RTOS設備驅動(dòng)向嵌人式Linux的移植

Linux暴風(fēng)雨般占領(lǐng)了嵌入式系統市場(chǎng)。分析家指出，大約有1/3到1/2的32/64位新的嵌入式系統設計采用了Linux。嵌入式Linux已經(jīng)在很多應用領(lǐng)域顯示出優(yōu)勢，比如SOHO家庭網(wǎng)絡(luò )和成像/多功能外設。在(NAS/SAN)存儲，家庭數字娛樂(lè )(HDTV/PVR/DVR/STB)，和手持設備/無(wú)線(xiàn)設備，特別是數字移動(dòng)電話(huà)更獲得大幅度發(fā)展。

嵌入式Linux新應用不會(huì )憑空從開(kāi)發(fā)者的頭腦中冒出來(lái)，大部分項目都是由成千上萬(wàn)行，甚至數百萬(wàn)行的代碼組成。成千上百的嵌入式項目已經(jīng)成功地將現有的其它平臺的代碼移植到Linux下，比如WindRiverVxWorks和pSOS，VRTX，Nucleus和其它RTOS。這些移植工作有著(zhù)重要的價(jià)值和現實(shí)意義。

到目前為止，大多數關(guān)于移植已有的RTOS應用到嵌入式Linux的文獻，關(guān)注RTOS接口（API）、任務(wù)、調度模式以及怎樣將他們映射到相應得用戶(hù)空間去。同樣重要的是，在I/O調用密集的嵌入式程序中如何將RTOS的硬件接口代碼移植到更加規范的Linux設備驅動(dòng)程序中去。

本文將概述幾種常用的經(jīng)常出現于現有嵌入式應用中的內存映射I/O方法。它們涵蓋的范圍從對中斷服務(wù)例程的特殊使用及用戶(hù)線(xiàn)程對硬件訪(fǎng)問(wèn)到出現于有些ROTS中的半規范化驅動(dòng)程序模型。這對于移植RTOS代碼到規范化的Linux設備啟動(dòng)程序具有一定啟發(fā)作用，并且介紹了一些移植方法。特別地，本文會(huì )重點(diǎn)討論RTOS和Linux中的內存映射，基于I/O調度隊列的移植，將RTOSI/O重定義到Linux下的驅動(dòng)程序和守護進(jìn)程里。

RTOSI/O概念

“不規范”是描述大多數RTOS系統I/O的最佳詞語(yǔ)。多數RTOS是針對較早的無(wú)MMU的CPU而設計，所以忽略了內存管理部分，即使當MMU問(wèn)世后也是這樣：不區分物理地址和邏輯地址。大多數RTOS還全部運行在特權模式，雖然表面上看來(lái)是增強了性能。全部的RTOS應用和系統代碼都能夠訪(fǎng)問(wèn)整個(gè)地址空間、內存映射過(guò)的設備、以及其他I/O操作。這樣，即使存在差別，也是很難把RTOS應用程序代碼同驅動(dòng)程序代碼區分開(kāi)來(lái)。

不規范的結構導致了I/O實(shí)現的特殊性。在很多情況下，缺乏設備驅動(dòng)程序模型的認同。根據這種無(wú)層次的特性，回顧一下基于RTOS軟件中使用的一些重要概念和習慣用法非常有指導意義。

內嵌的內存訪(fǎng)問(wèn)

上個(gè)世紀八十年代中期商業(yè)化的RTOS產(chǎn)品中，多數嵌入式軟件都有一個(gè)對執行時(shí)間有嚴格需求的，采用I/O查詢(xún)和中斷服務(wù)例程的大循環(huán)。開(kāi)發(fā)人員在項目采用RTOS和執行程序，主要為了加強并行性和多任務(wù)同步，繞開(kāi)其它有礙實(shí)現該目標的程序結構。這樣，即使RTOS提供了I/O調用形式化方法，嵌入式程序員繼續使用直接的I/O操作：

#defineDATA_REGISTER0xF00000F5

chargetchar(void){

return(*((char*)DATA_REGISTER));/*readfromport*/

}

voidputchar(charc){

*((char*)DATA_REGISTER)=c;/*writetoport*/

}

多數受過(guò)訓練的開(kāi)發(fā)者常會(huì )將這樣的直接I/O代碼從硬件代碼中分離開(kāi)來(lái)。但是我還是經(jīng)?？吹街T如此類(lèi)的I/O調用代碼。

當開(kāi)始使用直接內存映射I/O的時(shí)候，新接觸Linux的嵌入式開(kāi)發(fā)人員總是想把這類(lèi)代碼移到用戶(hù)空間，通過(guò)mmap()調用來(lái)替代定義寄存器地址的#define語(yǔ)句。這種處理方法對于一些原型是可以的，但不能支持中斷處理，限制了實(shí)時(shí)響應，特別不安全，不適合商業(yè)化產(chǎn)品的發(fā)布。

RTOS中斷服務(wù)例程

在Linux里，中斷服務(wù)屬于內核層;在一個(gè)RTOS里，中斷服務(wù)例程代碼沒(méi)有特殊規定且常與應用程序代碼沒(méi)什么區別（不外乎返回序列異同）。很多RTOS提供系統調用或者宏來(lái)讓代碼自己檢測它自己的切換狀態(tài)（比如WindRiverVxWorks的intContext()）。中斷服務(wù)例程通常也使用標準的庫函數，隨之而來(lái)也有可重入性和移植性等問(wèn)題。

大多數RTOS支持注冊中斷服務(wù)例程代碼、中斷判斷和中斷服務(wù)調用。一些簡(jiǎn)單的嵌入式程序，僅僅支持在硬件矢量表里插入中斷服務(wù)例程的起始地址。

如果試圖直接在用戶(hù)程序空間執行讀和寫(xiě)操作，你不得不將Linux中斷服務(wù)例程放入內核程序空間。

RTOSI/O子系統

大多數RTOS會(huì )提供一個(gè)定制的標準C運行庫(比如pSOS的pREPC)，或者修改編譯器提供商的C庫(libc)或修改glibc。在盡量最小化情況下，多數的RTOS支持標準C的I/O子集(open/close/read/write/ioctl)。大多數情況下，這些調用和從衍生出來(lái)的調用轉化為基本I/O簡(jiǎn)單封裝。有趣的是，因為大多數的RTOS不支持文件系統，這些平臺不提供針對flash和其他存儲介質(zhì)的文件存儲，常采用完全不同的代碼實(shí)現或者其他應用程序接口(API)(比如pSOS的pHILE)。

WindRiverVxWorks在這方面比其它RTOS做得好些，它提供功能豐富的I/O子集，有效廣泛集成網(wǎng)絡(luò )接口及網(wǎng)絡(luò )媒體。

延時(shí)處理

很多RTOS也支持一種叫”下半部“(bottomhalf)的機制，把I/O處理放到可中斷或者可搶占切換上下文中執行。其他RTOS提供類(lèi)似機制比如中斷嵌套來(lái)獲得同樣的效果。

典型RTOS應用的I/O架構

下面描述一個(gè)典型的I/O圖解(僅輸入)和它向主應用程序傳遞數據的路徑，處理過(guò)程如下：

·一個(gè)硬件中斷觸發(fā)一個(gè)中斷服務(wù)例程執行。

·中斷服務(wù)例程做基本處理，完成本地輸入操作，或者讓RTOS調度延時(shí)處理。在一些情況下，延時(shí)處理過(guò)程由Linux里的用戶(hù)進(jìn)程來(lái)處理，在這里就是普通的RTOS任務(wù)。

·當獲取到數據(中斷服務(wù)例程或者延時(shí)切換)，準備好的數據被放進(jìn)隊列(RTOS中斷服務(wù)例程能夠訪(fǎng)問(wèn)應用程序隊列通過(guò)應用程序接口(API)和其它進(jìn)程間通信(IPC)，請看下面的API表)。

·一個(gè)或者多個(gè)應用任務(wù)從隊列讀消息取出數據

傳統的RTOS和Linux的典型I/O比較

輸出常常由類(lèi)似的機制來(lái)完成-代替write()或者相似的系統調用，一個(gè)或者多個(gè)RTOS任務(wù)，將數據放進(jìn)隊列。隊列中的數據由以下幾種過(guò)程取出：一個(gè)I/O程序或者響應“準備好發(fā)送”中斷的中斷服務(wù)例程，一個(gè)系統時(shí)鐘，或者其它阻塞在取數據隊列中的應用任務(wù)，然后執行I/O操作(可以是輪詢(xún)，也可以是通過(guò)DMA)。