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) - 全文

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)。

2．1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能

1)對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化 初始化的目的是使設(shè)備處于某種工作狀態(tài)，以便用戶程序訪問該設(shè)備。

2)打開設(shè)備操作 打開設(shè)備操作實(shí)際上是查詢用戶指定的設(shè)備，并查看用戶是否可以使用該設(shè)備。因?yàn)樵O(shè)備是共享資源，當(dāng)設(shè)備正在被使用時(shí)，系統(tǒng)要對(duì)它進(jìn)行保護(hù)，禁止其他任務(wù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作，直到設(shè)備資源被釋放。

3)關(guān)閉設(shè)備操作 關(guān)閉設(shè)備操作就是釋放設(shè)備資源。任務(wù)對(duì)設(shè)備完成操作后，必須進(jìn)行關(guān)閉設(shè)備操作，否則設(shè)備總是處于被占用狀態(tài)，其他任務(wù)無法使用。與打開設(shè)備操作相對(duì)應(yīng)，有打開操作就應(yīng)該有關(guān)閉操作。

4)從設(shè)備上接收數(shù)據(jù)并提交給系統(tǒng) 這項(xiàng)功能通常就是所說的讀操作，接收外部傳輸來的數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)采用的方式有查詢方式、中斷方式和DMA方式。

5)把數(shù)據(jù)從主機(jī)上發(fā)送給設(shè)備 這項(xiàng)功能對(duì)應(yīng)通常的寫操作，把主機(jī)上的數(shù)據(jù)傳送給外界。通常系統(tǒng)主動(dòng)調(diào)用該操作進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，有時(shí)也采取中斷方式發(fā)送數(shù)據(jù)。

6)對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制操作 在使用設(shè)備過程中，有時(shí)根據(jù)應(yīng)用的需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制(例如改變?cè)O(shè)備某個(gè)狀態(tài))，而控制操作就能提供這種功能。

2．2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的接口

VxWorks通用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序基本都是通過I／O系統(tǒng)來存取的，這樣做的好處是可以屏蔽底層硬件，對(duì)上層應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的接口。Vx-Works的I／O系統(tǒng)由基本I／O及含buffer的I／O組成，它提供標(biāo)準(zhǔn)的C庫函數(shù)，基本I／O庫與Unix兼容，而含buffer的I／O則與ANSI C兼容。VxWorks的I／O系統(tǒng)有其獨(dú)特的特性，使得它比其他I／O系統(tǒng)更快速、靈活，這在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中非常重要。還有一些特殊的通用IO設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序如串行通用IO設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序由于其自身的特性，雖然不是通過標(biāo)準(zhǔn)I／O來進(jìn)行存取的，但是也都有它們各自相關(guān)的規(guī)范。下面只介紹通過I／O系統(tǒng)存取的通用IO設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

VxWorks作為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為了能夠更快、更靈活地進(jìn)行I／O操作，提供了若干庫來支持標(biāo)準(zhǔn)的字符設(shè)備和塊設(shè)備。一個(gè)字符設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序和I／O系統(tǒng)直接作用，調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序安裝函數(shù)iosDrvInstall()在VxWorks中安裝驅(qū)動(dòng)程序。它執(zhí)行7個(gè)基本的I／O操作：create，rem-ove，open，close，read，write和ioctl。如果設(shè)備不支持某些I／O操作，則相應(yīng)的程序可以被省略。iosDrvInstall()只是為驅(qū)動(dòng)程序在驅(qū)動(dòng)程序表中分配了一個(gè)位置，要運(yùn)行驅(qū)動(dòng)程序還需要調(diào)用設(shè)備安裝函數(shù)iosDevAdd()。iosDevAdd()把設(shè)備名和驅(qū)動(dòng)程序號(hào)寫到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)DEV_ HDR中，并把它加到系統(tǒng)的設(shè)備列表中。

一個(gè)塊設(shè)備的驅(qū)動(dòng)掛在文件系統(tǒng)上比直接掛在I／O系統(tǒng)上使用起來更方便。它先和文件系統(tǒng)作用，再由文件系統(tǒng)與I／O系統(tǒng)作用。塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序不使用iosDrvlnstall()來安裝驅(qū)動(dòng)程序，而是通過初始化塊設(shè)備描述結(jié)構(gòu)BLK_DEV或順序設(shè)備描述結(jié)構(gòu)SEQ_DEV來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序提供給文件系統(tǒng)的功能。類似的，塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序不使用iosDevAdd()來將驅(qū)動(dòng)程序裝入I／O系統(tǒng)，而是使用文件系統(tǒng)設(shè)備初始化函數(shù)，如dos-FsDevInit()來完成。實(shí)際上，文件系統(tǒng)把自己作為一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序裝到I／O系統(tǒng)中，并把請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給實(shí)際的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

2．3 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的組成

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序包括3部分：初始化部分、函數(shù)功能部分和中斷服務(wù)程序ISR。

1)初始化部分初始化硬件，分配設(shè)備所需的資源，完成所有與系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)置。如果是字符設(shè)備，首先調(diào)用iosDrvInstall()來安裝驅(qū)動(dòng)程序，把中斷向量和ISR掛上，然后調(diào)用iosDevAdd()將驅(qū)動(dòng)程序加入I／O系統(tǒng)中；如果是塊設(shè)備，首先把中斷向量和ISR掛上，在內(nèi)存中分配一個(gè)設(shè)備結(jié)構(gòu)，然后初始化該結(jié)構(gòu)。用戶要使用該設(shè)備時(shí)，先調(diào)用設(shè)備初始化函數(shù)xxlnit()，再調(diào)用設(shè)備創(chuàng)建函數(shù)xxDevCreate()，返回一個(gè)BLK_DEV結(jié)構(gòu)的指針，供文件系統(tǒng)初始化函數(shù)使用。

2)函數(shù)功能部分完成系統(tǒng)指定的功能。對(duì)于字符設(shè)備，這些函數(shù)就是指定的7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的I／O函數(shù)；對(duì)于塊設(shè)備，則是在BLK_DEV或SEQ_DEV結(jié)構(gòu)中指定的功能函數(shù)。

3)中斷服務(wù)程序是實(shí)時(shí)系統(tǒng)的重要組成部分，系統(tǒng)通過中斷機(jī)制來了解外部事件，并作出響應(yīng)。實(shí)時(shí)系統(tǒng)的反應(yīng)速度取決于系統(tǒng)對(duì)中斷的響應(yīng)速度和中斷處理程序的處理速度。因此，中斷服務(wù)程序的處理時(shí)間應(yīng)盡量短。所有的中斷服務(wù)程序共享一個(gè)堆棧，沒有任務(wù)控制塊，所以，在中斷服務(wù)程序中不能使用可導(dǎo)致阻塞的函數(shù)，如printf(…)、semTake(…)等。中斷服務(wù)程序中可以使用semGive(…)與其他的非中斷服務(wù)程序進(jìn)行通信。理想的情況，一個(gè)中斷服務(wù)程序僅調(diào)用一個(gè)semGive(…)系統(tǒng)調(diào)用，也就是說，中斷服務(wù)程序的主要功能應(yīng)該是發(fā)起一個(gè)任務(wù)來完成必要的處理。為提高中斷服務(wù)程序與任務(wù)的合作性能，最好的機(jī)制是信號(hào)量。

3 END網(wǎng)口驅(qū)動(dòng)開發(fā)

經(jīng)過上述論述，本章通過END網(wǎng)口驅(qū)動(dòng)的實(shí)例具體說明設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)過程。

1)驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)備安裝函數(shù) 在BSP中對(duì)confidh，configNeth文件進(jìn)行修改。首先在configh中增加#define INCLUDE_END，其次在configNeth文件中endTb1中添加一行：

其中每行的第1項(xiàng)是設(shè)備的單元號(hào)；第2項(xiàng)是驅(qū)動(dòng)程序的endLoad()入口點(diǎn)；第3項(xiàng)是要傳給該入口點(diǎn)的字符串，該字符串通常表示內(nèi)存地址、I／O地址和中斷號(hào)等參數(shù)；第4項(xiàng)表示是否支持緩沖區(qū)借出；第5項(xiàng)表示BSP私有數(shù)據(jù)；第6項(xiàng)是執(zhí)行標(biāo)志，為FALSE表示該入口點(diǎn)還未被執(zhí)行，在系統(tǒng)成功裝載一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序后，該值被改為True。設(shè)置該值為True是為了防止系統(tǒng)自動(dòng)裝載該驅(qū)動(dòng)。做完上述工作后，驅(qū)動(dòng)程序就可以添加到VxWorks中。

2)設(shè)備加載函數(shù) sysEndLoad()是END網(wǎng)口驅(qū)動(dòng)程序的初始化入口點(diǎn)，該函數(shù)的參數(shù)由tUserRoot任務(wù)在調(diào)用muxDevLoad()傳入，muxDev-Load()進(jìn)而使用該參數(shù)調(diào)用sysEndLoad()。sysEndLoad()中執(zhí)行幾個(gè)必要操作：初始化END_OBJ結(jié)構(gòu)、初始化網(wǎng)絡(luò)緩沖內(nèi)存、初始化MIB、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)備好標(biāo)志。其函數(shù)格式：
END_OKJ*sysEndLoad(char*initString)。其中initString由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備表(endDevTb1[])中的成員提供。設(shè)備的所有特殊參數(shù)都是通過initString參數(shù)進(jìn)行傳遞的。它包含如下特殊參數(shù)：設(shè)備寄存器基地址、中斷向量、中斷級(jí)、共享緩沖區(qū)地址等。

3)打開設(shè)備函數(shù) endStart()函數(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備停止校驗(yàn)操作、注冊(cè)驅(qū)動(dòng)程序的中斷服務(wù)程序、打開設(shè)備中斷、記錄設(shè)備啟動(dòng)和啟動(dòng)設(shè)備。它調(diào)用bsp的函數(shù)連接中斷和驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備，使設(shè)備工作在中斷模式下。其函數(shù)格式如下：
STATUS endStart(END_DEVICE*pDrvCtrl)。啟動(dòng)設(shè)備成功時(shí)，返回OK。函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下：

4)設(shè)備讀／寫 設(shè)備的讀操作和寫操作是兩個(gè)相反的動(dòng)作，一個(gè)向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，一個(gè)從設(shè)備接收數(shù)據(jù)。
當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，協(xié)議驅(qū)動(dòng)首先調(diào)用Mux層的API函數(shù)MuxSend()，MuxSend()通過調(diào)用函數(shù)endSend()把上層傳過來的數(shù)據(jù)從mblk-clblk-cluster結(jié)構(gòu)中發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中。

在NET_FUNCS結(jié)構(gòu)中并不提供endReceive()函數(shù)。所以接收包的實(shí)現(xiàn)要依靠中斷的觸發(fā)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)軟件接收到包時(shí)引發(fā)一個(gè)接收中斷例程。該中斷把數(shù)據(jù)緩沖區(qū)cluster與mblk，clblk結(jié)構(gòu)連接。通過調(diào)用函數(shù)指針receiveRtn，指向Mux層API函數(shù)MuxReceive()，該函數(shù)把接收到的包傳到Mux層。如果該函數(shù)返回OK，表明數(shù)據(jù)包被正確傳輸。接受函數(shù)MuxReceive()通過調(diào)用函數(shù)stackRcvRtn再把數(shù)據(jù)包傳輸?shù)缴蠈訁f(xié)議層。

5)關(guān)閉設(shè)備 關(guān)閉操作是打開操作的逆過程，當(dāng)需要關(guān)閉網(wǎng)卡的時(shí)候，系統(tǒng)通過MUX層調(diào)用函數(shù)endStop()來完成。
該函數(shù)釋放中斷向量，停止接收和發(fā)送寄存器的DMA處理，并將電源放置到低功耗。

6)設(shè)備中斷管理 設(shè)備進(jìn)行讀／寫操作時(shí)使用，當(dāng)設(shè)備上接收到數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束時(shí)，通過觸發(fā)中斷信號(hào)。向系統(tǒng)報(bào)告這一狀態(tài)，系統(tǒng)便執(zhí)行中斷服務(wù)函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。

驅(qū)動(dòng)程序在MuxDevStart()函數(shù)中連接中斷服務(wù)程序，中斷服務(wù)程序是通過intConnect()函數(shù)掛接在某個(gè)中斷向量上的，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層出現(xiàn)中斷時(shí)，網(wǎng)絡(luò)任務(wù)將調(diào)用中斷服務(wù)程序，中斷服務(wù)程序要調(diào)用一個(gè)函數(shù)netJobAdd(FUNCPTR routine，intparaml，int param2，int param3，int param4，int param5)其中routine指向需要處理的函數(shù)入口，5個(gè)參數(shù)可用來傳遞給處理函數(shù)，中斷服務(wù)程序在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)包接收和發(fā)送中扮演著重要的角色，負(fù)責(zé)處理接收中斷和接受中斷，其過程是：讀中斷狀態(tài)寄存器，清中斷事件，根據(jù)中斷狀態(tài)，調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序。

4 結(jié)論

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks以其占用資源少，性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)而得到了越來越廣泛的應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)中I／O設(shè)備是關(guān)鍵的一環(huán)，為I／O設(shè)備編寫高效無誤的驅(qū)動(dòng)程序是開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的重要問題。本文分析了VxWorks中I／O設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)過程，并給出了具體設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)流程。

在課題研究過程中，完成了END網(wǎng)口的驅(qū)動(dòng)，并通過控制器之間的數(shù)據(jù)通信驗(yàn)證了驅(qū)動(dòng)的正確性。VxWorks的I／O系統(tǒng)將設(shè)備程序作為內(nèi)核過程實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)性和可靠性有了很大的提高，更重要的是為用戶提供了統(tǒng)一的接口。為后續(xù)開發(fā)提供了更大的方便。