淺析μC/OS-Ⅱ設備驅(qū)動的設計與實現(xiàn)

設備驅(qū)動程序是任何操作系統(tǒng)的必不可少的、最保密的一個組成部分，它們實現(xiàn)了計算機系統(tǒng)所有附屬設備的一個標準接口，它包含與硬件直接相關(guān)的設備驅(qū)動。從廣義上說，“驅(qū)動程序”是指一些函數(shù)的集合，這些函數(shù)都能對硬件設備進行操作。本文簡單分析了μC/OS-Ⅱ下設備驅(qū)動的設計與實現(xiàn)。

設備驅(qū)動程序是任何操作系統(tǒng)的必不可少的、最保密的一個組成部分，它們實現(xiàn)了計算機系統(tǒng)所有附屬設備的一個標準接口，它包含與硬件直接相關(guān)的設備驅(qū)動。從廣義上說，“驅(qū)動程序”是指一些函數(shù)的集合，這些函數(shù)都能對硬件設備進行操作。驅(qū)動程序的概念在沒有固定的操作系統(tǒng)的時候，是一個比較模糊的定義。簡單地理解就是提供了一個軟件到硬件(也可以是虛擬硬件)操作的函數(shù)。通常主要應該包括：設備初始化、設備的讀寫(輸入輸出)、設備的控制等信息。在μC/OS-Ⅱ下沒有統(tǒng)一的設備驅(qū)動接口——不像windows或者linux下通過設備文件的定義模式，所以，把一些對硬件操作是通過一般的函數(shù)來完成的，叫成“驅(qū)動程序”也不為過。

1. 簡介

外設驅(qū)動程序是實時內(nèi)核和硬件之間的接口，是連接底層硬件和內(nèi)核的紐帶。

編寫驅(qū)動程序模塊應滿足以下主要功能：

① 對設備初始化;

② 把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù);

③ 讀取應用程序傳送給設備的數(shù)據(jù)和回送應用程序請求的數(shù)據(jù);

④ 監(jiān)測和處理設備出現(xiàn)的異常。由于在μC/OS-Ⅱ下沒有統(tǒng)一的設備驅(qū)動接口，在該操作系統(tǒng)中設備驅(qū)動的設計和實現(xiàn)主要是通過一些對硬件操作的函數(shù)來完成。

2. μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)啟動過程中的硬件初始化

基于μC/OS-II的應用系統(tǒng)工作時，首先把CPU初始化;接著進行操作系統(tǒng)初始化，主要完成任務控制塊(TCB)初始化、TCB優(yōu)先級表初始化、空任務的創(chuàng)建等;然后開始創(chuàng)建新任務，并可在新創(chuàng)建的任務中再創(chuàng)建其他的新任務;最后調(diào)用OSSTART()函數(shù)啟動多任務調(diào)度。

當μC/OS-Ⅱ?qū)嶋H移植到具體的硬件平臺中時，系統(tǒng)初始化時還要進行硬件的初始化。主函數(shù)是系統(tǒng)啟動首先執(zhí)行的一個函數(shù)，在啟動μC/OS—Ⅱ之前，要屏蔽所有中斷，并對全局變量初始化，防止運行出錯。硬件初始化主要包括中斷初始化，串口、鍵盤、顯示等設備初始化。μC/OS—Ⅱ的初始化通過調(diào)用OSInit()函數(shù)，為OS分配任務隊列、優(yōu)先級狀態(tài)表和準備狀態(tài)表，初始化全局變量，并且創(chuàng)建一個空循環(huán)任務。接下來，在啟動μC/OS—Ⅱ前調(diào)用OSTaskCreate()創(chuàng)建所有用戶任務，并置準備態(tài)，創(chuàng)建任務時，要指定每個任務的優(yōu)先級、堆棧大小和位置、任務函數(shù)入口。調(diào)用OS2Start()啟動μC/OS—Ⅱ。從就緒隊列中找到優(yōu)先級最高的任務，作為當前任務執(zhí)行。流程如圖所示。

3. μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)對硬件的操作和控制

3.1 函數(shù)控制硬件

前面已經(jīng)提到過，不像其他的操作系統(tǒng)，在μC/OS—Ⅱ中沒有統(tǒng)一的設備驅(qū)動接口，因此對硬件的操作和控制可以通過函數(shù)來完成。在啟動過程中完成硬件初始化后，系統(tǒng)創(chuàng)建一個空循環(huán)任務，然后就可以調(diào)用OSTaskCreate()創(chuàng)建用戶任務，在任務用戶任務中選擇要控制的硬件，選擇最佳的控制方法，調(diào)用用戶自己編寫的函數(shù)來完成。

圖 系統(tǒng)啟動流程

3.2 BSP

BSP(板級支持包)是介于底層硬件和操作系統(tǒng)之間的軟件層次，它完成系統(tǒng)上電后最初的硬件和軟件初始化，并對底層硬件進行封裝，使得操作系統(tǒng)不再面對具體的操作。

為μC/OS-Ⅱ編寫一個簡單的 BSP。它首先設置CPU內(nèi)部寄存器和系統(tǒng)堆棧，并初始化堆棧指針，建立程序的運行和調(diào)用環(huán)境;然后可以方便地使用C語言設置硬件的配置環(huán)境，并編制相應的操作函數(shù)，為操作系統(tǒng)調(diào)用提供統(tǒng)一的接口;在CPU、板級和程序自身初始化完成后，就可以把CPU的控制權(quán)交給操作系統(tǒng)了。

4. 實際應用舉例

既然在μC/OS-Ⅱ下沒有統(tǒng)一的設備驅(qū)動接口，系統(tǒng)對硬件的控制是通過一些對硬件操作的函數(shù)來完成的。下面以在μC/OS-Ⅱ?qū)崟r內(nèi)核下驅(qū)動程序讀取A/D的三種方法，分析在實際的工程實踐中μC/OS-Ⅱ設備驅(qū)動的設計和實現(xiàn)，以及在設計過程中應注意的一些問題。

以一個單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例，硬件環(huán)境基于C8051F015單片機。A/D轉(zhuǎn)換是單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要組成部分，實時內(nèi)核下A/D驅(qū)動程序的實現(xiàn)過程主要取決于A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間。我們首先比較和分析μC/OS-Ⅱ下A/D采樣數(shù)據(jù)的三種方法;其次介紹C8051F015單片機A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器的配置及特點;最后，在μC/OS-II內(nèi)核移植到8位單片機C8051F015的基礎上，介紹編寫A/D驅(qū)動程序的一般思路和方法。

4.1 μC/OS-II實時內(nèi)核下的A/D讀取方法

實時內(nèi)核下，驅(qū)動程序采用什么方法讀取A/D采樣數(shù)據(jù)是首先考慮的問題。許多因素將影響讀取A/D，如A/D的轉(zhuǎn)換時間、模擬值的轉(zhuǎn)換頻率、輸入通道數(shù)等，但最主要的是取決于A/D的轉(zhuǎn)換時間。典型的A/D轉(zhuǎn)換電路由模擬多路復用器(M U X)、放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)三部分組成。下面描述讀取A/D的三種方法。

圖1所示的是第1種讀取方法。假設A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間較慢(5ms以上)，應用程序調(diào)用圖1所示的驅(qū)動程序，并傳遞要讀取的通道。驅(qū)動程序通過M U X選擇要讀取的模擬通道(①)開始讀。轉(zhuǎn)換前，延時幾μs以便使信號通過M U X傳遞，并使之穩(wěn)定下來。接著，ADC被觸發(fā)開始轉(zhuǎn)換(②)。然后驅(qū)動程序延時一段時間以完成轉(zhuǎn)換(③)。延時時間必須比ADC轉(zhuǎn)換時間長。最后驅(qū)動程序讀取ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果(④)，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果返回到應用程序(⑤)。

圖2所示的是第2種讀取方法。當模擬轉(zhuǎn)換完成后，ADC產(chǎn)生的一個中斷信號。若ADC轉(zhuǎn)換完成，ISR給信號量發(fā)一個信號(⑤)，通知驅(qū)動程序，ADC已經(jīng)完成轉(zhuǎn)換。如果ADC在規(guī)定的時限內(nèi)沒有完成轉(zhuǎn)換，信號量超時(③)，則驅(qū)動程序不再等待下去。驅(qū)動程序和中斷服務子程序(ISR)的偽代碼如下：