設(shè)計(jì)嵌入式驅(qū)動(dòng)程序有什么竅門

每一個(gè)嵌入式應(yīng)用軟件都會(huì)在某些時(shí)候訪問最底層的固件和進(jìn)行一些硬件控制。 驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施是確保一個(gè)系統(tǒng)能夠滿足其實(shí)時(shí)性要求的關(guān)鍵。以下五個(gè)竅門是每一個(gè)開發(fā)者在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)應(yīng)該考慮的。

1.使用設(shè)計(jì)模式

設(shè)計(jì)模式是一個(gè)用來處理那些在軟件中會(huì)重復(fù)出現(xiàn)的問題的解決方案。 開發(fā)人員可以選擇浪費(fèi)寶貴的時(shí)間和預(yù)算從無到有地重新發(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)問題的方案。在微處理器出現(xiàn)之初，底層驅(qū)動(dòng)已經(jīng)很成熟了，那么，為什么不利用現(xiàn)有的成熟的解決方案呢?

驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)模式大致分屬以下4個(gè)類別：Bit bang、輪詢、中斷驅(qū)動(dòng)和直接存儲(chǔ)器訪問(DMA)。

Bit bang模式：當(dāng)微控制器沒有內(nèi)外設(shè)去執(zhí)行功能的時(shí)候，或者當(dāng)所有的內(nèi)外設(shè)都已經(jīng)被使用了，而此時(shí)又有一個(gè)新的請(qǐng)求，那么開發(fā)者就應(yīng)該選擇Bit bang設(shè)計(jì)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銷來確保其實(shí)施的能力。Bit bang模式可以讓開發(fā)者手動(dòng)完成通信協(xié)議或外部行為。

輪詢模式用于簡(jiǎn)單地監(jiān)視一個(gè)輪詢調(diào)度方式中的事件。輪詢模式適用于非常簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，但許多現(xiàn)代應(yīng)用程序都需要中斷。

中斷可以讓開發(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(chǔ)器訪問)模式允許其它外圍設(shè)備來處理數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，而不需要?qū)動(dòng)的干預(yù)。

2.了解實(shí)時(shí)行為

一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)是否能滿足實(shí)時(shí)需求取決于它的驅(qū)動(dòng)程序。寫入能力差的驅(qū)動(dòng)是低效的，并可能使不知情的開發(fā)者放棄系統(tǒng)的性能。設(shè)計(jì)者需要考慮驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)特點(diǎn)：阻塞和非阻塞。一個(gè)阻塞的驅(qū)動(dòng)程序在其完成工作之前會(huì)阻止其他任何軟件執(zhí)行操作。例如，一個(gè)USART驅(qū)動(dòng)程序可以把一個(gè)字符裝入傳輸緩沖區(qū)，然后一直等到接收到傳輸結(jié)束標(biāo)志符才繼續(xù)執(zhí)行下一步操作。

另一方面，非阻塞驅(qū)動(dòng)則是一般利用中斷來實(shí)現(xiàn)它的功能。中斷的使用可以防止驅(qū)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(zhí)行操作。USART的驅(qū)動(dòng)程序可以將一個(gè)字符裝入傳輸緩沖區(qū)然后等主程序發(fā)布下一個(gè)指令。傳輸結(jié)束標(biāo)志符的設(shè)置會(huì)導(dǎo)致中斷結(jié)束，讓驅(qū)動(dòng)進(jìn)行下一步操作。

無論哪種類型，為了保持實(shí)時(shí)性能，并防止系統(tǒng)中的故障，開發(fā)人員必須了解驅(qū)動(dòng)的平均執(zhí)行時(shí)間和最壞情況下的執(zhí)行時(shí)間。一個(gè)完整的系統(tǒng)可能會(huì)因?yàn)橐粋€(gè)潛在的風(fēng)險(xiǎn)而造成更大的安全問題。

3. 重用設(shè)計(jì)

在時(shí)間和預(yù)算都很緊張的情況下為什么還要再造輪子呢?在驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)中，重用、便攜性和可維護(hù)性都是驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要求。這里面的許多特征可以通過硬件抽象層的設(shè)計(jì)和使用來說明。

硬件抽象層(HAL)為開發(fā)人員提供一種方式來創(chuàng)建一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口去控制微控制器的外設(shè)。抽象隱藏實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，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(shè)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(shè)備的細(xì)節(jié)，讓應(yīng)用程序開發(fā)人員專注于應(yīng)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(shù)據(jù)手冊(cè)

微控制器在過去的幾年里變得越來越復(fù)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(shù)據(jù)手冊(cè)。而如今，一個(gè)32位微控制器通常包含由部分的數(shù)據(jù)手冊(cè)、整個(gè)微控制器系列的資料表、每個(gè)外設(shè)數(shù)以百計(jì)的資料以及所有的勘誤表組成的數(shù)據(jù)手冊(cè)。 開發(fā)人員如果想要完全掌握這部分的內(nèi)容需要了解幾千頁(yè)的文件。

不幸的是，所有這些數(shù)據(jù)手冊(cè)都是一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序能真正合理實(shí)現(xiàn)所需要的。開發(fā)人員在一開始就要對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)手冊(cè)中包含的信息進(jìn)行收集和排序。通常它們中的每一個(gè)都需要被訪問以使外設(shè)啟動(dòng)和運(yùn)行。 關(guān)鍵信息被分散(或隱藏)在每種類型的數(shù)據(jù)手冊(cè)中。

5.謹(jǐn)防外設(shè)故障

最近我剛好有機(jī)會(huì)把一系列的微控制器驅(qū)動(dòng)移植到其他的微處理器上。制造商和數(shù)據(jù)手冊(cè)都表明PWM外設(shè)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(yùn)行PWM驅(qū)動(dòng)器的時(shí)候兩者之間有很大的不同。該驅(qū)動(dòng)程序只能在原來的微控制器工作，而在新系列的微控制器上卻無效。

在反復(fù)翻看數(shù)據(jù)手冊(cè)之后，我在數(shù)據(jù)手冊(cè)中一個(gè)完全不相關(guān)的注腳里發(fā)現(xiàn)了PWM外設(shè)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(biāo)志位清零。在驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)的開始，確認(rèn)外設(shè)可能出現(xiàn)的故障并查看其他看似無關(guān)的寄存器錯(cuò)誤。