淺析μC/OS-Ⅱ設備驅動(dòng)的設計與實(shí)現

設備驅動(dòng)程序是任何操作系統的必不可少的、最保密的一個(gè)組成部分，它們實(shí)現了計算機系統所有附屬設備的一個(gè)標準接口，它包含與硬件直接相關(guān)的設備驅動(dòng)。從廣義上說(shuō)，“驅動(dòng)程序”是指一些函數的集合，這些函數都能對硬件設備進(jìn)行操作。本文簡(jiǎn)單分析了μC/OS-Ⅱ下設備驅動(dòng)的設計與實(shí)現。

設備驅動(dòng)程序是任何操作系統的必不可少的、最保密的一個(gè)組成部分，它們實(shí)現了計算機系統所有附屬設備的一個(gè)標準接口，它包含與硬件直接相關(guān)的設備驅動(dòng)。從廣義上說(shuō)，“驅動(dòng)程序”是指一些函數的集合，這些函數都能對硬件設備進(jìn)行操作。驅動(dòng)程序的概念在沒(méi)有固定的操作系統的時(shí)候，是一個(gè)比較模糊的定義。簡(jiǎn)單地理解就是提供了一個(gè)軟件到硬件(也可以是虛擬硬件)操作的函數。通常主要應該包括：設備初始化、設備的讀寫(xiě)(輸入輸出)、設備的控制等信息。在μC/OS-Ⅱ下沒(méi)有統一的設備驅動(dòng)接口——不像windows或者linux下通過(guò)設備文件的定義模式，所以，把一些對硬件操作是通過(guò)一般的函數來(lái)完成的，叫成“驅動(dòng)程序”也不為過(guò)。

1. 簡(jiǎn)介

外設驅動(dòng)程序是實(shí)時(shí)內核和硬件之間的接口，是連接底層硬件和內核的紐帶。

編寫(xiě)驅動(dòng)程序模塊應滿(mǎn)足以下主要功能：

① 對設備初始化;

② 把數據從內核傳送到硬件和從硬件讀取數據;

③ 讀取應用程序傳送給設備的數據和回送應用程序請求的數據;

④ 監測和處理設備出現的異常。由于在μC/OS-Ⅱ下沒(méi)有統一的設備驅動(dòng)接口，在該操作系統中設備驅動(dòng)的設計和實(shí)現主要是通過(guò)一些對硬件操作的函數來(lái)完成。

2. μC/OS-Ⅱ操作系統啟動(dòng)過(guò)程中的硬件初始化

基于μC/OS-II的應用系統工作時(shí)，首先把CPU初始化;接著(zhù)進(jìn)行操作系統初始化，主要完成任務(wù)控制塊(TCB)初始化、TCB優(yōu)先級表初始化、空任務(wù)的創(chuàng )建等;然后開(kāi)始創(chuàng )建新任務(wù)，并可在新創(chuàng )建的任務(wù)中再創(chuàng )建其他的新任務(wù);最后調用OSSTART()函數啟動(dòng)多任務(wù)調度。

當μC/OS-Ⅱ實(shí)際移植到具體的硬件平臺中時(shí)，系統初始化時(shí)還要進(jìn)行硬件的初始化。主函數是系統啟動(dòng)首先執行的一個(gè)函數，在啟動(dòng)μC/OS—Ⅱ之前，要屏蔽所有中斷，并對全局變量初始化，防止運行出錯。硬件初始化主要包括中斷初始化，串口、鍵盤(pán)、顯示等設備初始化。μC/OS—Ⅱ的初始化通過(guò)調用OSInit()函數，為OS分配任務(wù)隊列、優(yōu)先級狀態(tài)表和準備狀態(tài)表，初始化全局變量，并且創(chuàng )建一個(gè)空循環(huán)任務(wù)。接下來(lái)，在啟動(dòng)μC/OS—Ⅱ前調用OSTaskCreate()創(chuàng )建所有用戶(hù)任務(wù)，并置準備態(tài)，創(chuàng )建任務(wù)時(shí)，要指定每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級、堆棧大小和位置、任務(wù)函數入口。調用OS2Start()啟動(dòng)μC/OS—Ⅱ。從就緒隊列中找到優(yōu)先級最高的任務(wù)，作為當前任務(wù)執行。流程如圖所示。

3. μC/OS-Ⅱ操作系統對硬件的操作和控制

3.1 函數控制硬件

前面已經(jīng)提到過(guò)，不像其他的操作系統，在μC/OS—Ⅱ中沒(méi)有統一的設備驅動(dòng)接口，因此對硬件的操作和控制可以通過(guò)函數來(lái)完成。在啟動(dòng)過(guò)程中完成硬件初始化后，系統創(chuàng )建一個(gè)空循環(huán)任務(wù)，然后就可以調用OSTaskCreate()創(chuàng )建用戶(hù)任務(wù)，在任務(wù)用戶(hù)任務(wù)中選擇要控制的硬件，選擇最佳的控制方法，調用用戶(hù)自己編寫(xiě)的函數來(lái)完成。

圖 系統啟動(dòng)流程

3.2 BSP

BSP(板級支持包)是介于底層硬件和操作系統之間的軟件層次，它完成系統上電后最初的硬件和軟件初始化，并對底層硬件進(jìn)行封裝，使得操作系統不再面對具體的操作。

為μC/OS-Ⅱ編寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的 BSP。它首先設置CPU內部寄存器和系統堆棧，并初始化堆棧指針，建立程序的運行和調用環(huán)境;然后可以方便地使用C語(yǔ)言設置硬件的配置環(huán)境，并編制相應的操作函數，為操作系統調用提供統一的接口;在CPU、板級和程序自身初始化完成后，就可以把CPU的控制權交給操作系統了。

4. 實(shí)際應用舉例

既然在μC/OS-Ⅱ下沒(méi)有統一的設備驅動(dòng)接口，系統對硬件的控制是通過(guò)一些對硬件操作的函數來(lái)完成的。下面以在μC/OS-Ⅱ實(shí)時(shí)內核下驅動(dòng)程序讀取A/D的三種方法，分析在實(shí)際的工程實(shí)踐中μC/OS-Ⅱ設備驅動(dòng)的設計和實(shí)現，以及在設計過(guò)程中應注意的一些問(wèn)題。

以一個(gè)單片機數據采集系統為例，硬件環(huán)境基于C8051F015單片機。A/D轉換是單片機數據采集系統的重要組成部分，實(shí)時(shí)內核下A/D驅動(dòng)程序的實(shí)現過(guò)程主要取決于A(yíng)/D轉換器的轉換時(shí)間。我們首先比較和分析μC/OS-Ⅱ下A/D采樣數據的三種方法;其次介紹C8051F015單片機A/D模數轉換器的配置及特點(diǎn);最后，在μC/OS-II內核移植到8位單片機C8051F015的基礎上，介紹編寫(xiě)A/D驅動(dòng)程序的一般思路和方法。

4.1 μC/OS-II實(shí)時(shí)內核下的A/D讀取方法

實(shí)時(shí)內核下，驅動(dòng)程序采用什么方法讀取A/D采樣數據是首先考慮的問(wèn)題。許多因素將影響讀取A/D，如A/D的轉換時(shí)間、模擬值的轉換頻率、輸入通道數等，但最主要的是取決于A(yíng)/D的轉換時(shí)間。典型的A/D轉換電路由模擬多路復用器(M U X)、放大器和模數轉換器(ADC)三部分組成。下面描述讀取A/D的三種方法。

圖1所示的是第1種讀取方法。假設A/D 轉換器的轉換時(shí)間較慢(5ms以上)，應用程序調用圖1所示的驅動(dòng)程序，并傳遞要讀取的通道。驅動(dòng)程序通過(guò)M U X選擇要讀取的模擬通道(①)開(kāi)始讀。轉換前，延時(shí)幾μs以便使信號通過(guò)M U X傳遞，并使之穩定下來(lái)。接著(zhù)，ADC被觸發(fā)開(kāi)始轉換(②)。然后驅動(dòng)程序延時(shí)一段時(shí)間以完成轉換(③)。延時(shí)時(shí)間必須比ADC轉換時(shí)間長(cháng)。最后驅動(dòng)程序讀取ADC轉換結果(④)，并將轉換結果返回到應用程序(⑤)。

圖2所示的是第2種讀取方法。當模擬轉換完成后，ADC產(chǎn)生的一個(gè)中斷信號。若ADC轉換完成，ISR給信號量發(fā)一個(gè)信號(⑤)，通知驅動(dòng)程序，ADC已經(jīng)完成轉換。如果ADC在規定的時(shí)限內沒(méi)有完成轉換，信號量超時(shí)(③)，則驅動(dòng)程序不再等待下去。驅動(dòng)程序和中斷服務(wù)子程序(ISR)的偽代碼如下：