實戰(zhàn)篇：IO設備

通常我們認為以計算機CPU為核心，其外部的所有的設備都可以稱為是外部輸入輸出設備。例如計算機中的顯示器就是一個輸出設備，它的作用是將一些數(shù)字信號轉化為圖形信號顯示在電子屏幕上，其數(shù)據是由內向外流動，因此我們稱顯示器為輸出設備。

又如鍵盤和鼠標是輸入設備，它們的作用是將使用者的命令信號轉化為數(shù)字信號傳遞給計算機的CPU，其數(shù)據是由外向內流動，因此我們稱鍵盤和鼠標為輸入設備。又如，打印機是一個輸出設備，游戲手柄和攝像頭是輸入設備。如下圖：

通常的，我們將鍵盤稱為計算機的標準輸入設備，將顯示器稱為計算機的標準輸出設備。這也是Unix和類Unix系統(tǒng)中一直延用的名稱。我們在做虛擬文件系統(tǒng)時將每一個進程中都分配了一個文件描述結構體數(shù)組：

//進程控制塊Process Control Block
typedef struct pcb_s
{
  //進程棧頂?shù)刂?/span>
  void *p_stack;
  //棧內存地址，釋放、統(tǒng)計內存時使用
  void *p_stack_mem;
  //棧內在大小
  uint32_t stack_size; 
  //優(yōu)先級由高0到低32
  uint8_t prio;
  //任務狀態(tài)
  uint8_t status;
  //任務休眠ticks
  uint32_t sleep_tick;
  //任務入口函數(shù)
  void (*task_entry)(void *);
  //任務函數(shù)參數(shù)
  void *task_arg;
  //進程的文件描位圖，1表示空閑，0表示使用
  uint32_t f_use_map;
  //進程的文件描述結構體數(shù)組
  vfs_node_s *fnodes[FNODE_SIZE];
} pcb_s;

這個fnodes[FNODE_SIZE]文件描述數(shù)組記錄了進程所打開每一個設備文件的地址。這個數(shù)組的下標就是我們使用open()函數(shù)所返回的值，也就是我們通常所說的文件描述符。文件描述符為int類型，范圍通常是0～FNODE_SIZE。當文件描述符小于0時表示打開設備文件失敗。幾乎所有的類Unix系統(tǒng)中都使用了標準輸入、標準輸出和標準錯誤這3個IO設備。

所以，操作系統(tǒng)為每一個進程分配文件描述符時，會默認將0、1、2分別用于表示標準輸入、標準輸出和標準錯誤這3個設備。所以通常情況下我們使用open()函數(shù)來打開一個設備文件時， 返回的文件描述大多數(shù)是以3開始的，在同一個進程中同時打開多個設備文件，其文件描述符通常會是3、4、5、6、7、8……等。

實際上，我們在嵌入式領域里的處理器性能有限，外設的各類和功能多種多樣，并非像個人電腦或是網絡服務器一樣通用和統(tǒng)一。在單片機領域中我們所使用的操作系統(tǒng)并非一定要遵循Unix標準或習慣，但為了學習其優(yōu)秀的設計理念，我們可以將我們的嵌入式操作系統(tǒng)中實現(xiàn)標準輸入、標準輸出和標準錯誤這3個設備。

在Cortex-M3處理器中我們可以使用串口設備作為操作系統(tǒng)中的標準輸入和標準輸出，而從本質上講標準錯誤這個設備的功能跟標準輸出是一樣的，只不過其顯示的內容都是程序錯誤，我們不單獨來實現(xiàn)標準錯誤設備，而只來完成標準輸入和標準輸出這兩個設備。例如串口1的初始化、讀、寫程序如下：

void serial1_init(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
  NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
  NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2;
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
  NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1 | RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
  USART_InitStructure.USART_BaudRate = SERIAL_BAUTRATE;
  USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
  USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
  USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
  USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
  USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
  USART1- >CR1 |= (USART_CR1_RE | USART_CR1_TE);
  USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
  USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);
  USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}


void serial1_write(uint8_t data)
{
  uint8_t next_head = serial1_tx_buffer_head + 1;
  if (next_head >= TX_RING_BUFFER1)
  {
    next_head = 0;
  }
  while (next_head == serial1_tx_buffer_tail);
  serial1_tx_buffer[serial1_tx_buffer_head] = data;
  serial1_tx_buffer_head = next_head;
  USART1- >CR1 |= USART_FLAG_TXE;
}


int serial1_read(uint8_t *ch)
{
  uint8_t tail = serial1_rx_buffer_tail;
  if (serial1_rx_buffer_head == tail)
  {
    return 0;
  }
  else
  {
    uint8_t data = serial1_rx_buffer[tail];
    tail++;
    if (tail >= RX_RING_BUFFER1)
    {
      tail = 0;
    }
    serial1_rx_buffer_tail = tail;
    *ch = data;
    return 1;
  }
}


void storeHandleDataIn(uint8_t data)
{
  uint8_t next_head;  
  next_head = serial1_rx_buffer_head + 1;
  if (next_head >= RX_RING_BUFFER1)
  {
    next_head = 0;
  }
    if (next_head != serial1_rx_buffer_tail)
  {
    serial1_rx_buffer[serial1_rx_buffer_head] = data;
    serial1_rx_buffer_head = next_head;
  }
  else
  {
    next_head++;
    next_head--;
  }
}

之后我們就可以編寫一個/dev/ttyS1設備文件用于串口1的驅動：

int ttyS1_open(struct file *fs)
{
  return 0;
}


int ttyS1_close(struct file *fs)
{
  return 0;
}


size_t ttyS1_read(struct file *fs, void *buff, size_t size)
{
  uint8_t *p = (uint8_t *)buff;
  size_t read_len = 0;
  for (int i = 0; i < size; i++)
  {
    if (!serial1_read(&p[read_len]))
    {
      return read_len;
    }
    read_len++;
  }
  return size;
}


size_t ttyS1_write(struct file *fs, const void *buff, size_t size)
{
  uint8_t *p = (uint8_t *)buff;
  for (int i = 0; i < size; i++)
  {
    serial1_write(p[i]);
  }
  return size;
}


void ttyS1_init(void)
{
  file_operations_s ops = {0};


  ops.open = ttyS1_open;
  ops.close = ttyS1_close;
  ops.write = ttyS1_write;
  ops.read = ttyS1_read;
  ops.ioctl = NULL;


  fs_register_dev("/dev/ttyS1", ops);
}