实时嵌入式操作系统VxWorks设备驱动程序的设计

    摘要：在嵌入式实时系统中进行软硬件开发的关键是编写高效可靠的设备驱动程序，而VxWorks下END网口驱动程序是设备驱动程序中较为复杂的一类。首先从整体上分析了VxWorks操作系统的特点与结构，然后介绍了VxWorks中设备驱动程序的功能、结构和开发方法，并给出了END网口驱动程序的设计实例。该文时VxWorks设备驱动程序开发者具有参考价值，通过本文可以方便的进行END驱动的配置和使用。
关键词：实时操作系统；板级支持包；设备驱动程序；END网口驱动

    VxWorks是WindRiver公司开发的一种高性能的嵌入式实时操作系统(RTOS)，以其优良的可靠性、开放性、实时性和易用性赢得了大量的客户。VxWorks是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的系统，被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等。
    在目前多数操作系统中，用户必须通过驱动程序才能与设备进行交互，正是设备驱动程序为其提供了可访问性和可操作性，而设备驱动程序本身跟操作系统的相关性特别密切。本文针对VxWorks操作系统特点，分析设备驱动程序的功能、组成和开发过程，并给出END网口驱动程序的一个设计实例。

1 嵌入式实时操作系统VxWorks
   下面首先围绕VxWorks的特点和结构这两个关键问题进行阐述。
1．1 VxWorks的特点
    1)可靠性  操作系统的用户希望在一个工作稳定、可以信赖的环境中工作，所以操作系统的可靠性是用户首先要考虑的问题。而稳定、可靠一直是VxWorks的一个突出优点。自从对中国的销售解禁以来，VxWorks以其良好的可靠性在中国赢得了越来越多的用户。
    2)实时性  实时性是指能够在限定时间内执行完规定的功能并对外部的异步事件做出响应的能力。实时性的强弱是以完成规定功能和做出响应时间的长短来衡量的。VxWorks的实时性非常强，其系统本身的开销很小，进程调度、进程间通信、中断处理等系统公用程序精练而有效，它们造成的延迟很短。VxWorks提供的多任务机制中对任务的控制采用了优先级抢占(Preemptive Priority Scheduling)和轮转调度(Round-Robin Scheduling)机制，也充分保证了可靠的实时性，使同样的硬件配置能满足更强的实时性要求，为应用的开发留下更大的余地。
    3)可裁减性  用户在使用操作系统时，并不是操作系统中的每一个部件都要用到。例如图形显示、文件系统以及一些设备驱动在某些嵌入式系统中往往并不使用。VxWorks由一个体积很小的内核及一些可以根据需要进行定制的系统模块组成。VxWorks内核最小为8 kB，即便加上其他必要模块，所占用的空间也很小，且不失其实时、多任务的系统特征。由于它的高度灵活性，用户可以很容易地对这一操作系统进行定制或作适当开发，来满足自己的实际应用需要。
1．2 VxWorks系统结构
    VxWorks系统结构如图1所示，可以从6部分来说明。

    1)高性能实时内核(Wind Kernel)  VxWorks的核心，一般称作Wind，Wind使用中断驱动和基于优先级的调度方式。负责多任务调度、任务间的同步、进程间通信机制、中断处理、看门狗和内存管理机制。
    2)文件系统(File System)  VxWorks提供快速文件，它包括几种支持使用块设备(如磁盘)的本地文件系统。这些设备都使用一个标准的接口，从而使得文件系统能够灵活地在设备驱动程序上移植。另外，VxWorks也支持SCSI磁带设备的本地文件系统。
    3)设备驱动(Device Drivers)  VxWorks系统提供BSP、Network Driver、SCSI Driver构成硬件抽象层。硬件抽象层是一个介于操作系统和底层硬件之间的软层次，包括了系统中大部分与硬件相关的软件模块。在功能上包含两部分：系统初始化及与硬件相关的设备驱动。
    4)I／O系统(I／O System)  VxWorks提供了一个快速灵活的与ANSIC兼容的I／O系统，包括UNIX标准的缓冲I／O和POSIX标准的异步I／O 。
    5)网络堆栈(Network Stack)  VxWorks提供了对其他网络和TCP／IP网络系统的“透明”访问，包括与BSD套接字兼容的编程接口，远程过程调用(RPC)，远程文件访问以及BOOTP和ARP代理。所有的VxWorks网络机制都遵循标准的Intemet协议。
    6)板级支持包  BSP(Board Support Package)板级支持包向VxWorks操作系统提供了对各种板子的硬件功能操作的统一的软件接口，它是保证VxWorks操作系统可移植性的关键，它包括硬件初始化、中断的产生和处理、硬件时钟和计时器管理、局域和总线内存地址映射、内存分配等等。每个板级支持包括一个ROM启动(Boot ROM)或其他启动机制。

2 VxWorks设备驱动程序的设计
    为了实现应用程序的可移植性，将应用程序从直接操作硬件设备中解放出来，VxWorks操作系统为应用程序操作硬件设备提供一个一致的接口。这个接口就是由操作系统的I／O系统提供的。I／O系统将应用程序的I／O请求传递给设备专用的I／O函数。这些设备专用的I／0函数就是由设备驱动程序提供的。本章从功能、接口与结构3个角度阐述设备驱动程序的设计。
2．1 设备驱动程序的功能
    1)对设备进行初始化  初始化的目的是使设备处于某种工作状态，以便用户程序访问该设备。
    2)打开设备操作  打开设备操作实际上是查询用户指定的设备，并查看用户是否可以使用该设备。因为设备是共享资源，当设备正在被使用时，系统要对它进行保护，禁止其他任务对设备进行操作，直到设备资源被释放。
    3)关闭设备操作  关闭设备操作就是释放设备资源。任务对设备完成操作后，必须进行关闭设备操作，否则设备总是处于被占用状态，其他任务无法使用。与打开设备操作相对应，有打开操作就应该有关闭操作。
    4)从设备上接收数据并提交给系统  这项功能通常就是所说的读操作，接收外部传输来的数据。接收数据采用的方式有查询方式、中断方式和DMA方式。
    5)把数据从主机上发送给设备  这项功能对应通常的写操作，把主机上的数据传送给外界。通常系统主动调用该操作进行数据发送，有时也采取中断方式发送数据。
    6)对设备进行控制操作  在使用设备过程中，有时根据应用的需要对设备进行控制(例如改变设备某个状态)，而控制操作就能提供这种功能。
2．2 设备驱动程序的接口
    VxWorks通用设备驱动程序基本都是通过I／O系统来存取的，这样做的好处是可以屏蔽底层硬件，对上层应用程序提供统一的接口。Vx-Works的I／O系统由基本I／O及含buffer的I／O组成，它提供标准的C库函数，基本I／O库与Unix兼容，而含buffer的I／O则与ANSI C兼容。VxWorks的I／O系统有其独特的特性，使得它比其他I／O系统更快速、灵活，这在实时系统中非常重要。还有一些特殊的通用IO设备驱动程序如串行通用IO设备驱动程序由于其自身的特性，虽然不是通过标准I／O来进行存取的，但是也都有它们各自相关的规范。下面只介绍通过I／O系统存取的通用IO设备驱动程序。
    VxWorks作为实时操作系统为了能够更快、更灵活地进行I／O操作，提供了若干库来支持标准的字符设备和块设备。一个字符设备的驱动程序和I／O系统直接作用，调用驱动程序安装函数iosDrvInstall()在VxWorks中安装驱动程序。它执行7个基本的I／O操作：create，rem-ove，open，close，read，write和ioctl。如果设备不支持某些I／O操作，则相应的程序可以被省略。iosDrvInstall()只是为驱动程序在驱动程序表中分配了一个位置，要运行驱动程序还需要调用设备安装函数iosDevAdd()。iosDevAdd()把设备名和驱动程序号写到数据结构DEV_ HDR中，并把它加到系统的设备列表中。
    一个块设备的驱动挂在文件系统上比直接挂在I／O系统上使用起来更方便。它先和文件系统作用，再由文件系统与I／O系统作用。块设备驱动程序不使用iosDrvlnstall()来安装驱动程序，而是通过初始化块设备描述结构BLK_DEV或顺序设备描述结构SEQ_DEV来实现驱动程序提供给文件系统的功能。类似的，块设备驱动程序不使用iosDevAdd()来将驱动程序装入I／O系统，而是使用文件系统设备初始化函数，如dos-FsDevInit()来完成。实际上，文件系统把自己作为一个驱动程序装到I／O系统中，并把请求转发给实际的设备驱动程序。
2．3 设备驱动程序的组成
    设备驱动程序包括3部分：初始化部分、函数功能部分和中断服务程序ISR。
    1)初始化部分初始化硬件，分配设备所需的资源，完成所有与系统相关的设置。如果是字符设备，首先调用iosDrvInstall()来安装驱动程序，把中断向量和ISR挂上，然后调用iosDevAdd()将驱动程序加入I／O系统中；如果是块设备，首先把中断向量和ISR挂上，在内存中分配一个设备结构，然后初始化该结构。用户要使用该设备时，先调用设备初始化函数xxlnit()，再调用设备创建函数xxDevCreate()，返回一个BLK_DEV结构的指针，供文件系统初始化函数使用。
    2)函数功能部分完成系统指定的功能。对于字符设备，这些函数就是指定的7个标准的I／O函数；对于块设备，则是在BLK_DEV或SEQ_DEV结构中指定的功能函数。
    3)中断服务程序是实时系统的重要组成部分，系统通过中断机制来了解外部事件，并作出响应。实时系统的反应速度取决于系统对中断的响应速度和中断处理程序的处理速度。因此，中断服务程序的处理时间应尽量短。所有的中断服务程序共享一个堆栈，没有任务控制块，所以，在中断服务程序中不能使用可导致阻塞的函数，如printf(…)、semTake(…)等。中断服务程序中可以使用semGive(…)与其他的非中断服务程序进行通信。理想的情况，一个中断服务程序仅调用一个semGive(…)系统调用，也就是说，中断服务程序的主要功能应该是发起一个任务来完成必要的处理。为提高中断服务程序与任务的合作性能，最好的机制是信号量。

3 END网口驱动开发
    经过上述论述，本章通过END网口驱动的实例具体说明设备驱动程序的开发过程。
    1)驱动程序的设备安装函数  在BSP中对confidh，configNeth文件进行修改。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项是设备的单元号；第2项是驱动程序的endLoad()入口点；第3项是要传给该入口点的字符串，该字符串通常表示内存地址、I／O地址和中断号等参数；第4项表示是否支持缓冲区借出；第5项表示BSP私有数据；第6项是执行标志，为FALSE表示该入口点还未被执行，在系统成功装载一个驱动程序后，该值被改为True。设置该值为True是为了防止系统自动装载该驱动。做完上述工作后，驱动程序就可以添加到VxWorks中。

    2)设备加载函数  sysEndLoad()是END网口驱动程序的初始化入口点，该函数的参数由tUserRoot任务在调用muxDevLoad()传入，muxDev-Load()进而使用该参数调用sysEndLoad()。sysEndLoad()中执行几个必要操作：初始化END_OBJ结构、初始化网络缓冲内存、初始化MIB、设置网络准备好标志。其函数格式：
    END_OKJ*sysEndLoad(char*initString)。其中initString由网络设备表(endDevTb1[])中的成员提供。设备的所有特殊参数都是通过initString参数进行传递的。它包含如下特殊参数：设备寄存器基地址、中断向量、中断级、共享缓冲区地址等。
    3)打开设备函数  endStart()函数实现设备停止校验操作、注册驱动程序的中断服务程序、打开设备中断、记录设备启动和启动设备。它调用bsp的函数连接中断和驱动程序设备，使设备工作在中断模式下。其函数格式如下：
    STATUS endStart(END_DEVICE*pDrvCtrl)。启动设备成功时，返回OK。函数实现如下：

    4)设备读／写  设备的读操作和写操作是两个相反的动作，一个向设备发送数据，一个从设备接收数据。
    当网络协议层要发送数据时，协议驱动首先调用Mux层的API函数MuxSend()，MuxSend()通过调用函数endSend()把上层传过来的数据从mblk-clblk-cluster结构中发送到网络中。
    在NET_FUNCS结构中并不提供endReceive()函数。所以接收包的实现要依靠中断的触发，当驱动软件接收到包时引发一个接收中断例程。该中断把数据缓冲区cluster与mblk，clblk结构连接。通过调用函数指针receiveRtn，指向Mux层API函数MuxReceive()，该函数把接收到的包传到Mux层。如果该函数返回OK，表明数据包被正确传输。接受函数MuxReceive()通过调用函数stackRcvRtn再把数据包传输到上层协议层。
    5)关闭设备  关闭操作是打开操作的逆过程，当需要关闭网卡的时候，系统通过MUX层调用函数endStop()来完成。
该函数释放中断向量，停止接收和发送寄存器的DMA处理，并将电源放置到低功耗。
    6)设备中断管理  设备进行读／写操作时使用，当设备上接收到数据或数据发送结束时，通过触发中断信号。向系统报告这一状态，系统便执行中断服务函数进行相应的处理。
    驱动程序在MuxDevStart()函数中连接中断服务程序，中断服务程序是通过intConnect()函数挂接在某个中断向量上的，当网络层出现中断时，网络任务将调用中断服务程序，中断服务程序要调用一个函数netJobAdd(FUNCPTR routine，intparaml，int param2，int param3，int param4，int param5)其中routine指向需要处理的函数入口，5个参数可用来传递给处理函数，中断服务程序在网络设备的数据包接收和发送中扮演着重要的角色，负责处理接收中断和接受中断，其过程是：读中断状态寄存器，清中断事件，根据中断状态，调用相应的中断处理程序。

4 结论
    嵌入式实时操作系统VxWorks以其占用资源少，性能稳定等诸多优点而得到了越来越广泛的应用。嵌入式系统中I／O设备是关键的一环，为I／O设备编写高效无误的驱动程序是开发嵌入式系统的重要问题。本文分析了VxWorks中I／O设备驱动程序的结构及其设计过程，并给出了具体设备驱动程序的开发流程。
    在课题研究过程中，完成了END网口的驱动，并通过控制器之间的数据通信验证了驱动的正确性。VxWorks的I／O系统将设备程序作为内核过程实现的实时性和可靠性有了很大的提高，更重要的是为用户提供了统一的接口。为后续开发提供了更大的方便。