基于Windows CE的SPI驅動程序設計

　　引 言

　　Windows CE為支持多線程、多任務、搶占式的嵌入式操作系統(tǒng)。隨著Windows CE 6.0的發(fā)布，其內核性能的明顯提升和源代碼開放，將促使其在消費電子、工業(yè)控制、移動通信等領域得到廣泛的應用。通常Platform Builder中給出了支持多種CPU常用設備驅動程序，如LCD驅動、鼠標驅動、USB驅動、串口驅動等;但有時由于平臺采用了其他特定的硬件設備，其驅動程序在Platform Builder并沒有給出，這時就需要用戶針對實際的硬件自行開發(fā)，以滿足個性化的需求。本文所涉及的SPI接口驅動就屬于此類。

　　1 SPI總線及S3C2440芯片介紹

　　串行外圍設備接口SPI(Serial Peripheral Interface)總線是Freescale公司推出的一種三線同步接口。接口采用同步串行3～4線方式進行通信，即1條時鐘線SCK、1條數(shù)據(jù)輸入線MOSI、1條數(shù)據(jù)輸出線MISO，另外還有1條從選線NSS(可選)，用于CPU與各種外圍器件進行全雙工、同步串行通信。SPI接口在眾多的移動存儲和高速通信芯片上得到廣泛應用。

　　根據(jù)時鐘極性和時鐘相位的不同，MOSI和MISO上的數(shù)據(jù)支持4種數(shù)據(jù)傳輸格式。SPI的主要特點為：可以同時發(fā)出和接收串行數(shù)據(jù)，可以當作主機或從機工作，提供頻率可編程時鐘，發(fā)送結束中斷標志，寫沖突保護和總線競爭保護等。

　　S3C2440是一款基于ARM920T的16/32位RISC微處理器，主頻可達400 MHz。該芯片性價比高，功耗低，含有豐富的片內外設，主要用于手持設備和移動終端。S3C2440中與SPI相關的寄存器有：

　　2 Windows CE的驅動程序

　　2.1 Windows CE下驅動程序的基本概念和分類

　　驅動程序是一個抽象物理設備或者虛擬設備的功能軟件，驅動程序管理這些設備的操作并將設備的功能導出給操作系統(tǒng)和應用程序。根據(jù)驅動程序導出接口的不同，windows CE中驅動可以分為本機設備驅動程序(native device driver)和流式驅動程序(streams device driver)。本機設備驅動適于集成到基于Windows CE平臺的設備。這些設備驅動程序是一些硬件所必需的，是由原始設備制造商創(chuàng)建的，用來驅動如鍵盤、LED、觸摸屏等。本機驅動在編譯時被靜態(tài)鏈接到GWES，系統(tǒng)運行時由GWES加載。流式驅動程序也稱"可安裝驅動程序"，是由設備管理器(device.exe)動態(tài)加載用戶模式的DLL。對流式驅動程序來說，不管需要控制的設備是什么類型，所有流式驅動都使用相同的接口并導出一組相同的函數(shù)--流接口函數(shù)。流式驅動適用任何在邏輯上可以被認為是一個數(shù)據(jù)源或者數(shù)據(jù)存儲的I/O設備。

　　2.2流式驅動程序工作原理

　　在Window CES中，流式驅動程序負責將設備抽象成一個文件，應用程序便能夠使用系統(tǒng)提供的API(ReadFile、writeFile、IOControl等)對其進行讀寫。應用程序使用文件API訪問設備時，請求經(jīng)過文件系統(tǒng)(Filesys.exe)過濾被送到device.exe;device.exe根據(jù)請求調相關的流式驅動程序接口，從而完成與硬件的交互。

　　2.3 設備驅動的中斷處理

　　在windows CE系統(tǒng)中，當中斷發(fā)生時，OEM抽象層(OEM Abstraction Layer，OAL)把物理中斷信號映射成OEM定義的邏輯中斷供操作系統(tǒng)和驅動程序調用。為了滿足實時性要求，系統(tǒng)將中斷處理過程分為2個階段，即處于內核模式的中斷服務例程(Interrupt Service Routine，ISR)和處于用戶模式的中斷服務線程(Interrupt Service Thread，IST)。ISR主要負責將物理中斷映射為邏輯中斷，然后由操作系統(tǒng)根據(jù)邏輯中斷激發(fā)所關聯(lián)時間對象的內核，使等待該事件內核對象的線程IST開始執(zhí)行中斷處理程序。

　　具體中斷處理過程如圖1所示。中斷發(fā)生后，信號發(fā)往異常處理器，并且中斷支持處理器調用OAL函數(shù)OEMInterruptDisable關閉來自該硬件的中斷。ISR被內核調用并返回結果，且通過內核設置Event事件來觸發(fā)IST。IST被喚醒后調用各種I/O函數(shù)完成中斷處理并返回InterruptDone通知內核。內核調用OEMInterruptDone通知硬件重新開啟中斷。

　　3 SPI總線驅動設計

　　綜上所述，SPI總線驅動分為2部分，即處于內核模式OAL層將物理中斷映射成邏輯中斷的ISR，以及處于用戶模式流式驅動。其中包括執(zhí)行中斷處理線程IST。

　　3.1 初始化中斷以及ISR實現(xiàn)

　　SPI通信是通過讀寫SPI寄存器來完成的，通過讀寫上述6個SPI寄存器中的狀態(tài)字可以檢測和控制SPI總線的行為。在OAL層中需要完成的工作如下：

　?、僭谥袛囝^文件oalintr.h中添加SPI的中斷宏定義，供ISR返回調用。

　　#(define SYSINTR_SPIO (SYSINTR_FIRMWARE+22)

　　注意：定義時要使中斷號滿足該文件中MapIrq2SysIntr中所要求的范圍。WinCE4.2版本支持最大中斷數(shù)為32，WinCE5.0版支持最大中斷數(shù)為64。

　?、谠贠AL實現(xiàn)文件cfw.c中，添加中斷初始化和禁止中斷實現(xiàn)代碼。

　?、墼谥袛嗵幚韺崿F(xiàn)文件armint.c的OEMInterruptHandler函數(shù)中添加ISR程序代碼，返回邏輯中斷號。代碼如下：

　　3.2 流式驅動的實現(xiàn)

　　驅動被加載后需要完成設備的初始化工作，包括地址空間申請和映射、全局變量的初始化、IST的加載等。初始化的代碼簡化如下：

　　需要說明的是，在本程序中使用了CEDDK中MmMapIoSpace庫函數(shù)，故另需在頭文件中添加#include和#pragma comment(lib,"ceddk.lib")。至此，g_SPIReg在其他的驅動實現(xiàn)函數(shù)中就可以調用，直接讀寫其指向的寄存器的代碼即可完成相關的操作。還需要實現(xiàn)的函數(shù)有：SPI_Deinit、SPI_Read、SPI_write、SPI_Seek、SPI_Open、SPI_Close、SPI_IOCntrol。限于篇幅，本文僅給出驅動初始化的代碼。

　　(編者注：源代碼見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。)

　　3.3 驅動與應用程序的通信設計

　　在Windows CE中，用戶模式下每個進程與其他進程所占有的內存空間被虛擬內存機制隔離，進程間無法實現(xiàn)直接互訪。在驅動程序和應用程序通信過程中，驅動程序位于device.exe的進程空間中，由于上述原因，驅動程序向應用程序發(fā)起的單向通信存在困難。通常的解決方法是在內核空間中共享同步對象，建立消息隊列或者通過指針映射來完成。上述方法都無法回避進程間的數(shù)據(jù)復制過程，因而只適用于少量的數(shù)據(jù)傳輸。對于大量的數(shù)據(jù)或者實時性要求較高的情況，可以在虛擬地址為Ox4200 0000～0x7fff ffff的空間中建立命名的內存映射來實現(xiàn)內存共享，從而能夠避免數(shù)據(jù)在進程空間中的復制。相關的API為CreateFileMapping和MapView()fFile。

　　3.4 驅動程序的封裝和安裝

　　驅動接口函數(shù)編寫完后將其接口以dll的形式導出，再編寫一個簡單的注冊表文件，指明驅動安裝的路徑、前綴以及索引。至此驅動程序設計工作就完成了，將驅動及注冊表添加到當前的平臺中即可。

　　結 語

　　本文詳細介紹了Platform Builder下SPI接口驅動程序設計以及驅動程序同應用程序交互的實現(xiàn)。驅動例程已經(jīng)成功地應用于基于nRF2401的嵌入式系統(tǒng)無線通信當中，具有很高的參考價值。