嵌入式系統串行設備管理的研究與實現

引言

隨著微電子技術的發展，嵌入式系統的功能越來越強大，像 UART口、IrDA、USB、I2C以及SPI這些串行接口或設備同時存在于一個嵌入式系統中，實現對它們的統一管理將能極大地提高整個嵌入式系統的可移植性、易用性以及開發效率。本文通過對嵌入式系統串行設備管理技術的研究，提出了“帶USB的串行管理”模型，并詳細闡述了串行設備管理的實現過程。

串行設備管理

串行設備管理是指對COM，IrDA、I2C、modem等流設備和接口的統一管理。具體說，就是通過統一的上層應用層接口和下層驅動層接口實現對串行設備的統一管理和透明化處理，從而提高整個系統的易用性和可移植性。USB作為一種新型的高速串行總線，由于具有復雜性和高速性等特點，在嵌入式操作系統中一般專門為其建立一個USB模型而不放入串行設備管理中。雖然這樣有利于全面地管理USB主機、USB Hub以及USB設備，但整個模型實現代碼大而難，且在嵌入式系統下位機中多是USB設備而沒有USB主機和USB Hub。針對這一特點，本文把對USB設備的管理加入到串行管理中，使得對USB設備的訪問如同對一個串口的訪問一樣方便，從而提出了帶USB的串行管理模型。

帶USB的串行管理模型

整個管理模型由兩層構成，上層為操作系統應用層接口函數集，主要是統一化的串行流接口函數，如OpenFile等;下層為硬件驅動程序層對象和函數。串行管理的設備對象由虛擬化的HWOBJ結構體來定義，虛擬對象的登記和管理則是通過對DEVICE_LIST結構體的管理來實現。HWOBJ結構體定義為：

typedef struct _HWOBJ {

void *device_parent; //指向DEVICE_LIST結構

unsigned short device_index; //物理設備號，指向實際的串行設備或接口

unsigned lONg bind_flags; //中斷服務線程處理標志位，預留

unsigned long IntID; //指定中斷類型，預留

void *reserved;

PHW_VTBL func_tbl; //硬件驅動函數對象表

} HWOBJ, *PHWOBJ;

DEVICE_LIST結構體定義為：

typedef struct _DEVICE_LIST {

char *DllName; //設備DLL文件名，預留

unsigned long NumberOf Devices; //設備數量

void *DeviceArray; //設備隊列

} DEVICE_LIST, *PDEVICE_LIST;

為了解決USB的高速緩沖問題，專門采用了兩個單獨的循環隊列，一個用于緩沖USB的IN傳輸數據，一個用于緩沖USB的OUT傳輸的數據。

帶USB的串行設備管理驅動結構如圖1所示。

圖1 帶USB的串行設備管理驅動結構

帶USB的串行管理的實現

為了便于給應用層編程人員和驅動程序編程人員提供良好的編程接口，接口函數采用了與Windows操作系統中提供的API函數一致的函數名和參數。整個帶USB的串行管理的實現包括名字解析與應用層接口函數的實現、串行設備低層驅動接口、應用層接口函數與低層驅動接口的數據傳輸通道的實現。

名字解析與應用層接口函數

這一層的主要任務是實現設備文件到對應設備指針的映射。應用層主要接口函數有CreateFile 、OpenFile、WriteFile、 ReadFile、 CloseFIie等。具體實現上主要是設備名的登記和設備命名空間的管理。設備名的登記是指通過設備登記表來注冊設備文件名所對應的物理設備文件名、函數操作指針和設備命名空間等。其中設備命名空間是指文件系統的統一文件與設備的訪問接口表，應用程序通過文件系統里的特殊入口(設備文件名設備句柄)訪問外圍設備。

串行設備低層驅動接口函數

串行設備低層驅動接口通過提供以函數指針為成員的結構體來實現，每一個結構體函數指針成員對應一個具體的硬件驅動函數。

帶USB的串行管理的數據傳輸通道

USB的管理

由于相對于其它串行設備來說，USB是高速設備，且為典型的主從式設備，因此，除了專門為USB采用了兩個循環隊列外，還針對USB是主控制設備的情況，采取通過自定義雙向訪問協議包來解決下位機主動發起訪問的情況。

串行設備的單道訪問

由于串行設備在操作系統應用層被抽象為一個特殊文件，因而需要考慮是否讓多個應用程序同時訪問一個特殊文件的問題，如果允許同時訪問則稱為多道訪問，否則稱為單道訪問。為簡單起見在設計中通過記錄串行設備號對應的運行狀態來實現串行設備的單道訪問。

多設備的并行訪問

通過跟蹤正在處于工作中的串行設備的設備號和記數值，來實現多個不同串行設備的并行運行。

數據傳輸通道

數據傳輸通道如圖2所示。數據傳輸流程大致如下：程序(線程)調用WriteFile或ReadFile把要發送或接收的地址指針和數據大小傳遞到相應的硬件屬性表中， WriteFile或ReadFile函數返回，應用程序繼續運行或掛起等待數據操作完(硬件中斷自動完成)，最后由中斷返回一個消息喚醒掛起程序(線程)。

圖2 數據傳輸通道

對于USB設備則先通過USB IN和OUT循環隊列緩沖再通過USB中斷進行傳輸。

結語

嵌入式操作系統中的串行管理是操作系統I/O子系統的一個重要組成部分，本文介紹的串行管理模塊已加入某國產的商用嵌入式操作系統中，并在深圳某高科技公司的SMARTPHONE項目中得到應用。