QNX操作系統(tǒng)及網(wǎng)絡設備驅動模塊
關鍵詞：QNX 網(wǎng)絡 驅動程序
QNX是業(yè)界公認的X86平臺上最好的嵌入式實時操作系統(tǒng)之一。它具有獨一無二的微內(nèi)核實時平臺，建立在微內(nèi)核和完全地址空間保護基礎之上，實時、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)廣泛應用的嵌入式實時操作系統(tǒng)。本文簡單介紹QNX內(nèi)核和網(wǎng)絡結構的特點，針對目前熱門的網(wǎng)絡應用環(huán)境，討論QNX網(wǎng)絡設備驅動程序的結構和編寫。
1 QNX內(nèi)核簡介
QNX的微內(nèi)核結構是它區(qū)別于其它操作系統(tǒng)的顯著特點。目前嵌入式系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)和應用程序之間的關系大概可以歸納為圖1～圖3所示的三種情況。
平板式內(nèi)存結構，如圖1所示，所有的程序都使用同一個地址空間，不加保護；應用程序可以自由訪問所有空間，效率較高，但是任何應用程序指針錯誤都可能會導致內(nèi)核崩潰。
大內(nèi)核內(nèi)存結構，如圖2所示，操作系統(tǒng)內(nèi)核和各種驅動程序、網(wǎng)絡協(xié)議在同一個地址空間，應用程序在單獨空間；內(nèi)核模塊同處于一個保護空間，運行效率高，
應用程序無法直接訪問保護空間，系統(tǒng)穩(wěn)定性大大提高。缺點是，由于內(nèi)核模塊（例如網(wǎng)絡驅動)處于保護空間，因此調(diào)試困難，任何驅動程序的修改都要重新編譯內(nèi)核，無法做到驅動的動態(tài)加載和卸載。
QNX的微內(nèi)核結構，如圖3所示，內(nèi)核獨立自處于一個被保護的地址空間；驅動程序、網(wǎng)絡協(xié)議和應用程序處地程序空間中。
微內(nèi)核結構的優(yōu)點：①驅動程序、網(wǎng)絡協(xié)議、文件系統(tǒng)等操作系統(tǒng)模塊和內(nèi)核相互獨立，任何模塊的故障都不會導致內(nèi)核的崩潰；②驅動程序、網(wǎng)絡協(xié)議、文件系統(tǒng)和應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)核結構使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)核的基礎上，QNX的創(chuàng)新設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的同胞異構體，保持了和UNIX的高度相似性，絕大多數(shù)UNIX或LINUX應用程序可以在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應用可以直接移植到QNX這個更加穩(wěn)定高效的實時嵌入式平臺上來。
2 QNX網(wǎng)絡結構
QNZ網(wǎng)絡子系統(tǒng)由三個部分組成：網(wǎng)絡管理模塊（io-net）、網(wǎng)絡協(xié)議模塊（npm-qnet.so、npm-tcpip.so）、網(wǎng)絡設備驅動模塊（devn-ne2000.so）。
模塊之間的層次關系如圖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)絡設備驅動、TCP/IP協(xié)議棧分別對上層io-net模塊和應用程序產(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)的消費者。過濾模塊對向上的數(shù)據(jù)進行篩選，分協(xié)議進行處理；對向下的數(shù)據(jù)則進行相應的轉換，如進行網(wǎng)絡地址轉換NAT。轉換模塊負責不同協(xié)議幀結構的轉換，在以太網(wǎng)的工作環(huán)境下，它就負責對IP數(shù)據(jù)報進行以太網(wǎng)幀的封裝和解包。
和QNX其它服務進程一樣，QNX的網(wǎng)絡子系統(tǒng)也在內(nèi)核外部空間運行。應用程序面對的是一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡接口，硬件相關的內(nèi)容被完全包裝在網(wǎng)絡子系統(tǒng)內(nèi)。
QNX網(wǎng)絡子系統(tǒng)的三個子模塊按層次分開，io-net模塊處于中心，是QNX網(wǎng)絡的核心和重點，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。這樣的中心交換結構，屏蔽了各個模塊間相互協(xié)調(diào)的復雜細節(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)絡管理中心。任何網(wǎng)絡協(xié)議和網(wǎng)絡設備驅動程序都必須向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)絡狀態(tài)的查詢和管理也是通過io-net來實現(xiàn)的。
3 QNX網(wǎng)絡設備驅動
QNX網(wǎng)絡設備驅動模塊處于網(wǎng)絡硬件和io-net模塊之間。驅動模塊負責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)絡設備驅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)絡設備信息統(tǒng)計幾個功能塊。要使網(wǎng)絡設備工作正常，驅動程序就要對它進行一定的寄存器配置，同時，還要向QNX網(wǎng)絡子系統(tǒng)注冊自己，表明網(wǎng)絡設備的存在和網(wǎng)絡通信能力，才能為系統(tǒng)和應用程序所用。在初始化工作完成以后，網(wǎng)絡設備就進入了工作狀態(tài)，收發(fā)數(shù)據(jù)。設備信息的統(tǒng)計也是由設備驅動程序來完成的。
(1)初始化
初始化包括兩個方面，一方面是初始化網(wǎng)絡設備，使其正常工作；另一個方面，是向io-net正確注冊驅動模塊，表明自己的屬性，方便上層正確操作。
網(wǎng)絡設備的初始化工作和硬件緊密相關，這里就不一一描述。
驅動模塊向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注冊驅動和相應的函數(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中就建立起有關此驅動程序的數(shù)據(jù)和函數(shù)調(diào)用列表。驅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)絡設備接收數(shù)據(jù)
當有包到達網(wǎng)絡設備的時候，網(wǎng)絡設備就會用某種方式通知驅動程序（例如中斷），此時，驅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做相應的必要處理，如通知網(wǎng)絡設備釋放當前幀的緩存，配置寄存器讓網(wǎng)絡設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)是設備驅動中比較關鍵的函數(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)別不同的驅動；
uint16_t iface--接口號，可以讓同一個驅動負現(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)絡設備發(fā)送數(shù)據(jù)
當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)的結構指針，func_hdl是相應驅動模塊在io-net中的句柄。其中npt結構包含許多成員，其中的重要成員如表1所列。
表1
| cell、endpoint、iface | 需要處理該包的硬件標識 |
| buffers | 指向包的指針 |
| tot_iov | 包含數(shù)據(jù)包的所有I/O矢量 |
| Framelen | 所有數(shù)據(jù)的長度，以字節(jié)為單位 |
驅動模塊在接收到io-net的調(diào)用后，就要配置網(wǎng)絡設備，讓它完成數(shù)據(jù)的發(fā)送工作。網(wǎng)絡設備發(fā)送數(shù)據(jù)所需要的信息都會在相應的數(shù)據(jù)結構中，如net_buf_t結構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)通知上層模塊驅動程序已經(jīng)完成了數(shù)據(jù)的發(fā)送。
4 網(wǎng)絡設備信息的統(tǒng)計
應用程序或者用戶可以通過網(wǎng)絡信息接口nicinfo工具來了解網(wǎng)絡工作狀態(tài)。信息的查詢都是通過io-net來進行的。驅動程序必須維護相應的狀態(tài)數(shù)據(jù)，方便io-net的查詢。網(wǎng)絡設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)絡設備還會具有不同的屬性和狀態(tài)，這些都可以在驅動程序中用數(shù)據(jù)結構詳細列明。
需要維護的數(shù)據(jù)結構中，主要的是Nic_t，它包括四個子結構；
CustNicStats--網(wǎng)絡信息入口；
EthernesStats_t--以太網(wǎng)狀態(tài)；
GenStats_t--常用統(tǒng)計信息；
NetStats_t--網(wǎng)絡信息（包含常用統(tǒng)計信息）。
以上是驅動程序需要維護的數(shù)據(jù)。當用戶或應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結構中所指向的函數(shù)來取得信息的。例：
#include<sys/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）；
}
結語
網(wǎng)絡設備的驅動是網(wǎng)絡系統(tǒng)的最低層和最基礎的模塊，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，其網(wǎng)絡設備驅動程序的開發(fā)不需要內(nèi)核調(diào)試，更適合初學者掌握。本文對QNX操作系統(tǒng)及網(wǎng)絡設備驅動程序的介紹，可以幫助讀者對相關內(nèi)容作初步了解。
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