嵌入式系統(tǒng)串行設(shè)備管理的研究與實(shí)現(xiàn)

引言

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的功能越來(lái)越強(qiáng)大，像 UART口、IrDA、USB、I2C以及SPI這些串行接口或設(shè)備同時(shí)存在于一個(gè)嵌入式系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的統(tǒng)一管理將能極大地提高整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的可移植性、易用性以及開(kāi)發(fā)效率。本文通過(guò)對(duì)嵌入式系統(tǒng)串行設(shè)備管理技術(shù)的研究，提出了“帶USB的串行管理”模型，并詳細(xì)闡述了串行設(shè)備管理的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

串行設(shè)備管理

串行設(shè)備管理是指對(duì)COM，IrDA、I2C、modem等流設(shè)備和接口的統(tǒng)一管理。具體說(shuō)，就是通過(guò)統(tǒng)一的上層應(yīng)用層接口和下層驅(qū)動(dòng)層接口實(shí)現(xiàn)對(duì)串行設(shè)備的統(tǒng)一管理和透明化處理，從而提高整個(gè)系統(tǒng)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(fù)雜性和高速性等特點(diǎn)，在嵌入式操作系統(tǒng)中一般專(zhuān)門(mén)為其建立一個(gè)USB模型而不放入串行設(shè)備管理中。雖然這樣有利于全面地管理USB主機(jī)、USB Hub以及USB設(shè)備，但整個(gè)模型實(shí)現(xiàn)代碼大而難，且在嵌入式系統(tǒng)下位機(jī)中多是USB設(shè)備而沒(méi)有USB主機(jī)和USB Hub。針對(duì)這一特點(diǎn)，本文把對(duì)USB設(shè)備的管理加入到串行管理中，使得對(duì)USB設(shè)備的訪問(wèn)如同對(duì)一個(gè)串口的訪問(wèn)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(gè)管理模型由兩層構(gòu)成，上層為操作系統(tǒng)應(yīng)用層接口函數(shù)集，主要是統(tǒng)一化的串行流接口函數(shù)，如OpenFile等;下層為硬件驅(qū)動(dòng)程序?qū)訉?duì)象和函數(shù)。串行管理的設(shè)備對(duì)象由虛擬化的HWOBJ結(jié)構(gòu)體來(lái)定義，虛擬對(duì)象的登記和管理則是通過(guò)對(duì)DEVICE_LIST結(jié)構(gòu)體的管理來(lái)實(shí)現(xiàn)。HWOBJ結(jié)構(gòu)體定義為：

typedef struct _HWOBJ {

void *device_parent; //指向DEVICE_LIST結(jié)構(gòu)

unsigned short device_index; //物理設(shè)備號(hào)，指向?qū)嶋H的串行設(shè)備或接口

unsigned lONg bind_flags; //中斷服務(wù)線程處理標(biāo)志位，預(yù)留

unsigned long IntID; //指定中斷類(lèi)型，預(yù)留

void *reserved;

PHW_VTBL func_tbl; //硬件驅(qū)動(dòng)函數(shù)對(duì)象表

} HWOBJ, *PHWOBJ;

DEVICE_LIST結(jié)構(gòu)體定義為：

typedef struct _DEVICE_LIST {

char *DllName; //設(shè)備DLL文件名，預(yù)留

unsigned long NumberOf Devices; //設(shè)備數(shù)量

void *DeviceArray; //設(shè)備隊(duì)列

} DEVICE_LIST, *PDEVICE_LIST;

為了解決USB的高速緩沖問(wèn)題，專(zhuān)門(mén)采用了兩個(gè)單獨(dú)的循環(huán)隊(duì)列，一個(gè)用于緩沖USB的IN傳輸數(shù)據(jù)，一個(gè)用于緩沖USB的OUT傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

帶USB的串行設(shè)備管理驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 帶USB的串行設(shè)備管理驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

帶USB的串行管理的實(shí)現(xiàn)

為了便于給應(yīng)用層編程人員和驅(qū)動(dòng)程序編程人員提供良好的編程接口，接口函數(shù)采用了與Windows操作系統(tǒng)中提供的API函數(shù)一致的函數(shù)名和參數(shù)。整個(gè)帶USB的串行管理的實(shí)現(xiàn)包括名字解析與應(yīng)用層接口函數(shù)的實(shí)現(xiàn)、串行設(shè)備低層驅(qū)動(dòng)接口、應(yīng)用層接口函數(shù)與低層驅(qū)動(dòng)接口的數(shù)據(jù)傳輸通道的實(shí)現(xiàn)。

名字解析與應(yīng)用層接口函數(shù)

這一層的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備文件到對(duì)應(yīng)設(shè)備指針的映射。應(yīng)用層主要接口函數(shù)有CreateFile 、OpenFile、WriteFile、 ReadFile、 CloseFIie等。具體實(shí)現(xiàn)上主要是設(shè)備名的登記和設(shè)備命名空間的管理。設(shè)備名的登記是指通過(guò)設(shè)備登記表來(lái)注冊(cè)設(shè)備文件名所對(duì)應(yīng)的物理設(shè)備文件名、函數(shù)操作指針和設(shè)備命名空間等。其中設(shè)備命名空間是指文件系統(tǒng)的統(tǒng)一文件與設(shè)備的訪問(wèn)接口表，應(yīng)用程序通過(guò)文件系統(tǒng)里的特殊入口(設(shè)備文件名設(shè)備句柄)訪問(wèn)外圍設(shè)備。

串行設(shè)備低層驅(qū)動(dòng)接口函數(shù)

串行設(shè)備低層驅(qū)動(dòng)接口通過(guò)提供以函數(shù)指針為成員的結(jié)構(gòu)體來(lái)實(shí)現(xiàn)，每一個(gè)結(jié)構(gòu)體函數(shù)指針成員對(duì)應(yīng)一個(gè)具體的硬件驅(qū)動(dòng)函數(shù)。

帶USB的串行管理的數(shù)據(jù)傳輸通道

USB的管理

由于相對(duì)于其它串行設(shè)備來(lái)說(shuō)，USB是高速設(shè)備，且為典型的主從式設(shè)備，因此，除了專(zhuān)門(mén)為USB采用了兩個(gè)循環(huán)隊(duì)列外，還針對(duì)USB是主控制設(shè)備的情況，采取通過(guò)自定義雙向訪問(wèn)協(xié)議包來(lái)解決下位機(jī)主動(dòng)發(fā)起訪問(wèn)的情況。

串行設(shè)備的單道訪問(wèn)

由于串行設(shè)備在操作系統(tǒng)應(yīng)用層被抽象為一個(gè)特殊文件，因而需要考慮是否讓多個(gè)應(yīng)用程序同時(shí)訪問(wèn)一個(gè)特殊文件的問(wèn)題，如果允許同時(shí)訪問(wèn)則稱(chēng)為多道訪問(wèn)，否則稱(chēng)為單道訪問(wèn)。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)在設(shè)計(jì)中通過(guò)記錄串行設(shè)備號(hào)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)串行設(shè)備的單道訪問(wèn)。

多設(shè)備的并行訪問(wèn)

通過(guò)跟蹤正在處于工作中的串行設(shè)備的設(shè)備號(hào)和記數(shù)值，來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同串行設(shè)備的并行運(yùn)行。

數(shù)據(jù)傳輸通道

數(shù)據(jù)傳輸通道如圖2所示。數(shù)據(jù)傳輸流程大致如下：程序(線程)調(diào)用WriteFile或ReadFile把要發(fā)送或接收的地址指針和數(shù)據(jù)大小傳遞到相應(yīng)的硬件屬性表中， WriteFile或ReadFile函數(shù)返回，應(yīng)用程序繼續(xù)運(yùn)行或掛起等待數(shù)據(jù)操作完(硬件中斷自動(dòng)完成)，最后由中斷返回一個(gè)消息喚醒掛起程序(線程)。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸通道

對(duì)于USB設(shè)備則先通過(guò)USB IN和OUT循環(huán)隊(duì)列緩沖再通過(guò)USB中斷進(jìn)行傳輸。

結(jié)語(yǔ)

嵌入式操作系統(tǒng)中的串行管理是操作系統(tǒng)I/O子系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，本文介紹的串行管理模塊已加入某國(guó)產(chǎn)的商用嵌入式操作系統(tǒng)中，并在深圳某高科技公司的SMARTPHONE項(xiàng)目中得到應(yīng)用。