嵌入式系統開(kāi)發(fā)：驅動(dòng)程序設計的5個(gè)方法

每一個(gè)嵌入式應用軟件都會(huì )在某些時(shí)候訪(fǎng)問(wèn)最底層的固件和進(jìn)行一些硬件控制。 驅動(dòng)的設計和實(shí)施是確保一個(gè)系統能夠滿(mǎn)足其實(shí)時(shí)性要求的關(guān)鍵。以下五個(gè)竅門(mén)是每一個(gè)開(kāi)發(fā)者在設計驅動(dòng)程序時(shí)應該考慮的。

1 - 使用設計模式

設計模式是一個(gè)用來(lái)處理那些在軟件中會(huì )重復出現的問(wèn)題的解決方案。 開(kāi)發(fā)人員可以選擇浪費寶貴的時(shí)間和預算從無(wú)到有地重新發(fā)明一個(gè)解決方案，也可以從他的解決方案工具箱中選擇一個(gè)最適合解決這個(gè)問(wèn)題的方案。在微處理器出現之初，底層驅動(dòng)已經(jīng)很成熟了，那么，為什么不利用現有的成熟的解決方案呢?

驅動(dòng)程序設計模式大致分屬以下4個(gè)類(lèi)別：bit bang、輪詢(xún)、中斷驅動(dòng)和直接存儲器訪(fǎng)問(wèn)(DMA)。

Bit bang模式：當微控制器沒(méi)有內外設去執行功能的時(shí)候，或者當所有的內外設都已經(jīng)被使用了，而此時(shí)又有一個(gè)新的請求，那么開(kāi)發(fā)者就應該選擇bit bang設計模式。Bit bang模式的解決方案很有效率，但通常需要大量的軟件開(kāi)銷(xiāo)來(lái)確保其實(shí)施的能力。bit bang模式可以讓開(kāi)發(fā)者手動(dòng)完成通信協(xié)議或外部行為。

輪詢(xún)模式用于簡(jiǎn)單地監視一個(gè)輪詢(xún)調度方式中的事件。輪詢(xún)模式適用于非常簡(jiǎn)單的系統，但許多現代應用程序都需要中斷。

中斷可以讓開(kāi)發(fā)者在事件發(fā)生時(shí)進(jìn)行處理，而不用等代碼手動(dòng)檢查。

DMA(直接存儲器訪(fǎng)問(wèn))模式允許其它外圍設備來(lái)處理數據傳輸的需求，而不需要驅動(dòng)的干預。

2 - 了解實(shí)時(shí)行為

一個(gè)實(shí)時(shí)系統滿(mǎn)足是否能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)需求取決于它的驅動(dòng)程序。寫(xiě)入能力差的驅動(dòng)是低效的，并可能使不知情的開(kāi)發(fā)者放棄系統的性能。設計者需要考慮驅動(dòng)的兩個(gè)特點(diǎn)：阻塞和非阻塞。一個(gè)阻塞的驅動(dòng)程序在其完成工作之前會(huì )阻止其他任何軟件執行操作。例如，一個(gè)USART驅動(dòng)程序可以把一個(gè)字符裝入傳輸緩沖區，然后一直等到接收到傳輸結束標志符才繼續執行下一步操作。

另一方面，非阻塞驅動(dòng)則是一般利用中斷來(lái)實(shí)現它的功能。中斷的使用可以防止驅動(dòng)程序在等待一個(gè)事件發(fā)生時(shí)攔截其他軟件的執行操作。USART的驅動(dòng)程序可以將一個(gè)字符裝入傳輸緩沖區然后等主程序發(fā)布下一個(gè)指令。傳輸結束標志符的設置會(huì )導致中斷結束，讓驅動(dòng)進(jìn)行下一步操作。

無(wú)論哪種類(lèi)型，為了保持實(shí)時(shí)性能，并防止系統中的故障，開(kāi)發(fā)人員必須了解驅動(dòng)的平均執行時(shí)間和最壞情況下的執行時(shí)間。一個(gè)完整的系統可能會(huì )因為一個(gè)潛在的風(fēng)險而造成更大的安全問(wèn)題。

3 - 重用設計

在時(shí)間和預算都很緊張的情況下為什么還要再造輪子呢?在驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)中，重用、便攜性和可維護性都是驅動(dòng)設計的關(guān)鍵要求。這里面的許多特征可以通過(guò)硬件抽象層的設計和使用來(lái)說(shuō)明。

硬件抽象層(HAL)為開(kāi)發(fā)人員提供一種方式來(lái)創(chuàng )建一個(gè)標準接口去控制微控制器的外設。抽象隱藏實(shí)現細節，取而代之的是提供了可視化功能，如 Usart_Init和Usart_Transmit。這個(gè)方法就是讓任何USART、SPI、PWM或其他外設具備所有微控制器都支持的共同特點(diǎn)。 使用HAL隱藏底層、特定設備的細節，讓?xiě)贸绦蜷_(kāi)發(fā)人員專(zhuān)注于應用的需求，而不是關(guān)注底層的硬件是如何工作的。同時(shí)HAL提供了一個(gè)重用的容器。

4 -參考數據手冊… 是的，全部

微控制器在過(guò)去的幾年里變得越來(lái)越復雜。以前想要完全了解一個(gè)微控制器需要掌握由一個(gè)大約包含500頁(yè)組成的單一數據手冊。而如今，一個(gè)32位微控制器通常包含由部分的數據手冊、整個(gè)微控制器系列的資料表、每個(gè)外設數以百計的資料以及所有的勘誤表組成的數據手冊。 開(kāi)發(fā)人員如果想要完全掌握這部分的內容需要了解幾千頁(yè)的文件。

不幸的是，所有這些數據手冊都是一個(gè)驅動(dòng)程序能真正合理實(shí)現所需要的。開(kāi)發(fā)人員在一開(kāi)始就要對每個(gè)數據手冊中包含的信息進(jìn)行收集和排序。通常它們中的每一個(gè)都需要被訪(fǎng)問(wèn)以使外設啟動(dòng)和運行。 關(guān)鍵信息被分散(或隱藏)在每種類(lèi)型的數據手冊中。

5 - 謹防外設故障

最近我剛好有機會(huì )把一系列的微控制器驅動(dòng)移植到其他的微處理器上。制造商和數據手冊都表明PWM外設在這兩個(gè)系列的微控制器之間是相同的。 然而，實(shí)際情況卻是在運行PWM驅動(dòng)器的時(shí)候兩者之間有很大的不同。該驅動(dòng)程序只能在原來(lái)的微控制器工作，而在新系列的微控制器上卻無(wú)效。

在反復翻看數據手冊之后，我在數據手冊中一個(gè)完全不相關(guān)的注腳里發(fā)現了PWM外設上電時(shí)會(huì )處于故障狀態(tài)，需要將一個(gè)隱藏在寄存器中的標志位清零。

在驅動(dòng)程序實(shí)現的開(kāi)始，確認外設可能出現的故障并查看其他看似無(wú)關(guān)的寄存器錯誤。