vxworks嵌入式操作系统串行设备驱动程序的编写

摘要：目前，基于嵌入式操作系统的软件开发是国内外研究的热点，vxworks嵌入式操作系统又是目前最流行的嵌入式操作系统之一。本文的目的在于通过分析vxworks操作系统下串行通信设备驱动程序的运行机制，提出在此操作系统下开发串行设备驱动程序开发的基本思路。

1. 概 述

我们在基于vxworks嵌入式操作系统开发产品时，经常会根据自行设计的硬件电路开发专用的驱动程序。Vxworks下的驱动程序根据设备的不同特性,，大体可分为：char driver、serial driver、block driver、end driver、scsi driver等类型，其中以char driver最简单，最基础，以serial driver最常用。掌握驱动程序的基本工作流程，无论对我们开发上层的应用还是自己编写相应的驱动程序，都很有帮助。本文主要以i8250串口驱动程序为例，介绍一下串行驱动程序编写的基本思路。

驱动程序，简而言之就是对具体的硬件设备进行管理和服务的程序。为了提高代码的可移植性，vxworks将所有的输入/输出设备都看成是一个文件，我们对设备的输入/输出操作，都可以看作是对指定文件的读写操作。例如，我们用c 标准库函数open()打开一个文件，可以是打开一个传统意义上的文本文件，也可以是指定一个输入/输出设备，如指定对某一个串口的输入/输出操作。在vxworks操作系统中，驱动程序的主要作用是完成对相关设备的读、写、打开、建立、关闭及控制等功能中的一项或几项，具体情况视具体的设备及设计要求而定。

概括的说，驱动程序主要完成以下几项工作：

(1)相关设备的初始化。

(2)底层输入/输出函数与上层标准输入/输出函数的挂接。

(3)相关设备与对应驱动程序的挂接。

我们就按照这个思路，以I8250串口为例，分析一下串行设备驱动程序的编写及加载流程。首先，给出串行设备驱动的结构框图：

 

 

需要说明的是，ttyDrv是一个虚拟的设备驱动，与tylib一起，用于处理I/O系统与底层实际设备之间的通信。主要完成以下工作：

(1)处理I/O系统的各种需求，如在driver talbe 中添加相应的驱动条目、创建设备标识符(devise descriptor)。

(2)实现与上层标准I/O函数及实际驱动程序的无缝连接。其中，ttyDrv完成open和ioctl两项功能(ttyopen()和ttyioctl())。Tylib完成read和write两项功能(tyRead()和tyWrite())。

(3)管理输入/输出数据缓冲区。

下面，我们结合图(一)给出的框图，以i8250为例，开始分析串行设备驱动的设计流程。用户在编写自己的驱动程序时，可以不按照系统函数命名的方法命名，也可以不按照系统给定的方法进行函数功能的划分，但其初始化及实现流程却不能改变。

2. 驱动程序设计流程分析

⑴ i8250相关硬件设备的初始化。

编写驱动程序的第一步是完成相关硬件的初始化。与I8250相关的硬件初始化函数主要有以下三个：sysSerialHwInit()、i8250HrdInit()、i8250InitChannel()，其调用顺序是：sysSerialHwInit()ài8250HrdInit()ài8250InitChannel()，这条工作链的主要作用是，完成对I8250_CHAN数据结构的初始化。

下面对分别这几个函数的功能介绍一下：

l

sysSerialHwInit()

本函数完成的主要任务是初始化设备的中断向量、串口的通信模式及相关存贮器，在函数的最后调用i8250HrdInit()对I8250_CHAN结构进一步初始化。

void sysSerialHwInit (void)

{

int i;

for (i=0;i

{

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

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; /*挂接输出函数，此函数向指定的I/O地址写入1bye*/

i8250Chan[i].inByte = sysInByte; /*挂接输出函数，此函数从指定的I/O地址读出1byte*/

i8250HrdInit(&i8250Chan[i]);/*调用i8250HrdInit()进一步完成初始化*/

}

}

l i8250HrdInit()

本函数完成的主要工作是挂接相应的入口函数，具体说明如下：

void i8250HrdInit

(

I8250_CHAN * pChan /* 指向相应设备的指针*/

)

{

if (i8250SioDrvFuncs.ioctl == NULL)

{

i8250SioDrvFuncs.ioctl = (int (*)())i8250Ioctl;/*挂接用于处理控制I8250相关输入

输出命令的函数*/

i8250SioDrvFuncs.txStartup = (int (*)())i8250Startup;/*如果设备工作于中断模式下，

启用此函数用于打开中断，使设备开始工作*/

i8250SioDrvFuncs.callbackInstall = i8250CallbackInstall;/*安装上层提供的回调函数，

本例中是安装的tyIRd()、tyITx()*/

i8250SioDrvFuncs.pollInput = (int (*)())i8250PRxChar;/*挂接输入轮询函数*/

i8250SioDrvFuncs.pollOutput = (int (*)(SIO_CHAN *,char))i8250PTxChar;/*挂接输出轮询函数*/

}

pChan->pDrvFuncs = &i8250SioDrvFuncs;/*初始化CHAN结构，挂接接口函数列表*/

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

}

由上面挂接的函数可以看出，i8250驱动主要实现了三个功能：read、write、ioctl，而并没有实现所有和七项功能。同时，值的注意的是，对同一种设备的驱动只需挂接一次。

同时ttyDrv通过SIO_DRV_FUNCS使用xxDrv(i8250Drv)提供的服务，而xxDrv通过回调函数(本例中是由i8250CallbackInstall()安装的tyIRd()、tyITx())完成ttyDrv提出的请求。原理如下图示：

 

 

i8250InitChannel()

本函数的主要作用是初始化特定的CHAN所描述的信道。具体分析如下。

static void i8250InitChannel

(

I8250_CHAN * pChan /* pointer to device */

)

{

int oldLevel;

ldLevel = intLock (); /*关中断进入临界区*

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

…………………………………

intUnlock (oldLevel); /*开中断响应，出临界区*/

}

⑵ 挂接中断服务程序

对i8250的硬件初始化完成后，接着挂接相关的中断服务程序。主要有sysSerialHwinit2()函数完成。需要注意的是，挂接中断应放在系统初始化的最后，主要是因为中断挂接函数intCONnect()需要调用malloc()函数，如果在系统的内存分配还未初始化前调用，则会出错。下面请看源代码：

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的作用是把中断号转为中断向量。i8250Int是指向输入/输出中断处理函数的指针。描述相应硬件的结构i8250Chan为函数i8250int()的入口参数。

至此，设备硬件的初始化、相关的低层函数的挂接、中断初始化基本完成。开始进行下一步，将设备的驱动函数安装在Driver Table 中。

⑶ 与上层标准输入/输出函数的挂接

在此处I/O系统通过调用ttyDrv()(在没有定义INCLUDE_TYCODRV_5_2的情况下)将相应驱动函数添加到Driver Table中，从而完成与上层标准输入/输出函数的挂接。

 

 

由上图知，iosDrvInstall()函数在Driver Table中挂接的函数是tyWrite()和tyRead()，而不是我们实际编写的输入/输出函数。其具体的调用过程是：

① 当用户调用write函数进行写操作时，根据相应的fd调用在Driver Table中注册的函数tyWrite()，此函数的作用是将用户缓冲区的内容写入相应的输出ring buffer，当发现缓冲区内有内容时，开始调用回调函数tyITX()，从ring buffer读取字符，由I8250Startup()启动中断输出，最后由设备的输出中断服务程序(在本例中调用的是sysOutbyte())将字符发往指定的串口。

② 当串口接收到数据时会调用输入中断服务程序(在本例中是sysInbyte())，将输入的字符写入指定的缓冲区。然后由回调函数tyIRd()将缓冲区的内容读入ring buffer，当用户调用read函数进行写操作时，会根据相应的fd调用在Driver Table中注册的函数tyRead(),此函数会将ring buffer中的内容读入用户缓冲区。

关于具体的中断输入/输出函数如何调用，本文不做详细分析，请参阅i8250int()及i8250Startup()。

对于输入/输出控制函数ioctl()的挂接，则是直接将命令传到由用户编写的i8250ioctl()函数，其具体的实现代码与驱动的设计思路无紧密的联系，本文也不做具体分析。

⑷ 具体设备与相关驱动的挂接

当Driver Table中相应的驱动函数挂接完成，开始编写驱动程序的最后一步：在Device Table中加入设备，完成具体设备与相关驱动的挂接。此项工作是由ttyDevCreat()函数完成的。本函数主要实现以下功能：

① 分配并初始化一个device descriptor。

② 通过调用tyDevInit()初始化tyLib。此处主要完成输入/输出ring buffer的创建、建立用与相关函数的信号量、初始化selectLib。

③ 调用iosDevAdd()将串口设备加入Device Table。对于设备特性的描述信息是由sysSerialChanGet()函数得到，并以参数形式传入的。

④ 为底层设备安装回调函数，在本例中是为i8250CHAN 安装tyIRd()、tyITx()两处回调函数。

⑤ 开中断，设备开始以中断方式工作。

至此，驱动程序的分析全部完成。与挂接驱动函数不同，在安装设备的过程中，无论设备相同与否，有几个设备则上述过程需调用几次。以上各函数的加载主要在usrinit()函数中完成。

3. 结束语

需要说明的是，在VxWorks下，设备驱动程序既可以嵌入内核随系统一起启动，也可以作为可加载模块在系统启动之后运行。相比之下，后一种方式比较简单，不用修改系统内核，引入错误的可能性小。但是无论采取哪种方式，其基本思路及需要完成的工作是相同的。本文没有按照系统的调用过程进行一步步分析，主要基于上述考虑。用户在编写相关驱动程序时，中心任务是按步骤完成上述功能，而没有必要去死搬系统的加载步骤。