vxworks嵌入式操作系統串行設備驅動(dòng)程序的編寫(xiě)

摘要：目前，基于嵌入式操作系統的軟件開(kāi)發(fā)是國內外研究的熱點(diǎn)，vxworks嵌入式操作系統又是目前最流行的嵌入式操作系統之一。本文的目的在于通過(guò)分析vxworks操作系統下串行通信設備驅動(dòng)程序的運行機制，提出在此操作系統下開(kāi)發(fā)串行設備驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)的基本思路。

1. 概 述

我們在基于vxworks嵌入式操作系統開(kāi)發(fā)產(chǎn)品時(shí)，經(jīng)常會(huì )根據自行設計的硬件電路開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的驅動(dòng)程序。Vxworks下的驅動(dòng)程序根據設備的不同特性,，大體可分為：char driver、serial driver、block driver、end driver、scsi driver等類(lèi)型，其中以char driver最簡(jiǎn)單，最基礎，以serial driver最常用。掌握驅動(dòng)程序的基本工作流程，無(wú)論對我們開(kāi)發(fā)上層的應用還是自己編寫(xiě)相應的驅動(dòng)程序，都很有幫助。本文主要以i8250串口驅動(dòng)程序為例，介紹一下串行驅動(dòng)程序編寫(xiě)的基本思路。

驅動(dòng)程序，簡(jiǎn)而言之就是對具體的硬件設備進(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/輸出設備都看成是一個(gè)文件，我們對設備的輸入/輸出操作，都可以看作是對指定文件的讀寫(xiě)操作。例如，我們用c 標準庫函數open()打開(kāi)一個(gè)文件，可以是打開(kāi)一個(gè)傳統意義上的文本文件，也可以是指定一個(gè)輸入/輸出設備，如指定對某一個(gè)串口的輸入/輸出操作。在vxworks操作系統中，驅動(dòng)程序的主要作用是完成對相關(guān)設備的讀、寫(xiě)、打開(kāi)、建立、關(guān)閉及控制等功能中的一項或幾項，具體情況視具體的設備及設計要求而定。

概括的說(shuō)，驅動(dòng)程序主要完成以下幾項工作：

(1)相關(guān)設備的初始化。

(2)底層輸入/輸出函數與上層標準輸入/輸出函數的掛接。

(3)相關(guān)設備與對應驅動(dòng)程序的掛接。

我們就按照這個(gè)思路，以I8250串口為例，分析一下串行設備驅動(dòng)程序的編寫(xiě)及加載流程。首先，給出串行設備驅動(dòng)的結構框圖：

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

(1)處理I/O系統的各種需求，如在driver talbe 中添加相應的驅動(dòng)條目、創(chuàng )建設備標識符(devise descriptor)。

(2)實(shí)現與上層標準I/O函數及實(shí)際驅動(dòng)程序的無(wú)縫連接。其中，ttyDrv完成open和ioctl兩項功能(ttyopen()和ttyioctl())。Tylib完成read和write兩項功能(tyRead()和tyWrite())。

(3)管理輸入/輸出數據緩沖區。

下面，我們結合圖(一)給出的框圖，以i8250為例，開(kāi)始分析串行設備驅動(dòng)的設計流程。用戶(hù)在編寫(xiě)自己的驅動(dòng)程序時(shí)，可以不按照系統函數命名的方法命名，也可以不按照系統給定的方法進(jìn)行函數功能的劃分，但其初始化及實(shí)現流程卻不能改變。

2. 驅動(dòng)程序設計流程分析

⑴ i8250相關(guān)硬件設備的初始化。

編寫(xiě)驅動(dòng)程序的第一步是完成相關(guān)硬件的初始化。與I8250相關(guān)的硬件初始化函數主要有以下三個(gè)：sysSerialHwInit()、i8250HrdInit()、i8250InitChannel()，其調用順序是：sysSerialHwInit()ài8250HrdInit()ài8250InitChannel()，這條工作鏈的主要作用是，完成對I8250_CHAN數據結構的初始化。

下面對分別這幾個(gè)函數的功能介紹一下：

l

sysSerialHwInit()

本函數完成的主要任務(wù)是初始化設備的中斷向量、串口的通信模式及相關(guān)存貯器，在函數的最后調用i8250HrdInit()對I8250_CHAN結構進(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，此函數向指定的I/O地址寫(xiě)入1bye*/

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

i8250HrdInit(i8250Chan[i]);/*調用i8250HrdInit()進(jìn)一步完成初始化*/

}

}

l i8250HrdInit()

本函數完成的主要工作是掛接相應的入口函數，具體說(shuō)明如下：

void i8250HrdInit

(

I8250_CHAN * pChan /* 指向相應設備的指針*/

)

{

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*/

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

啟用此函數用于打開(kāi)中斷，使設備開(kāi)始工作*/

i8250SioDrvFuncs.callbackInstall = i8250CallbackInstall;/*安裝上層提供的回調函數，

本例中是安裝的tyIRd()、tyITx()*/

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

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

}

pChan->pDrvFuncs = i8250SioDrvFuncs;/*初始化CHAN結構，掛接接口函數列表*/

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

}

由上面掛接的函數可以看出，i8250驅動(dòng)主要實(shí)現了三個(gè)功能：read、write、ioctl，而并沒(méi)有實(shí)現所有和七項功能。同時(shí)，值的注意的是，對同一種設備的驅動(dòng)只需掛接一次。

同時(shí)ttyDrv通過(guò)SIO_DRV_FUNCS使用xxDrv(i8250Drv)提供的服務(wù)，而xxDrv通過(guò)回調函數(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*

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

…………………………………

intUnlock (oldLevel); /*開(kāi)中斷響應，出臨界區*/

}

⑵ 掛接中斷服務(wù)程序

對i8250的硬件初始化完成后，接著(zhù)掛接相關(guān)的中斷服務(wù)程序。主要有sysSerialHwinit2()函數完成。需要注意的是，掛接中斷應放在系統初始化的最后，主要是因為中斷掛接函數intCONnect()需要調用malloc()函數，如果在系統的內存分配還未初始化前調用，則會(huì )出錯。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為中斷向量。i8250Int是指向輸入/輸出中斷處理函數的指針。描述相應硬件的結構i8250Chan為函數i8250int()的入口參數。

至此，設備硬件的初始化、相關(guān)的低層函數的掛接、中斷初始化基本完成。開(kāi)始進(jìn)行下一步，將設備的驅動(dòng)函數安裝在Driver Table 中。

⑶ 與上層標準輸入/輸出函數的掛接

在此處I/O系統通過(guò)調用ttyDrv()(在沒(méi)有定義INCLUDE_TYCODRV_5_2的情況下)將相應驅動(dòng)函數添加到Driver Table中，從而完成與上層標準輸入/輸出函數的掛接。

由上圖知，iosDrvInstall()函數在Driver Table中掛接的函數是tyWrite()和tyRead()，而不是我們實(shí)際編寫(xiě)的輸入/輸出函數。其具體的調用過(guò)程是：

① 當用戶(hù)調用write函數進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，根據相應的fd調用在Driver Table中注冊的函數tyWrite()，此函數的作用是將用戶(hù)緩沖區的內容寫(xiě)入相應的輸出ring buffer，當發(fā)現緩沖區內有內容時(shí)，開(kāi)始調用回調函數tyITX()，從ring buffer讀取字符，由I8250Startup()啟動(dòng)中斷輸出，最后由設備的輸出中斷服務(wù)程序(在本例中調用的是sysOutbyte())將字符發(fā)往指定的串口。

② 當串口接收到數據時(shí)會(huì )調用輸入中斷服務(wù)程序(在本例中是sysInbyte())，將輸入的字符寫(xiě)入指定的緩沖區。然后由回調函數tyIRd()將緩沖區的內容讀入ring buffer，當用戶(hù)調用read函數進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，會(huì )根據相應的fd調用在Driver Table中注冊的函數tyRead(),此函數會(huì )將ring buffer中的內容讀入用戶(hù)緩沖區。

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

對于輸入/輸出控制函數ioctl()的掛接，則是直接將命令傳到由用戶(hù)編寫(xiě)的i8250ioctl()函數，其具體的實(shí)現代碼與驅動(dòng)的設計思路無(wú)緊密的聯(lián)系，本文也不做具體分析。

⑷ 具體設備與相關(guān)驅動(dòng)的掛接

當Driver Table中相應的驅動(dòng)函數掛接完成，開(kāi)始編寫(xiě)驅動(dòng)程序的最后一步：在Device Table中加入設備，完成具體設備與相關(guān)驅動(dòng)的掛接。此項工作是由ttyDevCreat()函數完成的。本函數主要實(shí)現以下功能：

① 分配并初始化一個(gè)device descriptor。

② 通過(guò)調用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)函數的信號量、初始化selectLib。

③ 調用iosDevAdd()將串口設備加入Device Table。對于設備特性的描述信息是由sysSerialChanGet()函數得到，并以參數形式傳入的。

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

⑤ 開(kāi)中斷，設備開(kāi)始以中斷方式工作。

至此，驅動(dòng)程序的分析全部完成。與掛接驅動(dòng)函數不同，在安裝設備的過(guò)程中，無(wú)論設備相同與否，有幾個(gè)設備則上述過(guò)程需調用幾次。以上各函數的加載主要在usrinit()函數中完成。

3. 結束語(yǔ)

需要說(shuō)明的是，在VxWorks下，設備驅動(dòng)程序既可以嵌入內核隨系統一起啟動(dòng)，也可以作為可加載模塊在系統啟動(dòng)之后運行。相比之下，后一種方式比較簡(jiǎn)單，不用修改系統內核，引入錯誤的可能性小。但是無(wú)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(méi)有按照系統的調用過(guò)程進(jìn)行一步步分析，主要基于上述考慮。用戶(hù)在編寫(xiě)相關(guān)驅動(dòng)程序時(shí)，中心任務(wù)是按步驟完成上述功能，而沒(méi)有必要去死搬系統的加載步驟。