實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

VxWorks是WindRiver公司開發(fā)的一種高性能的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)，以其優(yōu)良的可靠性、開放性、實(shí)時(shí)性和易用性贏得了大量的客戶。VxWorks是目前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中使用最廣泛、市場(chǎng)占有率最高的系統(tǒng)，被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中，如衛(wèi)星通訊、軍事演習(xí)、彈道制導(dǎo)、飛機(jī)導(dǎo)航等。

在目前多數(shù)操作系統(tǒng)中，用戶必須通過驅(qū)動(dòng)程序才能與設(shè)備進(jìn)行交互，正是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)槠涮峁┝丝稍L問性和可操作性，而設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序本身跟操作系統(tǒng)的相關(guān)性特別密切。本文針對(duì)VxWorks操作系統(tǒng)特點(diǎn)，分析設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能、組成和開發(fā)過程，并給出END網(wǎng)口驅(qū)動(dòng)程序的一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例。

1 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks

下面首先圍繞VxWorks的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)這兩個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行闡述。

1．1 VxWorks的特點(diǎn)

1)可靠性 操作系統(tǒng)的用戶希望在一個(gè)工作穩(wěn)定、可以信賴的環(huán)境中工作，所以操作系統(tǒng)的可靠性是用戶首先要考慮的問題。而穩(wěn)定、可靠一直是VxWorks的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。自從對(duì)中國(guó)的銷售解禁以來，VxWorks以其良好的可靠性在中國(guó)贏得了越來越多的用戶。

2)實(shí)時(shí)性 實(shí)時(shí)性是指能夠在限定時(shí)間內(nèi)執(zhí)行完規(guī)定的功能并對(duì)外部的異步事件做出響應(yīng)的能力。實(shí)時(shí)性的強(qiáng)弱是以完成規(guī)定功能和做出響應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短來衡量的。VxWorks的實(shí)時(shí)性非常強(qiáng)，其系統(tǒng)本身的開銷很小，進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程間通信、中斷處理等系統(tǒng)公用程序精練而有效，它們?cè)斐傻难舆t很短。VxWorks提供的多任務(wù)機(jī)制中對(duì)任務(wù)的控制采用了優(yōu)先級(jí)搶占(Preemptive Priority Scheduling)和輪轉(zhuǎn)調(diào)度(Round-Robin Scheduling)機(jī)制，也充分保證了可靠的實(shí)時(shí)性，使同樣的硬件配置能滿足更強(qiáng)的實(shí)時(shí)性要求，為應(yīng)用的開發(fā)留下更大的余地。

3)可裁減性 用戶在使用操作系統(tǒng)時(shí)，并不是操作系統(tǒng)中的每一個(gè)部件都要用到。例如圖形顯示、文件系統(tǒng)以及一些設(shè)備驅(qū)動(dòng)在某些嵌入式系統(tǒng)中往往并不使用。VxWorks由一個(gè)體積很小的內(nèi)核及一些可以根據(jù)需要進(jìn)行定制的系統(tǒng)模塊組成。VxWorks內(nèi)核最小為8 kB，即便加上其他必要模塊，所占用的空間也很小，且不失其實(shí)時(shí)、多任務(wù)的系統(tǒng)特征。由于它的高度靈活性，用戶可以很容易地對(duì)這一操作系統(tǒng)進(jìn)行定制或作適當(dāng)開發(fā)，來滿足自己的實(shí)際應(yīng)用需要。

1．2 VxWorks系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

VxWorks系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，可以從6部分來說明。

1)高性能實(shí)時(shí)內(nèi)核(Wind Kernel) VxWorks的核心，一般稱作Wind，Wind使用中斷驅(qū)動(dòng)和基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度方式。負(fù)責(zé)多任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間的同步、進(jìn)程間通信機(jī)制、中斷處理、看門狗和內(nèi)存管理機(jī)制。

2)文件系統(tǒng)(File System) VxWorks提供快速文件，它包括幾種支持使用塊設(shè)備(如磁盤)的本地文件系統(tǒng)。這些設(shè)備都使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的接口，從而使得文件系統(tǒng)能夠靈活地在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序上移植。另外，VxWorks也支持SCSI磁帶設(shè)備的本地文件系統(tǒng)。

3)設(shè)備驅(qū)動(dòng)(Device Drivers) VxWorks系統(tǒng)提供BSP、Network Driver、SCSI Driver構(gòu)成硬件抽象層。硬件抽象層是一個(gè)介于操作系統(tǒng)和底層硬件之間的軟層次，包括了系統(tǒng)中大部分與硬件相關(guān)的軟件模塊。在功能上包含兩部分：系統(tǒng)初始化及與硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

4)I／O系統(tǒng)(I／O System) VxWorks提供了一個(gè)快速靈活的與ANSIC兼容的I／O系統(tǒng)，包括UNIX標(biāo)準(zhǔn)的緩沖I／O和POSIX標(biāo)準(zhǔn)的異步I／O 。

5)網(wǎng)絡(luò)堆棧(Network Stack) VxWorks提供了對(duì)其他網(wǎng)絡(luò)和TCP／IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的“透明”訪問，包括與BSD套接字兼容的編程接口，遠(yuǎn)程過程調(diào)用(RPC)，遠(yuǎn)程文件訪問以及BOOTP和ARP代理。所有的VxWorks網(wǎng)絡(luò)機(jī)制都遵循標(biāo)準(zhǔn)的Intemet協(xié)議。

6)板級(jí)支持包 BSP(Board Support Package)板級(jí)支持包向VxWorks操作系統(tǒng)提供了對(duì)各種板子的硬件功能操作的統(tǒng)一的軟件接口，它是保證VxWorks操作系統(tǒng)可移植性的關(guān)鍵，它包括硬件初始化、中斷的產(chǎn)生和處理、硬件時(shí)鐘和計(jì)時(shí)器管理、局域和總線內(nèi)存地址映射、內(nèi)存分配等等。每個(gè)板級(jí)支持包括一個(gè)ROM啟動(dòng)(Boot ROM)或其他啟動(dòng)機(jī)制。

2 VxWorks設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的可移植性，將應(yīng)用程序從直接操作硬件設(shè)備中解放出來，VxWorks操作系統(tǒng)為應(yīng)用程序操作硬件設(shè)備提供一個(gè)一致的接口。這個(gè)接口就是由操作系統(tǒng)的I／O系統(tǒng)提供的。I／O系統(tǒng)將應(yīng)用程序的I／O請(qǐng)求傳遞給設(shè)備專用的I／O函數(shù)。這些設(shè)備專用的I／0函數(shù)就是由設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供的。本章從功能、接口與結(jié)構(gòu)3個(gè)角度闡述設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。