學(xué)習(xí)嵌入式開發(fā)驅(qū)動程序設(shè)計的5個技巧

每個嵌入式軟件應(yīng)用程序都必須在某個時候訪問最低級別的固件并控制硬件。驅(qū)動程序的設(shè)計和實現(xiàn)對于確保系統(tǒng)能夠滿足其實時要求至關(guān)重要。下面是每個嵌入式開發(fā)人員在設(shè)計驅(qū)動程序時應(yīng)該考慮的五個技巧。

每一個嵌入式應(yīng)用軟件都會在某些時候訪問最底層的固件和進行一些硬件控制。驅(qū)動的設(shè)計和實施是確保一個系統(tǒng)能夠滿足其實時性要求的關(guān)鍵。以下五個竅門是每一個開發(fā)者在設(shè)計驅(qū)動程序時應(yīng)該考慮的。

技巧1——使用設(shè)計模式

設(shè)計模式是對軟件中重復(fù)出現(xiàn)的問題的解決方案。開發(fā)人員可能會從零開始重新發(fā)明解決方案，浪費寶貴的時間和預(yù)算，或者可以打開他的解決方案工具箱，選擇最適合問題的解決方案。自微處理器誕生以來，低級驅(qū)動程序就一直存在，并且是一個眾所周知的問題。那么為什么不利用現(xiàn)有的解決方案呢?

驅(qū)動程序設(shè)計模式通常分為四類:位爆炸、輪詢、中斷驅(qū)動和直接存儲器訪問(DMA)。當微控制器沒有執(zhí)行該功能的內(nèi)部外設(shè)，或者當所有這些內(nèi)部外設(shè)都已用完而需要另外一個時，開發(fā)人員選擇位爆炸模式。位爆炸解決方案可能是有效的，但是通常需要相當數(shù)量的軟件開銷來實現(xiàn)該能力。bit bang模式實際上是讓嵌入式開發(fā)人員手動實現(xiàn)一個通信協(xié)議或外部行為。

輪詢模式只是以循環(huán)方式監(jiān)視事件。輪詢模式對于簡單的系統(tǒng)是很好的，但是許多現(xiàn)代應(yīng)用程序需要中斷。中斷提供了在事件發(fā)生時立即處理事件的能力，而不是等待代碼來手動檢查事件。DMA模式允許另一個外設(shè)處理數(shù)據(jù)傳輸需求，并讓驅(qū)動程序無需干預(yù)。

技巧2——了解實時行為

實時系統(tǒng)滿足截止日期的能力始于它的驅(qū)動程序。寫得不好的驅(qū)動程序?qū)⑹堑托У?，并為毫無戒心的嵌入式開發(fā)人員提供了損害其系統(tǒng)性能的可能性。驅(qū)動程序有兩種風(fēng)格，設(shè)計師應(yīng)該考慮;阻塞和非阻塞。阻塞驅(qū)動程序阻止任何其他軟件執(zhí)行，直到驅(qū)動程序完成其工作。例如，USART驅(qū)動程序可能會將一個字符放入發(fā)送緩沖區(qū)，并在繼續(xù)發(fā)送之前等待發(fā)送結(jié)束標志，而不是繼續(xù)發(fā)送。

另一方面，非阻塞驅(qū)動程序通常利用中斷來執(zhí)行它的功能。使用中斷可以防止驅(qū)動程序在等待事件發(fā)生時阻止軟件執(zhí)行。USART驅(qū)動程序可能會將一個字符放入發(fā)送緩沖區(qū)，但主軟件會繼續(xù)執(zhí)行下一條指令。傳輸結(jié)束標志的設(shè)置會觸發(fā)一個中斷，允許驅(qū)動程序采取下一個操作。

無論何種類型，為了保持實時性能并幫助防止系統(tǒng)故障，嵌入式開發(fā)人員必須了解他們的驅(qū)動程序的平均和最壞情況下的執(zhí)行時間。系統(tǒng)的完整性潛在地處于危險之中，如果系統(tǒng)是安全關(guān)鍵的，可能更危險。

技巧3——面向重用的設(shè)計

時間和預(yù)算都很緊張，為什么要重新發(fā)明輪子呢?重用、可移植性和可維護性是驅(qū)動程序設(shè)計中的關(guān)鍵要求。這些特性中的許多可以通過硬件抽象層的設(shè)計和使用來說明。

硬件抽象層(HAL)為開發(fā)人員提供了一種創(chuàng)建標準接口來控制微控制器外設(shè)的方法。抽象隱藏了實現(xiàn)細節(jié)，而是提供了可見的功能，例如Usart_Init和Usart_Transmit。其理念是任何USART、SPI、PWM或其它外設(shè)都具有所有微控制器都支持的共同特性。HAL的使用隱藏了低級的、設(shè)備特定的細節(jié)，允許應(yīng)用程序開發(fā)者關(guān)注應(yīng)用程序需求，而不是低級硬件如何工作。同時，HAL提供了一個可重用的容器。

技巧4——請參考數(shù)據(jù)手冊

在過去的幾年里，微控制器變得有點復(fù)雜。曾幾何時，人們可能想了解的關(guān)于微控制器的一切都包含在一張約500頁的數(shù)據(jù)手冊中。如今的32位微控制器除了所有的勘誤表之外，通常還包含由器件數(shù)據(jù)手冊、系列數(shù)據(jù)手冊和每個外設(shè)的數(shù)百頁數(shù)據(jù)手冊。如果嵌入式開發(fā)人員真的想完全理解該部分，他們需要閱讀幾千頁的文檔。

不幸的是，要真正正確地實現(xiàn)一個驅(qū)動程序，所有這些數(shù)據(jù)表都是必需的。一開始，開發(fā)人員應(yīng)該收集和整理每個數(shù)據(jù)表以及其中包含的信息。通常需要咨詢他們中的每一個人才能啟動并運行外設(shè)。關(guān)鍵信息分散(和隱藏)在每種類型的數(shù)據(jù)表中。

技巧5——小心外圍故障

將一些驅(qū)動程序從一個系列的微控制器移植到另一個系列。制造商和數(shù)據(jù)手冊都暗示這兩個系列的PWM外設(shè)是相同的。另一方面，運行PWM驅(qū)動器表明，盡管如此，兩者之間還是有很大不同。驅(qū)動程序處理的是原來的零件，而不是新零件。仔細查看數(shù)據(jù)手冊后，才發(fā)現(xiàn)一個完全不相關(guān)的數(shù)據(jù)手冊中有一個腳注，稱PWM外設(shè)在上電時處于故障狀態(tài)，隱藏在模糊寄存器中的一個位需要清零。

在開始實施驅(qū)動程序時，識別外設(shè)故障和任何看似無關(guān)的故障寄存器。

總結(jié)

驅(qū)動程序的設(shè)計和實現(xiàn)是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的重要組成部分。進一步探索驅(qū)動程序設(shè)計模式以及如何構(gòu)建可以訪問互聯(lián)網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)對嵌入式開發(fā)人員來說非常重要。