-- 作者：wangxinxin
-- 發布時間：2010-11-19 10:28:09
-- 基于隱藏硬件思想設計MCF5307嵌入式系統硬件驅動程序設計
1 引 言
嵌入式系統軟件人員經常讀取系統外設寄存器和控制寄存器，直接控制硬件，這樣對軟件開發者來說是一種繁復的事，而且嵌入式微處理器內部集成外設種類越來越多，如串口設備、時鐘／定時器設備、IIC總線等，對嵌入式編程帶來更多的困難。如果讀寫硬件的語句散布在整個應用程序中或者不同的功能模塊可能會讀寫同一個硬件，那么當系統硬件發生變動時，應用程序就必須全盤重寫。怎么避免這樣的情況？一個好的方法就是按照盡量隱藏硬件的原則編制設備驅動程序。
在設計驅動程序中盡量隱藏硬件，有幾個優點：
①因為模塊化，軟件的總體結構更容易理解；
②只要是與某一個外設相互作用，必然是通過他的驅動程序來起作用的，這樣查找錯誤和故障就更容易些；
③由硬件的變動導致的軟件變化集中在設備驅動程序上，這樣做有助于減少系統變動時改變軟件設計工作量，盡量做到軟件復用，縮短開發周期，這對提高產品競爭能力有實際意義。
2 編寫設備驅動程序的方法和步驟
本文以摩托羅拉公司冷火系列（coldfire）嵌入式 微處理器MCF5307定時器為例，討論在用C＋＋語言編寫嵌入式系統驅動程序時，如何做到盡量隱藏硬件的方法和步驟。
（1）覆蓋設備的存儲映像控制及狀態設備寄存器數據結構
MCF5307的寄存器C語言描述文件是MCF5307．h，這個文件對MCF5307的系統寄存器和片上外設控制和狀態寄存器以結構或聯合的方式做了定義。在Timer．cpp添加MCF5307．h并在頭文件文件中定義MCF5307＿IMM類型全局指針變量imm后就可以訪問這些寄存器（使用timer1）。如下所示：
＃define MBAR＿ADDR 0x10000000
＃define VBR 0x0 MCF5307＿IMM
＊imm＝（MCF5307＿IMM＊）MBAR＿ADDR；
在timer類構造函數中對MCF5307定時器控制和狀態寄存器作硬件初始化，使其產生周期為1 ms的節拍中斷。
（2）跟蹤目前硬件和設備驅動狀態的一組變量
驅動程序開發過程的第二步是確定變量來跟蹤硬件和設備驅動的狀態。比如，要確定硬件是否已經初始化過或跟蹤當前計數器的值。
設備的驅動不只創建一個軟件設備，他們純粹是邏輯設備，在基本外圍硬件之上實現。容易設想從單獨鐘，正如在Windows下定時器編程一樣。系統的定時器應該被設置以產生一個周期性的時鐘節拍（tick），比如ms。設備驅動則保持創建的每個軟件時鐘的狀態信息來管理一組不同長度的軟件時鐘。
（3）一個把硬件初始化到已知狀態的例程
確定跟蹤物理和邏輯設備的狀態的變量后，接下來是實際與設備交互和控制函數。首先從設備初始化例程開始，把設備狀態設定到一個已知的狀態。然后就是啟動定時器，并且在啟動時設定類型（周期的，還是非周期的）、周期參數、刪除定時器等。
（4）合起來為設備驅動用戶提供API的一組例程
設備初始化后，開始給設備驅動添加其他的功能。
以定時器為例，創建一個軟件時鐘，啟動時鐘和管理時鐘函數等具體的模塊函數。這些函數的集合就可以為設備驅動應用程序提供一個統一的接口。
（5）中斷服務例程
確定外設的中斷服務例程入口地址以及安裝中斷向量。一些重要的后臺工作要由中斷服務例程來完成，合理的設置中斷可以很好的利用CPU，提高CPU的運行效率。MCF5307的中斷是由中斷基址寄存器VBR和各個外設控制寄存器共同決定的。
3 在MCF5307上實現軟件時鐘
實現軟件定時器的關鍵就是活動時鐘鏈表的管理，要跟蹤時鐘狀態，要記錄時鐘啟動時刻及其周期或長度，用鏈表管理時鐘，把時鐘的啟動時刻轉換為剩余節拍數count和鏈表的位置關系。如圖1所示，當一個軟件時鐘被啟動時，初始化state，type和length，時鐘被插入活動時鐘鏈表。在時鐘鏈表的時鐘經過排序使得第一個到期的時鐘處于表的頂端。每一個時鐘有一個與其相關的count變量，這個值代表了所有列表前面的到期時該時鐘剩余的時鐘節拍數。在硬件產生的時鐘節拍中斷時——每毫秒一次——都要刷新活動時鐘列表。
圖1說明了活動時鐘鏈表，每一個軟件時鐘都有他的長度和開始時間，一旦他們被插入列表，就對應count字段和排序。鏈表中可以看出第1個和第2個時鐘同時啟動。由于第2個比第1個長5 ms，因此他晚5個節拍到期。而第3個時鐘是在第1個時鐘的count＝1時插入的。
由于篇幅有限，其他的源程序簡略。
4 測試程序和運行結果
這段程序是在風河公司（windriver）diab 4．3g編譯器下編譯，并在SDS調試器下做調試運行，測試程
將程序編譯、鏈接形成可執行代碼，下載到目標板上調，運行正常，實現了軟件定時器。就像Windows編程時設置定時器一樣，用戶可以同時啟動若干定時器，而他們底層只是由一個硬件定時器在驅動。
從測試程序中可以看出，定時器編程形式上簡單多了，應用程序不直接對設備寄存器讀寫，而且這個定時器驅動是整個程序惟一直接訪問定時器單元的模塊。實現了隱藏硬件的目的。
5 結 語
本文通過一個簡單的MCF5307定時器驅動程序設計，表述了隱藏硬件的思想以及用于嵌入式驅動程序的編寫的方法和步驟，可以推廣到其他嵌入式系統驅動程序設計中。這樣的驅動程序，方便程序員為嵌入式系統編寫應用程序，同時可以為系統程序員提供必要的庫例程，增加軟件的可復用性，減少重復勞動。
參考文獻
［1］ MicbaelBarr．C／C＋＋嵌入式系統編程［M］．北京：中國電力出版社，2001．
［2］ Motorola．MCF5307 user guide，2000． 本信息來源：CAD教育網 www.cadedu.com
|