基于實時操作系統(tǒng)QNX4.25進(jìn)行設(shè)備驅(qū)動程序的編寫研究

介紹實時操作系統(tǒng)QNX4.25下編寫設(shè)備驅(qū)動程序的大體框架、底層細(xì)節(jié)以及諸多注意點。針對使用較為普遍的PCI設(shè)備作為較為詳細(xì)的描述。

QNX是一個多任務(wù)、多用戶、分布式、可嵌入式符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)的微內(nèi)核的主流實時操作系統(tǒng)，廣泛用于實時性能、開發(fā)靈活性、網(wǎng)絡(luò)靈活性要求較高的場合，如電信系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、航空航天、工業(yè)自動化、交通運輸、POS機、信息家電等。

QNX是一個適合軟件/硬件定制的實時操作系統(tǒng)。如果你曾經(jīng)試圖在傳統(tǒng)的UNIX或Windows平臺下開發(fā)設(shè)備驅(qū)動程序，那么，QNX下開發(fā)驅(qū)動程序一定會讓你受寵若驚。由于QNX的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，QNX下的系統(tǒng)進(jìn)程和用戶所寫的進(jìn)程沒有什么不同，甚至沒有私有的隱藏起來的以至用戶不能使用的界面。正是這種結(jié)構(gòu)給QNX帶來了無與倫比的可擴展性，使得在QNX下寫驅(qū)動程序如同寫其它程序一般方便。設(shè)備驅(qū)動程序能夠獲取普通程序所能獲得的任務(wù)服務(wù)。在QNX中增加一個新的驅(qū)動程序不會影響操作系統(tǒng)其它程序的任何部分，QNX環(huán)境所需的唯一改變是實現(xiàn)地啟動新的驅(qū)動程序。

當(dāng)然，我們會遇到形形色色的硬件設(shè)備，某些驅(qū)動程序可能將以特殊方式控制設(shè)備的存在和配置。本文只想集中討論QNX下如何進(jìn)入、控制設(shè)備級的通用硬件，對所有驅(qū)動程序來講這是一個共性問題。其中，將對使用較多的PCI設(shè)備作較為詳細(xì)的敘述。以下是硬件驅(qū)動程序的編寫。

1 探測硬件

首先，需要判斷設(shè)備是否存在，然后查詢該設(shè)備的配置（例如，設(shè)備基地址、中斷號等）。對于某類設(shè)備，一般會有一大相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)機制來判斷其配置。每塊設(shè)備的基地址、中斷號等是編程必須的資源，例如，常用的ISA及PCI硬件設(shè)備。對于ISA設(shè)備，一般由板上手工跳線設(shè)定，不言自明；對于常用的PCI設(shè)備，這些資源會由系統(tǒng)自動分配，特別是添減設(shè)備，可能會發(fā)生變化。因此，在驅(qū)動程序中能夠動態(tài)查找這些資源顯得比較重要。對于諸如A/D、D/A、定時卡、I/O板卡這類設(shè)備，對照硬件手冊編寫一些簡單的驅(qū)動程序并不困難。如果有DOS下驅(qū)動程序的C源碼，移值應(yīng)該更容易一些。

為了實現(xiàn)對PCI總線設(shè)備的控制和管理，必須訪問PCI設(shè)備的配置空間。配置空間是一容量為256字節(jié)并具特定紀(jì)錄結(jié)構(gòu)的地址空間。該地址空間的結(jié)構(gòu)如圖1所示。NQX4.25pp sys/pci.h中對應(yīng)的結(jié)構(gòu)體定義。

每個PCI設(shè)備具有唯一的廠商標(biāo)識（vendor id）和設(shè)備標(biāo)識（device id），這些信息由硬件手冊提供或系統(tǒng)啟動時可以看到。下面一段代碼展示了于一個給定的PCI設(shè)備如何調(diào)用QNX相關(guān)的函數(shù)、偵測設(shè)備的存在以及系統(tǒng)分配的資源。其中，標(biāo)識（index）用來支持和區(qū)分具有同樣廠商標(biāo)識和設(shè)備標(biāo)識的幾塊同樣的設(shè)備。Index從0開始，如果指定為1，將標(biāo)識第二塊同型號的設(shè)備。

本例中，YOUR_PCI_DEVICE_ID、YOUR_PCI）CENDOR）OD值是研華的PCL-1713采集卡，可以根據(jù)所使用的硬件填以合適的值。

以根據(jù)所使用的硬件填以合適的值。

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#define YOUR_PCI_DEVICE_ID0x1713 //根據(jù)具體設(shè)備提供對應(yīng)的廠商標(biāo)識及設(shè)備標(biāo)識

#define YOUR_PCI_VENDOR_ID 0x13fe

int main（void）{

unsigned busnum，devfuncnum; //總線號（PC僅有一條）及設(shè)備功能號

long address;

long io_base; //I/O基地址

unsigned char irq； //中斷號

int pci_index=0 //標(biāo)識為零標(biāo)識第一塊此種型號設(shè)備

if（_CA_PCI_Fin

d_Device（YOUR_PCI_DEVICE_ID，

YOUR_PCI_VENDOR_ID，pci_index，%26;amp;busnum，%26;amp;devfuncnum）！=PCI_SUCCESS）{

printf（“Can not find device”）；

exit（EXIT_FAILURE）;

}

//偵測設(shè)備中斷

if（_CA_PCI_Read_Config_Byte（busnum，devfuncnum，offsetof（struct_pci_config_regs，Interrupt_Line），

1，%26;amp;irq）！=PCI_SUCCESS）{

printf（“Error reading interrupt”）；

exit（EXIT_FAILURE）;

}

//偵測設(shè)備I/O基地址

if_CA_PCI_Read_Config_DWord（busnum，devfuncnum，offsetof（struct_pci_config_regs，Base_），

1，（char *）%26;amp;address）！=PCI_SUCCESS）{

printf（“Error reading address”）；

exit（EXIT_FAILURE）;

}

io_base=PCI_IO_ADDR（adress）；

printf（“IO address：%x”，io_base）;

printf（“IRQ：”%x“，irq）;

exit（EXIT_SUCCESS）;

}

注意：各種設(shè)備的Base_Address_Regs［x］，x可能不盡相同，需要查看具體的硬件手冊決定。

2 進(jìn)入硬件

一旦獲得了系統(tǒng)分配給某個硬件設(shè)備的資源信息，就可以同這個設(shè)備進(jìn)行通信了。至于如何做取決于需要訪問的硬件資源。

2.1 I/O資源

一個進(jìn)程試圖進(jìn)行I/O操作，必須具有正確的權(quán)限等級。你必須是超及用戶（root），在編譯的時候加上適當(dāng)參數(shù)T1，以確何該進(jìn)程擁有訪問I/O口的權(quán)限。若忽視這一點，該運行進(jìn)程將獲得一個口的權(quán)限。若忽視這一點，該運行進(jìn)行將獲得一個SIGSEGV信號，表示一個非法的內(nèi)存引用，并結(jié)束進(jìn)程運行。

現(xiàn)在就可以利用inp（）、inpd（）、inpw（），outp（），inpd（），inpw（0等函數(shù)，對I/O基地址（I/O base address）加上寄存器偏移量（offset）處的I/O進(jìn)行操作了。例如：

outpw（baseaddress+offset_reg，0xdeadbeef）；

此外，對于一些設(shè)備，其I/O口是固定、眾所皆知的，例如，一塊VGA兼容的設(shè)備，并無上述所謂基地址。通過0x3c0、0x3d4、0x3d5，可以直接進(jìn)入這些VGA的控制器。例如：

outp（0x3d4，0x11）;

outp（0x3d5，inp（0x3d5）%26;amp; ～0x80）；

2.2 存儲映射資源

某些設(shè)備，可以通過一般的內(nèi)存操作進(jìn)入寄存器，這就需要獲得內(nèi)存基地址（memory base address）。為了能夠獲進(jìn)入此類設(shè)備的寄存器，需要將其映射到驅(qū)動程序虛擬地址空間。QNX下的技術(shù)資料/etc/readme/technotes/shmem.txt描述了如何創(chuàng)建一個共享內(nèi)存對象，然后將這個內(nèi)存對象的一段內(nèi)存映射到PCI卡中，以便能夠進(jìn)入這個PCI設(shè)備。（接著上面的代碼）可以利用mmap（）：

char *mem_base;

if（PCI_IS_MEM（address））{ //判斷內(nèi)存基地址

int fd；

char *page_ptr；

fd=shm_open（”Physical“，O_RDWR，0777）;//創(chuàng)建一個共享內(nèi)存對象

if（fd= =-1）{

perror（”Error shm_open：“）;

exit（EXIT_FAILURE）;

}

page_ptr=mmap（0，4096，PROT_READ|PROT_WRITE，

MAP_SHARED，fd，PCI_MEM_ADDR（address）%26;amp;～0xfff）；//將內(nèi)存基地址映射

if（page_ptr= =（char *）

perror（”Error mmap：“）;

exit（EXIT_FAILURE）;

}

mem_base=page_ptr+（PCI_MEM_ADDR（address）%26;amp;0xfff）；

close（fd）；

}

printf（”MEM“ address：%lx”，PCI_MEM_ADDR（address））；

if（PCI_IS_MEM（address））

printf（“mapped at ： %lx”，mem_base）;

現(xiàn)在可以使用指針mem_base來進(jìn)入設(shè)備寄存器了。例如：

mem_base［SHUTDOWN_REGISTER］=0x0xdeadbeef；

2.3 中斷資源

超級用戶（root）可以調(diào)用qnx_hint_attach（）將一個中斷處理程序綁定到一個設(shè)備上。中斷處理程序作為一個遠(yuǎn)程調(diào)用（far），在進(jìn)程空間（Localdescriptor Table set）運行。該函數(shù)最后一個參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)段。寄存器SS為一個特別的內(nèi)核棧，這不同于數(shù)據(jù)段（DS）。因此，需要在中斷處理程序及其調(diào)用的函數(shù)中關(guān)斷棧檢查。大部分系統(tǒng)庫中的函數(shù)在編譯的時候都關(guān)斷了棧檢查，然而，對于需要使用大量內(nèi)存的函數(shù)可能并非如此。后者即是那些在中斷處理程序中不可調(diào)用的函數(shù)，如printf（）、open（）。通過QNX具體函數(shù)在線資源的Safety→Interrupt handler項進(jìn)行判斷該函數(shù)是否可以調(diào)用。如果函數(shù)中包括任何自動（auto）變量，強烈建議將中斷函數(shù)放在自身文件中，然后利用參數(shù)-zu選項編譯之。這樣能夠告知編譯器，使得SS！=DS。

任何被中斷處理程序修改的變量需要指定為volatile關(guān)鍵字。中斷處理程序的返回值必須為0；或某個有效的代碼號（proxy pid），以此來觸發(fā)一個代碼從而發(fā)送一則消息。

下面總結(jié)一個中斷處理程序編寫時的注意點：

①只能和自己的硬件對話（如，清除設(shè)備的中斷狀態(tài)位），千萬不要對8259中斷控制器編程！

②使中斷處理程序盡可能的短小。如果有很多的工作需要做，必須觸發(fā)一個代理，并且它喚醒一個進(jìn)程完成這些工作，以保證其它進(jìn)程及低優(yōu)先級的中斷正常運行，提高系統(tǒng)的實時響應(yīng)能力。

③中斷處理程序不能調(diào)用含有內(nèi)核調(diào)用的例程。

④中斷處理程序必須是一個遠(yuǎn)程（far）調(diào)用函數(shù)。

⑤中斷處理程序必須在自己的模塊中。

⑥無論程序中其它模塊是如何編譯的，包含中斷處理程序的模塊必須是利用-zu和-s選項編譯。（利用cc-zu-Wc-s）這些選項能夠保證SS！=DS，并且關(guān)斷棧檢查。當(dāng)然，也可使用：

#pragma off（check_stack）;

pid_t far handler_xxx（）{

return（proxy_xxx）;

}

#pragma on（check_stack）；

在試圖編寫執(zhí)行一個中斷處理程序前，務(wù)必仔細(xì)閱讀在線文檔?，F(xiàn)在，可以參照硬件手冊自由地對您的設(shè)備寄存器進(jìn)行操作了。

結(jié)語

在HT-7U極向場電源控制系統(tǒng)中，我們在QNX4.25下開發(fā)了多種設(shè)備的驅(qū)動程序。這些程序工作穩(wěn)定、性能優(yōu)異、工作量小且易于控制。此外，QSSL公司的新版本QNX6.x下開發(fā)驅(qū)動更為方便，其原理同QNX4.25相似或者是對應(yīng)的。

責(zé)任編輯：gt