淺析嵌入式μC設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、淺析嵌入式 C/OS- 設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是任何操作系統(tǒng)的必不可少的、 最保密的一個(gè)組成部分， 它們實(shí)現(xiàn)了計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)所有附屬設(shè)備的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口， 它包含與硬件直接相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。 從廣義上說，“驅(qū) 動(dòng)程序” 是指一些函數(shù)的集合， 這些函數(shù)都能對硬件設(shè)備進(jìn)行操作。 本文簡單分析了 C/OS- 下設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是任何操作系統(tǒng)的必不可少的、 最保密的一個(gè)組成部分， 它們實(shí)現(xiàn)了計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)所有附屬設(shè)備的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口， 它包含與硬件直接相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。 從廣義上說，“驅(qū) 動(dòng)程序” 是指一些函數(shù)的集合， 這些函數(shù)都能對硬件設(shè)備進(jìn)行操作。 驅(qū)動(dòng)程序的概念在沒有 固定的操作

2、系統(tǒng)的時(shí)候， 是一個(gè)比較模糊的定義。 簡單地理解就是提供了一個(gè)軟件到硬件 （也 可以是虛擬硬件）操作的函數(shù)。通常主要應(yīng)該包括：設(shè)備初始化、設(shè)備的讀寫（輸入輸出） 、 設(shè)備的控制等信息。在 C/OS-下沒有統(tǒng)一的設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口不像windows 或者 linux下通過設(shè)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(dòng)程序”也不為過。1 簡介 外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序是實(shí)時(shí)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(dòng)程序模塊應(yīng)滿足以下主要功能： 對設(shè)備初始化； 把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù)； 讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備的數(shù)據(jù)和回送應(yīng)用程序請求的數(shù)據(jù)； 監(jiān)測

3、和處理設(shè)備出現(xiàn)的異常。 由于在 C/OS-下沒有統(tǒng)一的設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口， 在該操 作系統(tǒng)中設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)主要是通過一些對硬件操作的函數(shù)來完成。2 C/OS- 操作系統(tǒng)啟動(dòng)過程中的硬件初始化基于 的應(yīng)用系統(tǒng)工作時(shí)， 首先把初始化； 接著進(jìn)行操作系統(tǒng)初 始化，主要完成任務(wù)控制塊（）初始化、優(yōu)先級表初始化、空任務(wù)的創(chuàng)建等； 然后開始創(chuàng)建新任務(wù)， 并可在新創(chuàng)建的任務(wù)中再創(chuàng)建其他的新任務(wù)； 最后調(diào)用 （）函數(shù)啟動(dòng)多任務(wù)調(diào)度。當(dāng)C/OS-實(shí)際移植到具體的硬件平臺(tái)中時(shí)，系統(tǒng)初始化時(shí)還要進(jìn)行硬件的初始化。 主函數(shù)是系統(tǒng)啟動(dòng)首先執(zhí)行的一個(gè)函數(shù)，在啟動(dòng)C/OS 之前，要屏蔽所有中斷，并對全局變量初始化，防止運(yùn)行

4、出錯(cuò)。硬件初始化主要包括中斷初始化，串口、鍵盤、顯示等設(shè)備初始化。 C/OS的初始化通過調(diào)用 OSInit() 函數(shù)，為 OS 分配任務(wù)隊(duì)列、優(yōu)先級狀態(tài) 表和準(zhǔn)備狀態(tài)表，初始化全局變量，并且創(chuàng)建一個(gè)空循環(huán)任務(wù)。接下來，在啟動(dòng) C/OS前調(diào)用 OSTaskCreate()創(chuàng)建所有用戶任務(wù)，并置準(zhǔn)備態(tài)，創(chuàng)建任務(wù)時(shí)，要指定每個(gè)任務(wù)的 優(yōu)先級、堆棧大小和位置、任務(wù)函數(shù)入口。調(diào)用OS2Start()啟動(dòng) C/OS。從就緒隊(duì)列中找到優(yōu)先級最高的任務(wù)，作為當(dāng)前任務(wù)執(zhí)行。流程如圖所示。3 C/OS- 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 C/OS中沒有統(tǒng)一的設(shè)備

5、驅(qū)動(dòng)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(dòng)過程中完成硬件初始化后， 系統(tǒng)創(chuàng)建 一個(gè)空循環(huán)任務(wù)，然后就可以調(diào)用OSTaskCreate()創(chuàng)建用戶任務(wù)，在任務(wù)用戶任務(wù)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。3.2 BSPBSP（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(jìn)行封裝，使得操作系統(tǒng)不再面對具體的操作。為 C/OS-編寫一個(gè)簡單的 BSP。它首先設(shè)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(yùn)行和調(diào)用環(huán)境；然后可以方便地使用 C 語言設(shè)置硬件的配置環(huán)境， 并

6、編制相應(yīng)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(shí)際應(yīng)用舉例既然在 C/OS-下沒有統(tǒng)一的設(shè)備驅(qū)動(dòng)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 C/OS- 實(shí)時(shí)內(nèi)核下驅(qū)動(dòng)程序讀取 A/D 的三種方法，分析在 實(shí)際的工程實(shí)踐中 C/OS- 設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)， 以及在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的一些問題。以一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例，硬件環(huán)境基于 C8051F015 單片機(jī)。 A/D 轉(zhuǎn)換是單片機(jī)數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)的重要組成部分，實(shí)時(shí)內(nèi)核下 A/D 驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)過程主要取決于 A/D 轉(zhuǎn)換器

7、的轉(zhuǎn)換時(shí)間。我們首先比較和分析 C/OS- 下 A/D 采樣數(shù)據(jù)的三種方法；其次介紹C8051F015 單片機(jī) A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的配置及特點(diǎn)；最后，在 C/OS-II 內(nèi)核移植到 8 位單片 機(jī) C8051F015 的基礎(chǔ)上，介紹編寫 A/D 驅(qū)動(dòng)程序的一般思路和方法。4.1 C/OS-II 實(shí)時(shí)內(nèi)核下的 A/D 讀取方法實(shí)時(shí)內(nèi)核下，驅(qū)動(dòng)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(shí)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(shí)間。典型的 A/D 轉(zhuǎn)換電路由模擬多路復(fù)用器（ M U X ）、放大器和模數(shù)

8、 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(shè) A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間較慢（ 5ms 以上），應(yīng)用程 序調(diào)用圖 1 所示的驅(qū)動(dòng)程序，并傳遞要讀取的通道。驅(qū)動(dòng)程序通過M U X 選擇要讀取的模擬通道（）開始讀。轉(zhuǎn)換前，延時(shí)幾 s以便使信號(hào)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（） 。然后驅(qū)動(dòng)程序延時(shí)一段時(shí)間以完成轉(zhuǎn)換（） 。延時(shí)時(shí) 間必須比 ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)間長。最后驅(qū)動(dòng)程序讀取 ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)果（） ，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果返回到 應(yīng)用程序（） 。圖 2 所示的是第 2 種讀取方法。 當(dāng)模擬轉(zhuǎn)換完成后， AD

9、C 產(chǎn)生的一個(gè)中斷信號(hào)。 若 ADC 轉(zhuǎn)換完成， ISR 給信號(hào)量發(fā)一個(gè)信號(hào)（） ，通知驅(qū)動(dòng)程序， ADC 已經(jīng)完成轉(zhuǎn)換。如果 ADC 在規(guī)定的時(shí)限內(nèi)沒有完成轉(zhuǎn)換，信號(hào)量超時(shí)（） ，則驅(qū)動(dòng)程序不再等待下去。驅(qū)動(dòng)程序和 中斷服務(wù)子程序（ ISR）的偽代碼如下：ADRd （ ChannelNumber ） 選擇要讀取的模擬輸入通道； 等待 A M U X 輸出穩(wěn)定； 啟動(dòng) A D C 轉(zhuǎn)換； 等待來自 ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷產(chǎn)生的信號(hào)量； if （超時(shí)） *err= 信號(hào)錯(cuò)誤； return; else 讀取 ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)果并將其返回到應(yīng)用程序 ；ADCoversion Complete ISR

10、保存全部 CPU 寄存器； /* 將 CPU 的 PSW、ACC 、 B、DPL、DPH及 Rn入棧*/ 通知內(nèi)核進(jìn)入 ISR（調(diào)用 OSIntEnter（） 或 OSIntNesting 直接加 1）； 發(fā)送 A D C 轉(zhuǎn)換完成信號(hào)； /* 利用 C/OS-II 內(nèi)核的OSSemPost（）*/ 通知內(nèi)核退出 ISR（ 調(diào)用 OSIntExit（） ； 恢復(fù)所有 CPU 寄存器； /* 將 CPU 的 PSW、ACC 、B、DPL 、DPH 及 Rn 出棧*/執(zhí)行中斷返回指令 （即 RETI） ； 在這種方法里，要求 ISR 執(zhí)行時(shí)間與調(diào)用等待信號(hào)的時(shí)間之和為 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)間。如果 A/

11、D 轉(zhuǎn)換時(shí)間小于處理中斷時(shí)間與等待信號(hào)所需的時(shí)間之和，則可以用第三種方 法。如圖 3 所示，前兩步（同以上兩種方法）結(jié)束后，驅(qū)動(dòng)程序接著在一個(gè)軟件循環(huán)中 等待（） ADC 直到完成轉(zhuǎn)換。在循環(huán)等待時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序檢測ADC 的狀態(tài)（ BUSY ）信號(hào)。如果等待時(shí)間超過設(shè)定的定時(shí)值（軟件定時(shí)） ，則結(jié)束等待循環(huán)（循環(huán)等待超時(shí)） 。如果在循 環(huán)等待中，檢測到 ADC 發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束的信號(hào) （BUSY ）時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序讀取 ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)果（） 并將結(jié)果返回到應(yīng)用程序（） 。驅(qū)動(dòng)程序偽代碼如下：ADRd （ChannelNumber ） 選擇要讀取的模擬輸入通道； 等待 A M U X 輸出穩(wěn)定； 啟動(dòng) A

12、 D C 轉(zhuǎn)換； 啟動(dòng)超時(shí)定時(shí)器； while （ ADC Busy & Counter?0 ）； /* 循環(huán)檢測 */ if （ Counter=0 ） *err= 信號(hào)錯(cuò)誤； return ； else 讀取 ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)果并將其返回到應(yīng)用程序 ；A/D 轉(zhuǎn)換速度快，這種驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)是最好的。4.2 C8051F015單片機(jī) A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器再來簡單介紹一下 C8051F015 單片機(jī) A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的配置及特點(diǎn)。在 C8051F015 單片機(jī)中， ADC 的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘周期至少在 400ns，轉(zhuǎn)換時(shí)鐘應(yīng)不大于 2MHz 。 一般在啟動(dòng) ADC 之前都要處于跟蹤方式， 而ADC 一次

13、轉(zhuǎn)換完成要用 16個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘。 另外， 在轉(zhuǎn)換之前還要加上 3 個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘的跟蹤 /保持捕獲時(shí)間，所以完成一次轉(zhuǎn)換需19 個(gè) ADC轉(zhuǎn)換時(shí)鐘（ 9.5 s）。圖 1中的方法簡單，轉(zhuǎn)換時(shí)間在 ms 級以上，一般用于變化慢的模擬輸 入信號(hào)，不適用于 C8051F015 。圖 2 中的方法，為了減少 C/OS-II 內(nèi)核調(diào)用 ISR 所用時(shí)間， ISR 一般都用匯編語言編 寫。從程序 1中 ISR 偽代碼可以看出，盡管 ISR 用匯編語言編寫，代碼效率高，但 C/OSII 調(diào)用ISR的時(shí)間與調(diào)用等待信號(hào)時(shí)間之和大于 A/D的轉(zhuǎn)換時(shí)間，所以 C P U用于ISR 和循 環(huán)檢測的開銷大。圖 3 所示的方

14、法顯然適合于 C8051F015 單片機(jī)。其優(yōu)點(diǎn)是：可以獲得快 速的轉(zhuǎn)換時(shí)間；不需要增加一個(gè)復(fù)雜的 ISR；轉(zhuǎn)換時(shí)信號(hào)改變時(shí)間更短； C P U 的開銷小； 循環(huán)檢測程序可被中斷，為中斷信號(hào)服務(wù)。4.3 A/D 驅(qū)動(dòng)程序的編寫外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序是實(shí)時(shí)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(dòng) 程序模塊應(yīng)滿足以下主要功能： 對設(shè)備初始化； 把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀 取數(shù)據(jù)； 讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備的數(shù)據(jù)和回送應(yīng)用程序請求的數(shù)據(jù)； 監(jiān)測和處理設(shè) 備出現(xiàn)的異常。A/D 轉(zhuǎn)換電路作為一個(gè)模擬輸入模塊， C/OS-II 內(nèi)核應(yīng)把它作為一個(gè)獨(dú)立的任務(wù)（以 下稱為 ADTask（）來調(diào)

15、用。 A/D 驅(qū)動(dòng)程序模塊流程如圖 4所示。 ADInit （）初始化所有的模擬輸入通道、硬件 ADC 以及應(yīng)用程序調(diào)用 A/D 模塊的參量，并且 ADInit （）創(chuàng)建任務(wù) ADTask （）。 ADTb1 是一個(gè)模擬輸入通道信息、 ADC 硬件狀態(tài)等參數(shù)配置以及轉(zhuǎn)換結(jié)果 存儲(chǔ)表。 ADUpdate （）負(fù)責(zé)讀取所有模擬輸入通道，訪問ADRd （）并傳遞給它一個(gè)通道數(shù)。 ADRd （）負(fù)責(zé)通過多路復(fù)用器選擇合適的模擬輸入，啟動(dòng)并等待 ADC 轉(zhuǎn)換，以及返 回 ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)果到 ADUpdate （）。在 C/OS-II 實(shí)時(shí)內(nèi)核下各原型函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和常量的定義如下。INT16S ADRd

16、 （ INT8U ch ）;/* 定義如何讀取 A/D ， A/D 必須通過 AIRd （）來驅(qū)動(dòng) */ void ADUpdate （ void ） ;/* 一定時(shí)間內(nèi)更新輸入通道 */void ADInit （void ）;/* A/D 模塊初始化代碼，包括初始化所有內(nèi)部變量（通過 ADInit （）初始化 ADTb ），初 始化硬件 A/D （通過 ADInitI （）及創(chuàng)建任務(wù) ADTask （） */void ADTask （ void data） ;/* 由 ADInit （）創(chuàng)建，負(fù)責(zé)更新輸入通道（調(diào)用 ADUpdate （） */ void ADInitI （ void ） ;/* 初始化硬件 A/D */AD_TaskPrio ：設(shè)置任務(wù) ADTask （）的優(yōu)先級。AD_TaskStkSize ：設(shè)置分配給任務(wù) ADTask （）的堆棧大小。AD_MaxNummber ：AMUX 的輸入通道數(shù)。AD_TaskDly ：設(shè)定更新通道的間隔時(shí)間。AD ADTb1AD_MaxNummber ： AD 類型的數(shù)組（ AD 是定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)） 。4.4 總結(jié)對于 A/D 轉(zhuǎn)換器接口電路驅(qū)動(dòng)程序的編寫歸納出以下幾點(diǎn)： 在決定采用具體的驅(qū)動(dòng)方案之前，分析設(shè)備接口電路的特點(diǎn)，尤其是了解設(shè)備的配 置和特點(diǎn)； 對于處理速度快的設(shè)備， 可能出現(xiàn) CPU 的處理速度與設(shè)備處理速度不