潘俊虹，彭 濤，蔡闖華1,

(1.武夷學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，福建 武夷山 354300；2.蘇州大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215006；3.認(rèn)知計(jì)算與智能信息處理福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 武夷山 354300)

MQX(Message Queue eXecutive，消息隊(duì)列執(zhí)行)是由恩智浦公司推出的一款免費(fèi)、開(kāi)源且提供持續(xù)技術(shù)支持的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(Embedded Real Time Operation System，RTOS)[1].MQX以其豐富的外設(shè)驅(qū)動(dòng)、精簡(jiǎn)的內(nèi)核、清晰的架構(gòu)和較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)自動(dòng)化、智能家居等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用.MQX版本在不斷更新，目前的最新版本是于2015年7月推出的MQX 4.2.0.鑒于MQX在嵌入式開(kāi)發(fā)領(lǐng)域廣闊的市場(chǎng)前景[2-4]，分析研究MQX底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的原理和方法對(duì)促進(jìn)其發(fā)展具有一定的意義.

在嵌入式軟件系統(tǒng)中，底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)直接面向底層硬件，實(shí)現(xiàn)對(duì)底層硬件的訪問(wèn)控制，是操作系統(tǒng)的重要組成部分[5].MQX采用統(tǒng)一的模型來(lái)管理設(shè)備驅(qū)動(dòng)，用戶在應(yīng)用程序中可以通過(guò)一組標(biāo)準(zhǔn)的接口函數(shù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行訪問(wèn).MQX根據(jù)管理設(shè)備方式的不同，將設(shè)備驅(qū)動(dòng)分為內(nèi)核安裝管理的輸入輸出(Input/Output，I/O)子系統(tǒng)層設(shè)備驅(qū)動(dòng)和非內(nèi)核安裝管理的驅(qū)動(dòng)2大類.對(duì)于非內(nèi)核安裝類驅(qū)動(dòng)，用戶直接調(diào)用MQX提供的應(yīng)用程序編程接口(Application Programming Interface，API)函數(shù)或者靜態(tài)庫(kù)即可[6].筆者主要針對(duì)內(nèi)核安裝的I/O子系統(tǒng)層設(shè)備驅(qū)動(dòng)管理和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行闡述，通過(guò)分析MQX底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)管理和設(shè)計(jì)模式，給出了底層驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)的基本方法，并在此基礎(chǔ)上對(duì)底層驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方式進(jìn)行改進(jìn).

1 MQX設(shè)備驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析

1.1 MQX底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)運(yùn)行模式

圖1 MQX I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)層次結(jié)構(gòu)Fig.1 Hierarchical Structure of MQX I/O Device Drivers

MQX標(biāo)準(zhǔn)I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)可分為格式化ANSI(American National Standards Institute，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì))I/O層、MQX I/O子系統(tǒng)層和底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)層[7]，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

格式化ANSI I/O層由應(yīng)用程序調(diào)用，是MQX為應(yīng)用程序提供的一組格式化ANSI文件接口.在源文件“MQXincludeio.h”中可以看出，MQX通過(guò)宏定義映射到I/O子系統(tǒng)層對(duì)應(yīng)的接口函數(shù)上(表1).

表1 MQX設(shè)備驅(qū)動(dòng)函數(shù)映射關(guān)系Table 1 Mapping Relationship Between MQX Device Driver Functions

MQX I/O子系統(tǒng)層遵循可移植操作系統(tǒng)接口(Portable Operating System Interface of UNIX，POSIX)標(biāo)準(zhǔn)[8]，由格式化ANSI I/O層調(diào)用，是格式化ANSI I/O層與底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)的紐帶，它提供了專門(mén)的API函數(shù)將標(biāo)準(zhǔn)I/O函數(shù)與設(shè)備的私有信息及底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)進(jìn)行關(guān)聯(lián).這些API函數(shù)中，最關(guān)鍵的是驅(qū)動(dòng)注冊(cè)安裝函數(shù)io_dev_install.該函數(shù)主要功能是將包含有I/O設(shè)備的標(biāo)識(shí)符、驅(qū)動(dòng)函數(shù)名及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體安裝到操作系統(tǒng)的設(shè)備管理隊(duì)列中.實(shí)際打開(kāi)設(shè)備時(shí)，I/O子系統(tǒng)以設(shè)備標(biāo)識(shí)符作為索引檢索設(shè)備管理隊(duì)列，建立設(shè)備文件到設(shè)備結(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)，并返回文件指針，通過(guò)文件指針句柄調(diào)用關(guān)聯(lián)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)函數(shù)來(lái)執(zhí)行操作.通過(guò)這種方式，底層設(shè)備在MQX中被抽象成文件，借助文件名間接調(diào)動(dòng)底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)打開(kāi)設(shè)備和打開(kāi)文件的方式統(tǒng)一.

底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)層是根據(jù)各種具體設(shè)備開(kāi)發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序.MQX為不同型號(hào)的嵌入式MCU提供了大量的板級(jí)支持包(Board Support Package，BSP)級(jí)底層驅(qū)動(dòng)程序，用戶也可以根據(jù)需要改寫(xiě)或自己編寫(xiě)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序.當(dāng)用戶在應(yīng)用工程中需要訪問(wèn)這些底層設(shè)備時(shí)，只需將所需的底層驅(qū)動(dòng)程序添加到用戶工程，并將驅(qū)動(dòng)程序注冊(cè)到I/O子系統(tǒng)設(shè)備管理隊(duì)列中，就可以在用戶任務(wù)中直接調(diào)用fopen，fclose，fread和fwrite等標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)對(duì)底層設(shè)備進(jìn)行訪問(wèn)和控制.

1.2 I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)隊(duì)列管理器

圖2 I/O驅(qū)動(dòng)管理隊(duì)列設(shè)備結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)Fig.2 Node Structure of I/O Driver Management Queue Device

MQX通過(guò)鏈隊(duì)列的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)的組織和管理.MQX系統(tǒng)在內(nèi)核初始化時(shí)創(chuàng)建設(shè)備驅(qū)動(dòng)鏈隊(duì)列的頭結(jié)點(diǎn)，如圖2所示，隊(duì)列中每一個(gè)結(jié)點(diǎn)都是IO_DEVICE_STRUCT結(jié)構(gòu)體類型，包括設(shè)備標(biāo)識(shí)符、驅(qū)動(dòng)接口指針和驅(qū)動(dòng)設(shè)備信息指針等.用戶在使用驅(qū)動(dòng)前需將驅(qū)動(dòng)注冊(cè)到I/O子系統(tǒng)層的設(shè)備管理隊(duì)列中，注冊(cè)安裝過(guò)程實(shí)際上就是將各設(shè)備的驅(qū)動(dòng)結(jié)點(diǎn)插入到驅(qū)動(dòng)管理隊(duì)列當(dāng)中，并通過(guò)指針連接成完整的驅(qū)動(dòng)鏈表隊(duì)列.設(shè)備驅(qū)動(dòng)必須注冊(cè)到I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)管理隊(duì)列才能為標(biāo)準(zhǔn)I/O層的格式化標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)提供服務(wù).設(shè)備驅(qū)動(dòng)結(jié)點(diǎn)由_io_dev_install函數(shù)安裝設(shè)備驅(qū)動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建，并由I/O子系統(tǒng)維護(hù).新添加的設(shè)備驅(qū)動(dòng)被插入到鏈隊(duì)列的尾部.由于每個(gè)I/O設(shè)備傳入安裝函數(shù)的初始化信息參數(shù)不同，在調(diào)用安裝函數(shù)之前每個(gè)I/O設(shè)備都要定義自己的安裝函數(shù)_io_dev_install.在打開(kāi)設(shè)備時(shí)，先由fopen函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)設(shè)備文件描述符，并由該描述符的DEV_PTR指針(文件句柄)建立與設(shè)備驅(qū)動(dòng)結(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)，通過(guò)該句柄在設(shè)備隊(duì)列中快速定位設(shè)備結(jié)點(diǎn)，然后調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)I/O函數(shù)如同訪問(wèn)文件一樣對(duì)設(shè)備進(jìn)行訪問(wèn).

1.3 底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)參數(shù)的組織和分解

MQX底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)相對(duì)獨(dú)立于上層I/O子系統(tǒng)層[9].只要明確上層函數(shù)傳遞來(lái)的參數(shù)格式，在底層驅(qū)動(dòng)中將其分解出來(lái)供底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序使用，其他設(shè)計(jì)原則和方法與無(wú)操作系統(tǒng)下的驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)一致.因此，設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是函數(shù)參數(shù)的組織、傳遞和分解.

(1)底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)參數(shù)的組織封裝.MQX操作系統(tǒng)底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)函數(shù)的參數(shù)傳遞過(guò)程，一般是先將參數(shù)信息封裝在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體中，再將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體指針傳遞給底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序.底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)結(jié)構(gòu)體指針從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中分解出所需的參數(shù)，參數(shù)的這種封裝有利于簡(jiǎn)化參數(shù)的傳遞且更加方便快捷.MQX將底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)初始化參數(shù)分為2個(gè)部分：一部分與MCU型號(hào)和開(kāi)發(fā)板密切相關(guān)，基本不再改變；另一部分由標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)fopen在打開(kāi)設(shè)備時(shí)傳入，可根據(jù)用戶工程需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整和改變.

(2)底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)初始化參數(shù)分解.底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)的初始化參數(shù)在執(zhí)行fopen函數(shù)(已映射到_io_fopen函數(shù))時(shí)傳入，其格式如下：

驅(qū)動(dòng)在注冊(cè)時(shí)，IO_OPEN代表device_open函數(shù)指針，因此上面代碼相當(dāng)于調(diào)用device_open函數(shù)，其中參數(shù)file_ptr為文件句柄，是指向的結(jié)構(gòu)體中保存了設(shè)備驅(qū)動(dòng)結(jié)點(diǎn)的指針.設(shè)備驅(qū)動(dòng)結(jié)點(diǎn)的DRIVER_INT_PTR指針指向封裝了設(shè)備與BSP相關(guān)的信息，其他指針則指向設(shè)備標(biāo)識(shí)符和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)函數(shù).由此可見(jiàn)，只要明確傳入底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)的指針含義，并熟悉參數(shù)結(jié)構(gòu)體各成員的作用，即可解析出底層驅(qū)動(dòng)模塊所需的初始化參數(shù).

2 MQX底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)基本方法

MQX將底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)統(tǒng)一在三層體系結(jié)構(gòu)模型中，雖然設(shè)備驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)內(nèi)容各有不同，但是在MQX統(tǒng)一模型中設(shè)備驅(qū)動(dòng)計(jì)方法是一致的[10].主要步驟如下：按照嵌入式底層軟件構(gòu)件的設(shè)計(jì)思想，將底層驅(qū)動(dòng)封裝成device.h和device.c軟件構(gòu)件(device表示具體的設(shè)備模塊名)；在device.h頭函數(shù)中封裝定義與板級(jí)相關(guān)的驅(qū)動(dòng)模塊參數(shù)，定義初始化參數(shù)值；給出用戶可以動(dòng)態(tài)修改的初始化參數(shù)結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)，以便于調(diào)用fopen函數(shù)時(shí)依據(jù)工程的需要?jiǎng)討B(tài)修改底層模塊的性能；在device.c中編寫(xiě)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的各個(gè)功能函數(shù)，在初始化設(shè)備功能函數(shù)(一般為device_open)中解析傳入的初始化參數(shù)結(jié)構(gòu)體，獲取初始化參數(shù)；編寫(xiě)注冊(cè)安裝設(shè)備驅(qū)動(dòng)函數(shù)，主要調(diào)用MQX提供的系統(tǒng)函數(shù)_io_dev_install注冊(cè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)到管理隊(duì)列中，但也可以對(duì)初始化參數(shù)進(jìn)一步封裝.

下面通過(guò)一個(gè)串行通信接口(Serial Communication Interface，SCI)設(shè)備驅(qū)動(dòng)實(shí)例來(lái)介紹設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程.主要步驟如下：

(ⅰ)SCI設(shè)備屬性信息封裝.設(shè)備屬性信息是在操作系統(tǒng)中配置設(shè)備驅(qū)動(dòng)、調(diào)用驅(qū)動(dòng)函數(shù)必須的參數(shù)，這些參數(shù)在MQX設(shè)備驅(qū)動(dòng)三層模型中的不同層之間傳遞，對(duì)于調(diào)用的上層應(yīng)用程序是透明的.SCI設(shè)備屬性通常包含設(shè)備號(hào)、模塊時(shí)鐘和通信波特率等，可用SCI_INIT_STRUCT屬性信息結(jié)構(gòu)體進(jìn)行封裝，結(jié)構(gòu)體類型定義放在sci.h文件中.在加載設(shè)備時(shí)，MQX將該結(jié)構(gòu)體加載到設(shè)備驅(qū)動(dòng)鏈隊(duì)列的對(duì)應(yīng)SCI設(shè)備結(jié)點(diǎn)中，并由 DRIVER_INIT_PTR類型指針來(lái)指向，實(shí)際使用時(shí)可通過(guò)該指針提取SCI設(shè)備屬性信息.描述SCI設(shè)備屬性的結(jié)構(gòu)體代碼如下：

∥SCI_INIT_STRUCT 結(jié)構(gòu)體

typedef struct _sci_init_struct{

uint_8 SCI_ID;∥SCI設(shè)備號(hào)

uint_32 BUS_CLK;∥模塊工作時(shí)鐘

uint_32 BAUD_RATE;∥通信波特率

} SCI_INIT_STRUCT,*SCI_INIT_PTR;

(ⅱ)編寫(xiě)SCI驅(qū)動(dòng)函數(shù).SCI驅(qū)動(dòng)函數(shù)利用設(shè)備標(biāo)識(shí)符可快速定位到設(shè)備驅(qū)動(dòng)隊(duì)列中的SCI結(jié)點(diǎn)，并通過(guò)該節(jié)點(diǎn)中的設(shè)備驅(qū)動(dòng)初始化句柄DRIVER_INIT_PTR解析出設(shè)備屬性信息，由傳入的設(shè)備參數(shù)對(duì)串口模塊進(jìn)行訪問(wèn)以實(shí)現(xiàn)具體的各個(gè)功能.驅(qū)動(dòng)函數(shù)聲明放在sci.h文件中，驅(qū)動(dòng)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)放在對(duì)應(yīng)的sci.c文件中.SCI串口驅(qū)動(dòng)包含串口打開(kāi)、關(guān)閉、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)等功能，部分串口驅(qū)動(dòng)函數(shù)代碼如下：

∥串口打開(kāi)函數(shù)

_mqx_int _io_sci_open(MQX_FILE_PTRfile_dev_ptr,char_ptr sci_name,char_ptrparams)

∥串口關(guān)閉函數(shù)

_mqx_int_io_sci_close(MQX_FILE_PTRfile_dev_ptr)

∥串口讀取函數(shù)

_mqx_int_io_sci_read(MQX_FILE_PTRfile_dev_ptr,char_ptrbuff,_mqx_intlen)

∥串口寫(xiě)入函數(shù)

_mqx_int_io_sci_write(MQX_FILE_PTRfile_dev_ptr,char_ptrbuff,_mqx_intlen)

其中：參數(shù)file_dev_ptr為關(guān)聯(lián)設(shè)備文件句柄；open_name為設(shè)備標(biāo)識(shí)符；params 為設(shè)備初始化屬性；buff為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；len為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度.

(ⅲ) 編寫(xiě)SCI驅(qū)動(dòng)注冊(cè)安裝函數(shù).MQX的I/O子系統(tǒng)層提供專門(mén)的API函數(shù)來(lái)管理設(shè)備驅(qū)動(dòng)隊(duì)列，包括_io_dev_install，_io_dev_uninstall，_io_get_handle，_io_init和_io_set_handle等.其中_io_dev_install函數(shù)負(fù)責(zé)將設(shè)備驅(qū)動(dòng)結(jié)點(diǎn)(包含設(shè)備標(biāo)識(shí)符、設(shè)備驅(qū)動(dòng)函數(shù)名和指向設(shè)備屬性信息結(jié)構(gòu)體指針)安裝到設(shè)備管理隊(duì)列中，從而建立I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)的中間轉(zhuǎn)換層.下面代碼段是在MQX/IO/io_inst.c文件中定義的_io_dev_install函數(shù)聲明部分：

_mqx_uint_io_dev_install(char_ptr identifier,∥設(shè)備標(biāo)識(shí)符

_mqx_int(_CODE_PTR_ io_open)∥I/O設(shè)備打開(kāi)函數(shù)

(MQX_FILE_PTR,char_PTR_,char_PTR_),∥I/O設(shè)備關(guān)閉函數(shù)

_mqx_int(_CODE_PTR_o_close)(MQX_FILE_PTR),

_mqx_int(_CODE_PTR_ io_read)∥I/O設(shè)備讀取函數(shù)

(MQX_FILE_PTR,char_PTR_,_mqx_int),∥I/O設(shè)備寫(xiě)函數(shù)

_mqx_int(_CODE_PTR_io_write)(MQX_FILE_PTR,char_PTR_,_mqx_int),

_mqx_int(_CODE_PTR_io_ioctl)∥I/O控制設(shè)備屬性函數(shù)

(MQX_FILE_PTR,_mqx_uint,pointer),∥I/O設(shè)備初始化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體

pointer io_init_data_ptr)

對(duì)于驅(qū)動(dòng)函數(shù)注冊(cè)安裝，需要具體設(shè)備的標(biāo)識(shí)符和指向存有設(shè)備屬性信息結(jié)構(gòu)的指針作為參數(shù)，并在注冊(cè)驅(qū)動(dòng)函數(shù)內(nèi)部調(diào)用系統(tǒng)API函數(shù)_io_dev_install實(shí)現(xiàn)注冊(cè)安裝.SCI注冊(cè)安裝驅(qū)動(dòng)函數(shù)編寫(xiě)如下：

_mqx_uint io_sci_install(char_ptr identifier,SCI_INIT_PTR sci_init_ptr){

∥調(diào)用系統(tǒng)注冊(cè)安裝API函數(shù)

return_io_dev_install(identifier,_io_sci_open,_io_sci_close,_io_sci_read,_io_sci_write,_io_sci_ioctl,(pointer) sci_init_ptr);}

其中：參數(shù)identifier為SCI 設(shè)備標(biāo)識(shí)符；sci_init_ptr為設(shè)備屬性信息結(jié)構(gòu)體指針._io_dev_install 函數(shù)的形參在實(shí)際調(diào)用時(shí)與第2大部分步驟(ii)中定義的SCI具體驅(qū)動(dòng)功能函數(shù)指針關(guān)聯(lián)，安裝成功即將SCI設(shè)備結(jié)點(diǎn)添加到系統(tǒng)的設(shè)備管理隊(duì)列之后.執(zhí)行打開(kāi)SCI設(shè)備文件操作時(shí)，I/O子系統(tǒng)以SCI設(shè)備標(biāo)識(shí)符作為索引檢索設(shè)備管理隊(duì)列，定位到設(shè)備后，通過(guò)關(guān)聯(lián)的文件句柄調(diào)用驅(qū)動(dòng)函數(shù)對(duì)SCI進(jìn)行訪問(wèn).

(ⅳ) 在任務(wù)中調(diào)用驅(qū)動(dòng)服務(wù).底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)注冊(cè)成功后，就可在MQX的功能任務(wù)中調(diào)用驅(qū)動(dòng)服務(wù).用戶可像對(duì)文件操作一樣，通過(guò)系統(tǒng)I/O層提供的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)對(duì)底層設(shè)備進(jìn)行訪問(wèn)和控制.在調(diào)用設(shè)備之前，需要獲取設(shè)備文件訪問(wèn)句柄，這一操作由標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)fopen函數(shù)實(shí)現(xiàn).用戶打開(kāi)設(shè)備時(shí)，實(shí)際上是獲取設(shè)備文件的訪問(wèn)句柄，有了設(shè)備訪問(wèn)句柄，其他標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)就可以通過(guò)其來(lái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作.以下是測(cè)試串口驅(qū)動(dòng)調(diào)用代碼：

void task_sci_test(uint_32 init_data)

{

MQX_FILE_PTR file_dev_ptr;

char buff=”This is SCI test!”;

file_dev_ptr=fopen(“sci2”,null);∥打開(kāi)設(shè)備，獲取設(shè)備文件句柄

if(file_dev_ptr){

write(file_dev_ptr,buff,strlen(buff));∥串口輸出字符串

}

fclose(file_dev_ptr);∥關(guān)閉設(shè)備

_task_block();∥任務(wù)阻塞

}

3 MQX底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方法改進(jìn)

3.1 底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)可移植性分析

對(duì)于無(wú)操作系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)調(diào)用而言，傳入的參數(shù)一般可被驅(qū)動(dòng)函數(shù)直接調(diào)用.而通過(guò)對(duì)MQX系統(tǒng)底層驅(qū)動(dòng)機(jī)制的分析可以發(fā)現(xiàn)，在其三層驅(qū)動(dòng)模型中，底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)與無(wú)操作系統(tǒng)下設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的主要區(qū)別在于，MQX底層驅(qū)動(dòng)傳入的是結(jié)構(gòu)體類型指針，包含了傳入?yún)?shù)信息的解析操作.這些操作都是由操作系統(tǒng)的API函數(shù)進(jìn)行組織和傳遞的，這樣可以提高設(shè)備驅(qū)動(dòng)與操作系統(tǒng)的粘合性，降低底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)的移植和復(fù)用效率，也難以復(fù)用被驗(yàn)證過(guò)的成熟設(shè)備驅(qū)動(dòng)構(gòu)件，導(dǎo)致增加嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)難度，同時(shí)也延長(zhǎng)開(kāi)發(fā)周期[11].

3.2 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)改進(jìn)基本思想

對(duì)于底層驅(qū)動(dòng)過(guò)于依附操作系統(tǒng)API函數(shù)的情況，可以將MQX底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序所需的參數(shù)由專門(mén)的函數(shù)(接口構(gòu)件)進(jìn)行解析后，再提供給底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)函數(shù)使用，這樣MQX底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序就與無(wú)操作系統(tǒng)下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序趨于一致.同樣地，無(wú)操作系統(tǒng)下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序只需加上一層負(fù)責(zé)參數(shù)解析的接口構(gòu)件，就可以掛接到MQX操作系統(tǒng)的設(shè)備管理隊(duì)列中，在MQX操作系統(tǒng)環(huán)境下使用.通過(guò)在I/O子系統(tǒng)層和底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)層之間增加接口驅(qū)動(dòng)層(圖3)，可以使得底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序不再緊密依附操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)完全獨(dú)立于MQX操作系統(tǒng).這樣一來(lái)，底層驅(qū)動(dòng)就不必為某種操作系統(tǒng)專門(mén)設(shè)計(jì)，應(yīng)用成熟的驅(qū)動(dòng)構(gòu)件還可以進(jìn)入構(gòu)件庫(kù)，為用戶提供面向底層設(shè)備而不是面向操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)構(gòu)件.根據(jù)軟件工程構(gòu)件化開(kāi)發(fā)思想，成熟的構(gòu)件復(fù)用不僅能提高軟件開(kāi)發(fā)效率，還能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[12].

圖3 改進(jìn)的I/O驅(qū)動(dòng)層次結(jié)構(gòu)Fig.3 Improved I/O Driver Hierarchy

3.3 接口驅(qū)動(dòng)構(gòu)件設(shè)計(jì)

根據(jù)前文的分析，接口驅(qū)動(dòng)構(gòu)件可以作為操作系統(tǒng)內(nèi)核與底層驅(qū)動(dòng)程序的連接通道，實(shí)現(xiàn)接口轉(zhuǎn)接功能.其主要職責(zé)可以歸結(jié)為3點(diǎn)：(1)接收來(lái)自I/O子系統(tǒng)層傳入的設(shè)備管理隊(duì)列中底層設(shè)備屬性結(jié)構(gòu)體參數(shù)；(2)提取分解結(jié)構(gòu)體參數(shù)信息；(3)調(diào)用底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)傳入至設(shè)備參數(shù)，供其使用.考慮到MQX驅(qū)動(dòng)函數(shù)采用的是統(tǒng)一的模型，操作系統(tǒng)對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)屬性信息的解析方式和對(duì)驅(qū)動(dòng)函數(shù)的調(diào)用規(guī)則是一致的，在設(shè)計(jì)接口驅(qū)動(dòng)構(gòu)件時(shí)，可復(fù)制工程中成熟的接口驅(qū)動(dòng)構(gòu)件進(jìn)行改寫(xiě)，在提高效率的同時(shí)也能使接口驅(qū)動(dòng)構(gòu)件更好地與操作系統(tǒng)銜接.因此，1.3節(jié)中SCI串口打開(kāi)接口驅(qū)動(dòng)函數(shù)可改寫(xiě)如下(其他接口驅(qū)動(dòng)與此類似，不再贅述)：

_mqx_int _io_sci_open(MQX_FILE_PTRfile_dev_ptr,char_ptrbuff,_mqx_int len){

∥在設(shè)備管理隊(duì)列中定位設(shè)備驅(qū)動(dòng)結(jié)點(diǎn)

IO_DEVICE_STRUCT_PTRdev_ptr=file_dev_ptr-DEV_PTR;

∥通過(guò)文件句柄訪問(wèn)設(shè)備屬性信息結(jié)構(gòu)體

SCI_INIT_PTR sci_init_ptr=(SCI_INIT_PTR)(dev_ptr-DRIVER_INIT_PTR);

∥提取設(shè)備屬性信息

uint_32 bus_clk=sci_init_ptr-BUS_CLK;

uint_32 b_rate=sci_init_ptr-BAUD_RATE;

∥調(diào)用底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)功能

sci_init(dev_id,bus_clk,baud_rate);∥初始化∥串口

sci_send(dev_id,len,buff);∥串口數(shù)據(jù)發(fā)送

…

}

3.4 SCI驅(qū)動(dòng)構(gòu)件測(cè)試

圖4 串口驅(qū)動(dòng)構(gòu)件測(cè)試Fig.4 Test of Serial Port Driver Component

測(cè)試工程使用MQXFW工程框架[2]，硬件采用基于ARM Cortex-M0+內(nèi)核的KL25評(píng)估板.用串口轉(zhuǎn)USB線連接PC與KL25評(píng)估板，通過(guò)嵌入式集成開(kāi)發(fā)軟件KDS(Kinetis Design Studio，Kinetis設(shè)計(jì)工作室)將包含SCI驅(qū)動(dòng)構(gòu)件和發(fā)送接收任務(wù)的工程進(jìn)行編譯并下載到KL25啟動(dòng)運(yùn)行.程序的主要功能是KL25定時(shí)向PC機(jī)發(fā)送字符串“This is SCI test!”，并通過(guò)中斷接收來(lái)自PC機(jī)發(fā)送的字符串，然后將字符串回發(fā)給PC機(jī).運(yùn)行在PC機(jī)端的串口測(cè)試軟件顯示接收到的字符串如圖4所示.測(cè)試結(jié)果表明，KL25串口模塊正常接收發(fā)送字符串，所設(shè)計(jì)的SCI驅(qū)動(dòng)構(gòu)件運(yùn)行穩(wěn)定可靠，結(jié)果正確.

4 結(jié)語(yǔ)

在嵌入式操作系統(tǒng)中，設(shè)備是應(yīng)用程序必使用的資源，然而設(shè)備具有多樣性，為了使操作系統(tǒng)下的應(yīng)用程序與設(shè)備無(wú)關(guān)，須將設(shè)備的復(fù)雜性和多樣性屏蔽起來(lái)，為應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的使用接口.在MQX操作系統(tǒng)中采用了三層模型，以設(shè)備驅(qū)動(dòng)隊(duì)列管理器為核心載體實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的驅(qū)動(dòng)管理模式，使得用戶可以使用標(biāo)準(zhǔn)的I/O函數(shù)來(lái)訪問(wèn)控制底層設(shè)備.但從設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)、移植和復(fù)用角度來(lái)看，由于設(shè)備參數(shù)信息需要MQX系統(tǒng)API函數(shù)進(jìn)行解析傳遞，因此增加了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與操作系統(tǒng)的粘合性，一定程度上也增加了設(shè)備驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)難度，降低了驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的可移植性和可復(fù)用性.從嵌入式軟件工程構(gòu)件開(kāi)發(fā)角度，在底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)外層再次進(jìn)行封裝，通過(guò)接口構(gòu)件來(lái)解析設(shè)備屬性參數(shù)信息，實(shí)現(xiàn)底層驅(qū)動(dòng)與操作系統(tǒng)轉(zhuǎn)接，這樣就可實(shí)現(xiàn)面向底層設(shè)備的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，與操作系統(tǒng)無(wú)關(guān)，將底層驅(qū)動(dòng)從操作系統(tǒng)中完全獨(dú)立出來(lái).實(shí)驗(yàn)證明，這種底層驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)方式有效提高了軟件開(kāi)發(fā)效率，開(kāi)發(fā)的底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件在不同應(yīng)用、不同操作系統(tǒng)間的移植和復(fù)用更加方便快捷.