle()函數(shù)得到驅(qū)動(dòng)器的描述符。將此描述符傳遞給驅(qū)動(dòng)器句柄。然后定義一個(gè)塊設(shè)備的指針用于保存一個(gè)虛擬DOS文件系統(tǒng)分區(qū)的信息。調(diào)用tffsDevCreate()函數(shù)將剛才檢測(cè)到句柄的TrueFFS驅(qū)動(dòng)器映射成DOS文件系統(tǒng)分區(qū)，并將該函數(shù)的返回值傳遞給定義好的塊設(shè)備指針。至此，就完成了TrueFFS到DOSFS的映射過程。完成DOSFS設(shè)備初始化后，在Tornado的Shell環(huán)境下運(yùn)行devs命令就可以看到tffs設(shè)備已經(jīng)在系統(tǒng)設(shè)備列表中了。第三步，讀寫電子盤上的文件。設(shè)置好要讀寫的文件的文件名、路徑。利用標(biāo)準(zhǔn)C++的文件系統(tǒng)函數(shù)就可以方便的讀寫文件了。

      2.2嵌入系統(tǒng)方式
   

       嵌入系統(tǒng)方式比可選加載方式要復(fù)雜。它將驅(qū)動(dòng)程序嵌入系統(tǒng)內(nèi)核中，這樣電子盤可以在系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)候被驅(qū)動(dòng)。這種方式主要應(yīng)用于系統(tǒng)引導(dǎo)文件放在電子盤上的情況。嵌入系統(tǒng)方式又分為X86機(jī)的嵌入方式和其它(如PowerPC，MIPs等)嵌入方式。這里以X86方式為例。
   

      第一步修改目標(biāo)BSP目錄下的config.h文件，增加電子盤設(shè)備的定義，修改引導(dǎo)設(shè)備。第二步修改系統(tǒng)BSP目錄下的bootconfig.C文件，將電子盤的驅(qū)動(dòng)程序加入。第三步修改系統(tǒng)BSP目錄下的usrconfig.h文件，調(diào)用電子盤的驅(qū)動(dòng)程序。

      3 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序示例
   

       下面給出DOC2000的可選加載方式的驅(qū)動(dòng)程序的框架代碼，嵌入系統(tǒng)方式下的DOC2000的驅(qū)動(dòng)程序涉及VxWorks系統(tǒng)內(nèi)核，這里不作詳細(xì)敘述。

       3.1定義頭文件、常量、全局變量
#include "fldrvvxw.h"
#include "dosFsLib.h"
long tfsAddresses[2]={0xd8000,0xdfff};
/*定義電子盤的地址窗范圍*/
int iSocket=0；
/*TrueFFS內(nèi)部變量*/
int iDisk=0; /*電子盤數(shù)量(1個(gè))*/
nt handle; /*驅(qū)動(dòng)器句柄*/
nt flags=0;
/*將TrueFFS仿真成DOS FAT16的格式*/
BLK_DEV * tffs_blk_dev; /*塊設(shè)備指針*/
char FilePath[50]="/tffs0/test.txt"; /*文件路徑*/
File fp; /*文件指針*/

      3.2 驅(qū)動(dòng)電子盤并將TrueFFS映射為DOSFS
DOCDriver()
{
tfsSetup(1,tfsAddresses); /*TrueFFS驅(qū)動(dòng)程序*/
handle= tfsMakeHandle(iSocket,iDisk);
/{得到驅(qū)動(dòng)器的句柄{/
tfs_ blk_dev=tfsDevCreate(handle，flags)；
/*得到仿真DOSFS的塊設(shè)備信息*/
dosFsInit (20)；
/*初始化DOSFS的參數(shù)*/
dosFsDevInit ("/tfs0/",tffs_blk_dev,NULL)； /*初始化DOSFS設(shè)備*/
taskDelay(sysClkRateGet()/2); /*系統(tǒng)延時(shí)*/
}

      3.3 電子盤文件的讀寫
FileReadWrite()
{
fp=fopen(FilePath,"r+");
…… /*相關(guān)文件操作*/
fclose(fp);
}