QNX操作系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動模塊

關(guān)鍵詞：QNX 網(wǎng)絡(luò) 驅(qū)動程序

QNX是業(yè)界公認(rèn)的X86平臺上最好的嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)之一。它具有獨(dú)一無二的微內(nèi)核實(shí)時平臺，建立在微內(nèi)核和完全地址空間保護(hù)基礎(chǔ)之上，實(shí)時、穩(wěn)定、可靠，已經(jīng)完成到PowerPC、MIPS、ARM等內(nèi)核的移植，成為在國內(nèi)廣泛應(yīng)用的嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)。本文簡單介紹QNX內(nèi)核和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，針對目前熱門的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境，討論QNX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序的結(jié)構(gòu)和編寫。

1 QNX內(nèi)核簡介

QNX的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)是它區(qū)別于其它操作系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)。目前嵌入式系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序之間的關(guān)系大概可以歸納為圖1～圖3所示的三種情況。

平板式內(nèi)存結(jié)構(gòu)，如圖1所示，所有的程序都使用同一個地址空間，不加保護(hù)；應(yīng)用程序可以自由訪問所有空間，效率較高，但是任何應(yīng)用程序指針錯誤都可能會導(dǎo)致內(nèi)核崩潰。

大內(nèi)核內(nèi)存結(jié)構(gòu)，如圖2所示，操作系統(tǒng)內(nèi)核和各種驅(qū)動程序、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在同一個地址空間，應(yīng)用程序在單獨(dú)空間；內(nèi)核模塊同處于一個保護(hù)空間，運(yùn)行效率高，應(yīng)用程序無法直接訪問保護(hù)空間，系統(tǒng)穩(wěn)定性大大提高。缺點(diǎn)是，由于內(nèi)核模塊（例如網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動)處于保護(hù)空間，因此調(diào)試?yán)щy，任何驅(qū)動程序的修改都要重新編譯內(nèi)核，無法做到驅(qū)動的動態(tài)加載和卸載。

QNX的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，如圖3所示，內(nèi)核獨(dú)立自處于一個被保護(hù)的地址空間；驅(qū)動程序、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用程序處地程序空間中。

微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：①驅(qū)動程序、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、文件系統(tǒng)等操作系統(tǒng)模塊和內(nèi)核相互獨(dú)立，任何模塊的故障都不會導(dǎo)致內(nèi)核的崩潰；②驅(qū)動程序、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序都處于程序空間，都調(diào)用相同的內(nèi)核API，開發(fā)與調(diào)試和應(yīng)用程序沒有區(qū)別；③操作系統(tǒng)功能模塊可以根據(jù)需要動態(tài)地加載或卸載，不需要編譯內(nèi)核。在高可靠性要求的情況下，可以編寫監(jiān)視模塊，對可靠性要求高的模塊進(jìn)行監(jiān)視，必要的時候重新啟動或重新加載而無須重啟系統(tǒng)。高可靠性的內(nèi)核結(jié)構(gòu)使QNX具備了高可靠性嵌入式操作系統(tǒng)的本質(zhì)特征。

在具有高可靠性內(nèi)核的基礎(chǔ)上，QNX的創(chuàng)新設(shè)計使它同樣具有很高的效率。QNX最為引人注目的地方是，它是UNIX的同胞異構(gòu)體，保持了和UNIX的高度相似性，絕大多數(shù)UNIX或LINUX應(yīng)用程序可以在QNX下直接編譯生成。這意味著為數(shù)眾多的穩(wěn)定成熟的UNIX、LINUX應(yīng)用可以直接移植到QNX這個更加穩(wěn)定高效的實(shí)時嵌入式平臺上來。

2 QNX網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

QNZ網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)由三個部分組成：網(wǎng)絡(luò)管理模塊（io-net）、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模塊（npm-qnet.so、npm-tcpip.so）、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動模塊（devn-ne2000.so）。

模塊之間的層次關(guān)系如圖4所示。

圖4中的每個模塊各自具有不同的功能，但是它們具有一些相同的屬性。如：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動、TCP/IP協(xié)議棧分別對上層io-net模塊和應(yīng)用程序產(chǎn)生數(shù)據(jù)，兩者都可以被看作數(shù)據(jù)源；同時它們也接受上層發(fā)來的數(shù)據(jù)，又可以同時被看作數(shù)據(jù)的消費(fèi)者。過濾模塊對向上的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，分協(xié)議進(jìn)行處理；對向下的數(shù)據(jù)則進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，如進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換NAT。轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)不同協(xié)議幀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，在以太網(wǎng)的工作環(huán)境下，它就負(fù)責(zé)對IP數(shù)據(jù)報進(jìn)行以太網(wǎng)幀的封裝和解包。

和QNX其它服務(wù)進(jìn)程一樣，QNX的網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)也在內(nèi)核外部空間運(yùn)行。應(yīng)用程序面對的是一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)接口，硬件相關(guān)的內(nèi)容被完全包裝在網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)內(nèi)。

QNX網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的三個子模塊按層次分開，io-net模塊處于中心，是QNX網(wǎng)絡(luò)的核心和重點(diǎn)，其它模塊都掛接在它上面。數(shù)據(jù)和信息的流動都必須經(jīng)由io-net調(diào)度與轉(zhuǎn)發(fā)，所有其它模塊所面對的就是一個單一主體。這樣的中心交換結(jié)構(gòu)，屏蔽了各個模塊間相互協(xié)調(diào)的復(fù)雜細(xì)節(jié)，在很大程序上方便了模塊的編寫工作；同時，io-net還是QNX的網(wǎng)絡(luò)管理中心。任何網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序都必須向io-net注冊，由它來加載，并接受io-net的配置和管理，用戶對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的查詢和管理也是通過io-net來實(shí)現(xiàn)的。

3 QNX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動

QNX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動模塊處于網(wǎng)絡(luò)硬件和io-net模塊之間。驅(qū)動模塊負(fù)責(zé)配置硬件使其正常工作，向io-net報告數(shù)據(jù)收發(fā)情況，接收和傳遞數(shù)據(jù)，接受io-net的調(diào)度和管理。QNX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序依照以上功能，分為初始化、接收發(fā)送數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備信息統(tǒng)計幾個功能塊。要使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備工作正常，驅(qū)動程序就要對它進(jìn)行一定的寄存器配置，同時，還要向QNX網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)注冊自己，表明網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的存在和網(wǎng)絡(luò)通信能力，才能為系統(tǒng)和應(yīng)用程序所用。在初始化工作完成以后，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備就進(jìn)入了工作狀態(tài)，收發(fā)數(shù)據(jù)。設(shè)備信息的統(tǒng)計也是由設(shè)備驅(qū)動程序來完成的。

(1)初始化

初始化包括兩個方面，一方面是初始化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，使其正常工作；另一個方面，是向io-net正確注冊驅(qū)動模塊，表明自己的屬性，方便上層正確操作。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的初始化工作和硬件緊密相關(guān)，這里就不一一描述。

驅(qū)動模塊向io-net加載自己的時候，系統(tǒng)遵循如下工作流程：

①io-net搜索全局的符合io_net_dll_entry。它定義了驅(qū)動的初始化函數(shù)，io-net會直接調(diào)用這個函數(shù)。

②初始化函數(shù)向io-net注冊驅(qū)動和相應(yīng)的函數(shù)。

③初始化函數(shù)告訴io-net和它的模塊自己的通信能力。

經(jīng)過以上流程以后，io-net中就建立起有關(guān)此驅(qū)動程序的數(shù)據(jù)和函數(shù)調(diào)用列表。驅(qū)動程序必須正確編寫初始化函數(shù)，并將該函數(shù)正確鏈接至io_net_dll_entry。

（2)從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接收數(shù)據(jù)

當(dāng)有包到達(dá)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的時候，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備就會用某種方式通知驅(qū)動程序（例如中斷），此時，驅(qū)動程序就要采取某種策略來處理到來的幀或數(shù)據(jù)。通常驅(qū)動程序這時候需要做以下工作：

①通過DMA將包取回來；

②做相應(yīng)的必要處理，如通知網(wǎng)絡(luò)設(shè)備釋放當(dāng)前幀的緩存，配置寄存器讓網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等待下一幀到來等；

③通過調(diào)用io-net的tx_up_start()函數(shù)把包傳遞給上層模塊。

當(dāng)上層所有的模塊都完成對這個包的處理以后，io-net調(diào)用我們驅(qū)動中的tx_done（）函數(shù)，它來做最后的處理工作。

tx_up_start（）函數(shù)是設(shè)備驅(qū)動中比較關(guān)鍵的函數(shù)，下面簡要部分一下這個函數(shù)的入口參數(shù)。

npkt_t*(*tx_up_start)(int registrant_hdl，

nptk_t *npkt,

int off,

int framelen_sub,

uint16_t cell,

uint 16_t endpoint,

uint16_t iface，

void *done_hdl)

其中:int registrant_hdl--本驅(qū)動在io-net中的句柄，注冊時由io-net生成；

nptk_t *npkt --需要處理的包的指針；

int off--底層協(xié)議包頭長度，如以太網(wǎng)幀頭部長度；

int framelen_sub--尾部填充的長度，對于以太網(wǎng)這個值為零；

uint16_t cell、uint16_t endpoint--endpoint和cell是io-net在注冊的時候分配的用來區(qū)別不同的驅(qū)動；

uint16_t iface--接口號，可以讓同一個驅(qū)動負(fù)現(xiàn)多個相同硬件；

void *done_hdl--該指針指向tx_done（）函數(shù)需要的額外數(shù)據(jù)。

（3）向網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)

當(dāng)上層模塊需要硬件傳送包的時候，會調(diào)用io-net管理器的rx_down()函數(shù)。

int(*rx_down)(npkt_t*npkt，

void *func_hdl）

rx_down函數(shù)入口參數(shù)中，npkt是指向需要傳送的數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)指針，func_hdl是相應(yīng)驅(qū)動模塊在io-net中的句柄。其中npt結(jié)構(gòu)包含許多成員，其中的重要成員如表1所列。

表1

驅(qū)動模塊在接收到io-net的調(diào)用后，就要配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，讓它完成數(shù)據(jù)的發(fā)送工作。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)所需要的信息都會在相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，如net_buf_t結(jié)構(gòu)中保存了等待傳送的數(shù)據(jù)包的鏈接列表，配置DMA所需的物理地址在net_iov_t中等。驅(qū)動模塊要等待硬件完成這些包的傳送，并調(diào)用io-net的tx)done（）函數(shù)通知上層模塊驅(qū)動程序已經(jīng)完成了數(shù)據(jù)的發(fā)送。

4 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備信息的統(tǒng)計

應(yīng)用程序或者用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)信息接口nicinfo工具來了解網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)。信息的查詢都是通過io-net來進(jìn)行的。驅(qū)動程序必須維護(hù)相應(yīng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，方便io-net的查詢。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有一些共同的狀態(tài)屬性，如收到和發(fā)出的包的個數(shù)、發(fā)送錯誤的包的個數(shù)等，不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備還會具有不同的屬性和狀態(tài)，這些都可以在驅(qū)動程序中用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)詳細(xì)列明。

需要維護(hù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，主要的是Nic_t，它包括四個子結(jié)構(gòu)；

CustNicStats--網(wǎng)絡(luò)信息入口；

EthernesStats_t--以太網(wǎng)狀態(tài)；

GenStats_t--常用統(tǒng)計信息；

NetStats_t--網(wǎng)絡(luò)信息（包含常用統(tǒng)計信息）。

以上是驅(qū)動程序需要維護(hù)的數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶或應(yīng)用程序要查詢這些信息的時候，它們就通過Nicinfo工具對/dev/io-net/en0調(diào)用devctl()函數(shù)來取得網(wǎng)絡(luò)信息。信息的取得是必須通過io-net來完成的，io-net對信息的查詢則是通過調(diào)用io_net_register_funs_t結(jié)構(gòu)中所指向的函數(shù)來取得信息的。例：

#includesys/nic.h>

int generic_eth_devctl(void *hdl,int dcmd,void ＊data,size_t size,int ＊ret）

{

Nic_t ＊nic=(Nic_t ＊)hdl；

int status;

status=EOK;

switch(dcmd){

case DCMD_IO_NET_NICINFO;

memcpy(data,nic,min(size,sizeof(Nic_t)));

break;

default:

status=ENOTSUP;

break;

}

return(status）；

}

結(jié)語

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的驅(qū)動是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最低層和最基礎(chǔ)的模塊，是如今嵌入式開發(fā)中首先要解決的問題之一。由于QNX具有微內(nèi)核的特點(diǎn)，其網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)不需要內(nèi)核調(diào)試，更適合初學(xué)者掌握。本文對QNX操作系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序的介紹，可以幫助讀者對相關(guān)內(nèi)容作初步了解。