微控制器的驅(qū)動程序設(shè)計(jì)模式

這給我們帶來了一個(gè)更高效但稍微復(fù)雜一點(diǎn)的驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)，即使用中斷。

技巧#2——中斷驅(qū)動的驅(qū)動程序

在驅(qū)動程序中使用中斷非常棒，因?yàn)樗梢燥@著提高代碼執(zhí)行效率。中斷不是不斷檢查是否該做某事，而是告訴處理器驅(qū)動程序現(xiàn)在準(zhǔn)備就緒，我們跳轉(zhuǎn)到處理中斷。一般來說，我們可以使用兩種類型的中斷驅(qū)動驅(qū)動機(jī)制：事件驅(qū)動和調(diào)度。當(dāng)外圍設(shè)備發(fā)生需要處理的事件時(shí)，事件驅(qū)動驅(qū)動程序?qū)⒂|發(fā)中斷。例如，我們可能有一個(gè) UART 驅(qū)動程序，當(dāng)緩沖區(qū)中接收到一個(gè)新字符時(shí)，它會觸發(fā)一個(gè)中斷。另一方面，我們可能有一個(gè) ADC 驅(qū)動程序，它使用計(jì)時(shí)器來安排訪問以開始采樣或處理接收到的數(shù)據(jù)。

使用中斷驅(qū)動的驅(qū)動程序雖然效率更高，但會為設(shè)計(jì)增加額外的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性。首先，開發(fā)人員需要啟用適當(dāng)?shù)闹袛嘁怨?qū)動程序使用，例如接收、發(fā)送和緩沖區(qū)滿。我通常發(fā)現(xiàn)由于現(xiàn)代中斷控制器的復(fù)雜性，開發(fā)人員很難讓中斷工作。它們通常需要在通用寄存器中、外設(shè)級別設(shè)置中斷，有時(shí)甚至需要配置優(yōu)先級和其他設(shè)置。幾年前，我整理了一份配置中斷的分步指南，可在此處下載。

接下來，使用中斷可能需要遵循一整套額外的最佳實(shí)踐。例如，最好的做法是：

• 保持中斷簡短
• 將共享變量聲明為 volatile
• 處理高優(yōu)先級項(xiàng)目，然后卸載到應(yīng)用程序進(jìn)行處理

您不希望在事件發(fā)生時(shí)執(zhí)行數(shù)千行代碼的驅(qū)動程序中斷。相反，您希望處理關(guān)鍵任務(wù)，例如從 UART 緩沖區(qū)中取出一個(gè)字符并將其放入應(yīng)用程序的循環(huán)緩沖區(qū)中。

最后，我們還需要擔(dān)心中斷被禁用、中斷時(shí)序和運(yùn)行速率、優(yōu)先級以及是否有可能錯(cuò)過中斷等問題。雖然其中一些項(xiàng)目看起來額外的復(fù)雜性可能不值得付出努力，但執(zhí)行時(shí)間的改進(jìn)可能是巨大的。例如，電池供電的設(shè)備可能會進(jìn)入深度睡眠模式，只有在將字符存儲在緩沖區(qū)中時(shí)才醒來，然后再重新進(jìn)入睡眠狀態(tài)。這樣做可以節(jié)省大量能源。

在某些情況下，在驅(qū)動程序中使用中斷確實(shí)是處理外圍事件的最佳方式。例如，您可以編寫一個(gè)輪詢 I2C 驅(qū)動程序，但編寫一個(gè)中斷 ack、nack 等傳輸序列中發(fā)生的不同事件的驅(qū)動程序會產(chǎn)生更清潔、更小和更高效的驅(qū)動程序。

我們將在下一篇文章中查看中斷驅(qū)動驅(qū)動程序的代碼。現(xiàn)在，讓我們看看我們可以用來編寫驅(qū)動程序的第三種技術(shù)，它是利用直接內(nèi)存訪問 (DMA) 控制器。

技術(shù)#3 – DMA 驅(qū)動的驅(qū)動程序

有一些驅(qū)動程序會通過系統(tǒng)移動大量數(shù)據(jù)，例如 I2S 和 SDIO。管理這些類型接口上的緩沖區(qū)可能需要 CPU 不斷采取行動。如果 CPU 落后或必須處理另一個(gè)系統(tǒng)事件，則數(shù)據(jù)可能會丟失或延遲，這可能會給用戶帶來明顯的問題，例如音頻跳過。關(guān)注吞吐量的開發(fā)人員可以改為使用 DMA 控制器在微控制器周圍為 CPU 移動數(shù)據(jù)。

這些驅(qū)動程序背后的想法是 DMA 控制器可以通過以下方式在微控制器周圍移動數(shù)據(jù)：

• 內(nèi)存外圍
• 記憶到記憶
• 內(nèi)存到外設(shè)

使用 DMA 的優(yōu)點(diǎn)是 CPU 可以在 DMA 通道為驅(qū)動程序移動數(shù)據(jù)時(shí)停止做其他事情，基本上可以同時(shí)完成兩件事。

雖然非常希望在驅(qū)動程序中使用 DMA 控制器來減少 CPU 執(zhí)行的需要，但大多數(shù)微控制器的可用 DMA 通道數(shù)量有限。因此，不能編寫每個(gè)驅(qū)動程序來使用 DMA。相反，開發(fā)人員需要選擇將受到帶寬限制且將從 DMA 中受益匪淺的外設(shè)，例如用于外部存儲器、ADC 和通信通道的接口。

在沒有 I2S 或 SDIO 的應(yīng)用程序中，開發(fā)人員可以使用 DMA 將傳入的 UART 字符移動到一個(gè)循環(huán)緩沖區(qū)中，一旦設(shè)置了某個(gè)限制，該緩沖區(qū)就會被處理。可以通過輪詢應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)或通過 DMA 控制器設(shè)置中斷來監(jiān)控此限制。可以想象，DMA 驅(qū)動程序是驅(qū)動程序最有效的實(shí)現(xiàn)，但根據(jù)開發(fā)人員的技能水平以及他們以前是否使用過 DMA，它們的實(shí)現(xiàn)也可能很復(fù)雜。這不應(yīng)該阻止開發(fā)人員嘗試在其驅(qū)動程序中使用 DMA。

結(jié)論

在這篇文章中，我們研究了嵌入式開發(fā)人員可以用來為其微控制器外設(shè)和外部設(shè)備編寫驅(qū)動程序的三種主要技術(shù)。為了比較總結(jié)這些技術(shù)，下面的表 1 顯示了我們討論的每種技術(shù)，以及實(shí)現(xiàn)的相對復(fù)雜性和由此產(chǎn)生的執(zhí)行效率。

一般而言，開發(fā)人員應(yīng)該默認(rèn)使用中斷驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)而不是輪詢實(shí)現(xiàn)，除非正在使用的外設(shè)速度很快，即幾個(gè) Mbps。DMA 可用于任何驅(qū)動程序，但我通常為需要高吞吐量的接口（例如外部存儲器或通信接口）保留 DMA 通道。您選擇的選項(xiàng)將高度依賴于最終應(yīng)用程序。

在下一篇文章中，我們將通過研究如何為模數(shù)轉(zhuǎn)換器開發(fā)一個(gè)簡單的驅(qū)動程序來探索如何更深入地研究這些概念。
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