vxworks嵌入式操作系統串行設備驅動程序的編寫

摘要：目前，基于嵌入式操作系統的軟件開發是國內外研究的熱點，vxworks嵌入式操作系統又是目前最流行的嵌入式操作系統之一。本文的目的在于通過分析vxworks操作系統下串行通信設備驅動程序的運行機制，提出在此操作系統下開發串行設備驅動程序開發的基本思路。

1. 概 述

我們在基于vxworks嵌入式操作系統開發產品時，經常會根據自行設計的硬件電路開發專用的驅動程序。Vxworks下的驅動程序根據設備的不同特性,，大體可分為：char driver、serial driver、block driver、end driver、scsi driver等類型，其中以char driver最簡單，最基礎，以serial driver最常用。掌握驅動程序的基本工作流程，無論對我們開發上層的應用還是自己編寫相應的驅動程序，都很有幫助。本文主要以i8250串口驅動程序為例，介紹一下串行驅動程序編寫的基本思路。

驅動程序，簡而言之就是對具體的硬件設備進行管理和服務的程序。為了提高代碼的可移植性，vxworks將所有的輸入/輸出設備都看成是一個文件，我們對設備的輸入/輸出操作，都可以看作是對指定文件的讀寫操作。例如，我們用c 標準庫函數open()打開一個文件，可以是打開一個傳統意義上的文本文件，也可以是指定一個輸入/輸出設備，如指定對某一個串口的輸入/輸出操作。在vxworks操作系統中，驅動程序的主要作用是完成對相關設備的讀、寫、打開、建立、關閉及控制等功能中的一項或幾項，具體情況視具體的設備及設計要求而定。

概括的說，驅動程序主要完成以下幾項工作：

(1)相關設備的初始化。

(2)底層輸入/輸出函數與上層標準輸入/輸出函數的掛接。

(3)相關設備與對應驅動程序的掛接。

我們就按照這個思路，以I8250串口為例，分析一下串行設備驅動程序的編寫及加載流程。首先，給出串行設備驅動的結構框圖：

需要說明的是，ttyDrv是一個虛擬的設備驅動，與tylib一起，用于處理I/O系統與底層實際設備之間的通信。主要完成以下工作：

(1)處理I/O系統的各種需求，如在driver talbe 中添加相應的驅動條目、創建設備標識符(devise descriptor)。

(2)實現與上層標準I/O函數及實際驅動程序的無縫連接。其中，ttyDrv完成open和ioctl兩項功能(ttyopen()和ttyioctl())。Tylib完成read和write兩項功能(tyRead()和tyWrite())。

(3)管理輸入/輸出數據緩沖區。

下面，我們結合圖(一)給出的框圖，以i8250為例，開始分析串行設備驅動的設計流程。用戶在編寫自己的驅動程序時，可以不按照系統函數命名的方法命名，也可以不按照系統給定的方法進行函數功能的劃分，但其初始化及實現流程卻不能改變。

2. 驅動程序設計流程分析

⑴ i8250相關硬件設備的初始化。

編寫驅動程序的第一步是完成相關硬件的初始化。與I8250相關的硬件初始化函數主要有以下三個：sysSerialHwInit()、i8250HrdInit()、i8250InitChannel()，其調用順序是：sysSerialHwInit()ài8250HrdInit()ài8250InitChannel()，這條工作鏈的主要作用是，完成對I8250_CHAN數據結構的初始化。

下面對分別這幾個函數的功能介紹一下：

l

sysSerialHwInit()

本函數完成的主要任務是初始化設備的中斷向量、串口的通信模式及相關存貯器，在函數的最后調用i8250HrdInit()對I8250_CHAN結構進一步初始化。

void sysSerialHwInit (void)

{

int i;

for (i=0;i

{

i8250Chan[i].int_vec = devParas[i].vector; /*初始化中斷向量*/

i8250Chan[i].channelMode = 0; /*初始化SIO_MODE 可以是INT或POLL*/

i8250Chan[i].lcr = UART_REG(UART_LCR,i); /*初始化line control register*/

………………………

i8250Chan[i].outByte = sysOutByte; /*掛接輸出函數，此函數向指定的I/O地址寫入1bye*/

i8250Chan[i].inByte = sysInByte; /*掛接輸出函數，此函數從指定的I/O地址讀出1byte*/

i8250HrdInit(i8250Chan[i]);/*調用i8250HrdInit()進一步完成初始化*/

}

}

l i8250HrdInit()

本函數完成的主要工作是掛接相應的入口函數，具體說明如下：

void i8250HrdInit

(

I8250_CHAN * pChan /* 指向相應設備的指針*/

)

{

if (i8250SioDrvFuncs.ioctl == NULL)

{

i8250SioDrvFuncs.ioctl = (int (*)())i8250Ioctl;/*掛接用于處理控制I8250相關輸入

輸出命令的函數*/

i8250SioDrvFuncs.txStartup = (int (*)())i8250Startup;/*如果設備工作于中斷模式下，

啟用此函數用于打開中斷，使設備開始工作*/

i8250SioDrvFuncs.callbackInstall = i8250CallbackInstall;/*安裝上層提供的回調函數，

本例中是安裝的tyIRd()、tyITx()*/

i8250SioDrvFuncs.pollInput = (int (*)())i8250PRxChar;/*掛接輸入輪詢函數*/

i8250SioDrvFuncs.pollOutput = (int (*)(SIO_CHAN *,char))i8250PTxChar;/*掛接輸出輪詢函數*/

}

pChan->pDrvFuncs = i8250SioDrvFuncs;/*初始化CHAN結構，掛接接口函數列表*/

i8250InitChannel(pChan); /* reset the channel */

}

由上面掛接的函數可以看出，i8250驅動主要實現了三個功能：read、write、ioctl，而并沒有實現所有和七項功能。同時，值的注意的是，對同一種設備的驅動只需掛接一次。

同時ttyDrv通過SIO_DRV_FUNCS使用xxDrv(i8250Drv)提供的服務，而xxDrv通過回調函數(本例中是由i8250CallbackInstall()安裝的tyIRd()、tyITx())完成ttyDrv提出的請求。原理如下圖示：

i8250InitChannel()

本函數的主要作用是初始化特定的CHAN所描述的信道。具體分析如下。

static void i8250InitChannel

(

I8250_CHAN * pChan /* pointer to device */

)

{

int oldLevel;

ldLevel = intLock (); /*關中斷進入臨界區*

(void) i8250BaudSet(pChan, I8250_DEFAULT_BAUD);/*設置信道的波特率*/

…………………………………

intUnlock (oldLevel); /*開中斷響應，出臨界區*/

}

⑵ 掛接中斷服務程序

對i8250的硬件初始化完成后，接著掛接相關的中斷服務程序。主要有sysSerialHwinit2()函數完成。需要注意的是，掛接中斷應放在系統初始化的最后，主要是因為中斷掛接函數intCONnect()需要調用malloc()函數，如果在系統的內存分配還未初始化前調用，則會出錯。下面請看源代碼：

void sysSerialHwInit2 (void)

{

int i;

for (i=0;i

if (i8250Chan[i].int_vec)

{

(void) intConnect (INUM_TO_IVEC (i8250Chan[i].int_vec), i8250Int, (int)i8250Chan[i] );

sysIntEnablePIC (devParas[i].intLevel);

}

}

其中，宏INUM_TO_IVEC的作用是把中斷號轉為中斷向量。i8250Int是指向輸入/輸出中斷處理函數的指針。描述相應硬件的結構i8250Chan為函數i8250int()的入口參數。

至此，設備硬件的初始化、相關的低層函數的掛接、中斷初始化基本完成。開始進行下一步，將設備的驅動函數安裝在Driver Table 中。

⑶ 與上層標準輸入/輸出函數的掛接

在此處I/O系統通過調用ttyDrv()(在沒有定義INCLUDE_TYCODRV_5_2的情況下)將相應驅動函數添加到Driver Table中，從而完成與上層標準輸入/輸出函數的掛接。

由上圖知，iosDrvInstall()函數在Driver Table中掛接的函數是tyWrite()和tyRead()，而不是我們實際編寫的輸入/輸出函數。其具體的調用過程是：

① 當用戶調用write函數進行寫操作時，根據相應的fd調用在Driver Table中注冊的函數tyWrite()，此函數的作用是將用戶緩沖區的內容寫入相應的輸出ring buffer，當發現緩沖區內有內容時，開始調用回調函數tyITX()，從ring buffer讀取字符，由I8250Startup()啟動中斷輸出，最后由設備的輸出中斷服務程序(在本例中調用的是sysOutbyte())將字符發往指定的串口。

② 當串口接收到數據時會調用輸入中斷服務程序(在本例中是sysInbyte())，將輸入的字符寫入指定的緩沖區。然后由回調函數tyIRd()將緩沖區的內容讀入ring buffer，當用戶調用read函數進行寫操作時，會根據相應的fd調用在Driver Table中注冊的函數tyRead(),此函數會將ring buffer中的內容讀入用戶緩沖區。

關于具體的中斷輸入/輸出函數如何調用，本文不做詳細分析，請參閱i8250int()及i8250Startup()。

對于輸入/輸出控制函數ioctl()的掛接，則是直接將命令傳到由用戶編寫的i8250ioctl()函數，其具體的實現代碼與驅動的設計思路無緊密的聯系，本文也不做具體分析。

⑷ 具體設備與相關驅動的掛接

當Driver Table中相應的驅動函數掛接完成，開始編寫驅動程序的最后一步：在Device Table中加入設備，完成具體設備與相關驅動的掛接。此項工作是由ttyDevCreat()函數完成的。本函數主要實現以下功能：

① 分配并初始化一個device descriptor。

② 通過調用tyDevInit()初始化tyLib。此處主要完成輸入/輸出ring buffer的創建、建立用與相關函數的信號量、初始化selectLib。

③ 調用iosDevAdd()將串口設備加入Device Table。對于設備特性的描述信息是由sysSerialChanGet()函數得到，并以參數形式傳入的。

④ 為底層設備安裝回調函數，在本例中是為i8250CHAN 安裝tyIRd()、tyITx()兩處回調函數。

⑤ 開中斷，設備開始以中斷方式工作。

至此，驅動程序的分析全部完成。與掛接驅動函數不同，在安裝設備的過程中，無論設備相同與否，有幾個設備則上述過程需調用幾次。以上各函數的加載主要在usrinit()函數中完成。

3. 結束語

需要說明的是，在VxWorks下，設備驅動程序既可以嵌入內核隨系統一起啟動，也可以作為可加載模塊在系統啟動之后運行。相比之下，后一種方式比較簡單，不用修改系統內核，引入錯誤的可能性小。但是無論采取哪種方式，其基本思路及需要完成的工作是相同的。本文沒有按照系統的調用過程進行一步步分析，主要基于上述考慮。用戶在編寫相關驅動程序時，中心任務是按步驟完成上述功能，而沒有必要去死搬系統的加載步驟。