RTOS設(shè)備驅(qū)動(dòng)向嵌人式Linux的移植

Linux暴風(fēng)雨般占領(lǐng)了嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)。分析家指出，大約有1/3到1/2的32/64位新的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了Linux。嵌入式Linux已經(jīng)在很多應(yīng)用領(lǐng)域顯示出優(yōu)勢(shì)，比如SOHO家庭網(wǎng)絡(luò)和成像/多功能外設(shè)。在(NAS/SAN)存儲(chǔ)，家庭數(shù)字娛樂(lè)(HDTV/PVR/DVR/STB)，和手持設(shè)備/無(wú)線(xiàn)設(shè)備，特別是數(shù)字移動(dòng)電話(huà)更獲得大幅度發(fā)展。

嵌入式Linux新應(yīng)用不會(huì)憑空從開(kāi)發(fā)者的頭腦中冒出來(lái)，大部分項(xiàng)目都是由成千上萬(wàn)行，甚至數(shù)百萬(wàn)行的代碼組成。成千上百的嵌入式項(xiàng)目已經(jīng)成功地將現(xiàn)有的其它平臺(tái)的代碼移植到Linux下，比如WindRiverVxWorks和pSOS，VRTX，Nucleus和其它RTOS。這些移植工作有著重要的價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

到目前為止，大多數(shù)關(guān)于移植已有的RTOS應(yīng)用到嵌入式Linux的文獻(xiàn)，關(guān)注RTOS接口（API）、任務(wù)、調(diào)度模式以及怎樣將他們映射到相應(yīng)得用戶(hù)空間去。同樣重要的是，在I/O調(diào)用密集的嵌入式程序中如何將RTOS的硬件接口代碼移植到更加規(guī)范的Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中去。

本文將概述幾種常用的經(jīng)常出現(xiàn)于現(xiàn)有嵌入式應(yīng)用中的內(nèi)存映射I/O方法。它們涵蓋的范圍從對(duì)中斷服務(wù)例程的特殊使用及用戶(hù)線(xiàn)程對(duì)硬件訪(fǎng)問(wèn)到出現(xiàn)于有些ROTS中的半規(guī)范化驅(qū)動(dòng)程序模型。這對(duì)于移植RTOS代碼到規(guī)范化的Linux設(shè)備啟動(dòng)程序具有一定啟發(fā)作用，并且介紹了一些移植方法。特別地，本文會(huì)重點(diǎn)討論RTOS和Linux中的內(nèi)存映射，基于I/O調(diào)度隊(duì)列的移植，將RTOSI/O重定義到Linux下的驅(qū)動(dòng)程序和守護(hù)進(jìn)程里。

RTOSI/O概念

“不規(guī)范”是描述大多數(shù)RTOS系統(tǒng)I/O的最佳詞語(yǔ)。多數(shù)RTOS是針對(duì)較早的無(wú)MMU的CPU而設(shè)計(jì)，所以忽略了內(nèi)存管理部分，即使當(dāng)MMU問(wèn)世后也是這樣：不區(qū)分物理地址和邏輯地址。大多數(shù)RTOS還全部運(yùn)行在特權(quán)模式，雖然表面上看來(lái)是增強(qiáng)了性能。全部的RTOS應(yīng)用和系統(tǒng)代碼都能夠訪(fǎng)問(wèn)整個(gè)地址空間、內(nèi)存映射過(guò)的設(shè)備、以及其他I/O操作。這樣，即使存在差別，也是很難把RTOS應(yīng)用程序代碼同驅(qū)動(dòng)程序代碼區(qū)分開(kāi)來(lái)。

不規(guī)范的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了I/O實(shí)現(xiàn)的特殊性。在很多情況下，缺乏設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序模型的認(rèn)同。根據(jù)這種無(wú)層次的特性，回顧一下基于RTOS軟件中使用的一些重要概念和習(xí)慣用法非常有指導(dǎo)意義。

內(nèi)嵌的內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)

上個(gè)世紀(jì)八十年代中期商業(yè)化的RTOS產(chǎn)品中，多數(shù)嵌入式軟件都有一個(gè)對(duì)執(zhí)行時(shí)間有嚴(yán)格需求的，采用I/O查詢(xún)和中斷服務(wù)例程的大循環(huán)。開(kāi)發(fā)人員在項(xiàng)目采用RTOS和執(zhí)行程序，主要為了加強(qiáng)并行性和多任務(wù)同步，繞開(kāi)其它有礙實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的程序結(jié)構(gòu)。這樣，即使RTOS提供了I/O調(diào)用形式化方法，嵌入式程序員繼續(xù)使用直接的I/O操作：

#defineDATA_REGISTER0xF00000F5

chargetchar(void){

return(*((char*)DATA_REGISTER));/*readfromport*/

}

voidputchar(charc){

*((char*)DATA_REGISTER)=c;/*writetoport*/

}

多數(shù)受過(guò)訓(xùn)練的開(kāi)發(fā)者常會(huì)將這樣的直接I/O代碼從硬件代碼中分離開(kāi)來(lái)。但是我還是經(jīng)?？吹街T如此類(lèi)的I/O調(diào)用代碼。

當(dāng)開(kāi)始使用直接內(nèi)存映射I/O的時(shí)候，新接觸Linux的嵌入式開(kāi)發(fā)人員總是想把這類(lèi)代碼移到用戶(hù)空間，通過(guò)mmap()調(diào)用來(lái)替代定義寄存器地址的#define語(yǔ)句。這種處理方法對(duì)于一些原型是可以的，但不能支持中斷處理，限制了實(shí)時(shí)響應(yīng)，特別不安全，不適合商業(yè)化產(chǎn)品的發(fā)布。

RTOS中斷服務(wù)例程

在Linux里，中斷服務(wù)屬于內(nèi)核層;在一個(gè)RTOS里，中斷服務(wù)例程代碼沒(méi)有特殊規(guī)定且常與應(yīng)用程序代碼沒(méi)什么區(qū)別（不外乎返回序列異同）。很多RTOS提供系統(tǒng)調(diào)用或者宏來(lái)讓代碼自己檢測(cè)它自己的切換狀態(tài)（比如WindRiverVxWorks的intContext()）。中斷服務(wù)例程通常也使用標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)，隨之而來(lái)也有可重入性和移植性等問(wèn)題。

大多數(shù)RTOS支持注冊(cè)中斷服務(wù)例程代碼、中斷判斷和中斷服務(wù)調(diào)用。一些簡(jiǎn)單的嵌入式程序，僅僅支持在硬件矢量表里插入中斷服務(wù)例程的起始地址。

如果試圖直接在用戶(hù)程序空間執(zhí)行讀和寫(xiě)操作，你不得不將Linux中斷服務(wù)例程放入內(nèi)核程序空間。

RTOSI/O子系統(tǒng)

大多數(shù)RTOS會(huì)提供一個(gè)定制的標(biāo)準(zhǔn)C運(yùn)行庫(kù)(比如pSOS的pREPC)，或者修改編譯器提供商的C庫(kù)(libc)或修改glibc。在盡量最小化情況下，多數(shù)的RTOS支持標(biāo)準(zhǔn)C的I/O子集(open/close/read/write/ioctl)。大多數(shù)情況下，這些調(diào)用和從衍生出來(lái)的調(diào)用轉(zhuǎn)化為基本I/O簡(jiǎn)單封裝。有趣的是，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的RTOS不支持文件系統(tǒng)，這些平臺(tái)不提供針對(duì)flash和其他存儲(chǔ)介質(zhì)的文件存儲(chǔ)，常采用完全不同的代碼實(shí)現(xiàn)或者其他應(yīng)用程序接口(API)(比如pSOS的pHILE)。

WindRiverVxWorks在這方面比其它RTOS做得好些，它提供功能豐富的I/O子集，有效廣泛集成網(wǎng)絡(luò)接口及網(wǎng)絡(luò)媒體。

延時(shí)處理

很多RTOS也支持一種叫”下半部“("bottomhalf")的機(jī)制，把I/O處理放到可中斷或者可搶占切換上下文中執(zhí)行。其他RTOS提供類(lèi)似機(jī)制比如中斷嵌套來(lái)獲得同樣的效果。

典型RTOS應(yīng)用的I/O架構(gòu)

下面描述一個(gè)典型的I/O圖解(僅輸入)和它向主應(yīng)用程序傳遞數(shù)據(jù)的路徑，處理過(guò)程如下：

·一個(gè)硬件中斷觸發(fā)一個(gè)中斷服務(wù)例程執(zhí)行。

·中斷服務(wù)例程做基本處理，完成本地輸入操作，或者讓RTOS調(diào)度延時(shí)處理。在一些情況下，延時(shí)處理過(guò)程由Linux里的用戶(hù)進(jìn)程來(lái)處理，在這里就是普通的RTOS任務(wù)。

·當(dāng)獲取到數(shù)據(jù)(中斷服務(wù)例程或者延時(shí)切換)，準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)被放進(jìn)隊(duì)列(RTOS中斷服務(wù)例程能夠訪(fǎng)問(wèn)應(yīng)用程序隊(duì)列通過(guò)應(yīng)用程序接口(API)和其它進(jìn)程間通信(IPC)，請(qǐng)看下面的API表)。

·一個(gè)或者多個(gè)應(yīng)用任務(wù)從隊(duì)列讀消息取出數(shù)據(jù)

傳統(tǒng)的RTOS和Linux的典型I/O比較

輸出常常由類(lèi)似的機(jī)制來(lái)完成-代替write()或者相似的系統(tǒng)調(diào)用，一個(gè)或者多個(gè)RTOS任務(wù)，將數(shù)據(jù)放進(jìn)隊(duì)列。隊(duì)列中的數(shù)據(jù)由以下幾種過(guò)程取出：一個(gè)I/O程序或者響應(yīng)“準(zhǔn)備好發(fā)送”中斷的中斷服務(wù)例程，一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘，或者其它阻塞在取數(shù)據(jù)隊(duì)列中的應(yīng)用任務(wù)，然后執(zhí)行I/O操作(可以是輪詢(xún)，也可以是通過(guò)DMA)。[!--empirenews.page--]

將RTOSI/O映射到Linux中

上面描述的基于隊(duì)列的生產(chǎn)者/消費(fèi)者I/O模型，僅僅是傳統(tǒng)多種設(shè)計(jì)中所采用的特別方法的一種。讓我們繼續(xù)用這個(gè)直接的例子，來(lái)討論幾種在嵌入式Linux下的實(shí)現(xiàn)方法：

大規(guī)模移植到用戶(hù)空間

對(duì)于只是初步了解Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，或者沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)者，可能將大多數(shù)這種基于隊(duì)列的程序原封不動(dòng)地移植到用戶(hù)空間。在這種驅(qū)動(dòng)程序映射中，內(nèi)存映射通過(guò)函數(shù)mmap()提供的指針可以在用戶(hù)空間操作物理I/O接口。

#include

#defineREG_SIZE0x4/*deviceregistersize*/

#defineREG_OFFSET0xFA400000

/*physicaladdressofdevice*/

void*mem_ptr;/*de-referenceformemory-mappedaccess*/

intfd;

fd=open("/dev/mem"，O_RDWR);/*openphysicalmemory(mustberoot)*/

mem_ptr=mmap((void*)0x0，REG_AREA_SIZE，PROT_READ+PROT_WRITE，

MAP_SHARED，fd，REG_OFFSET);

/*actualcalltommap()*/

一個(gè)進(jìn)程下的用戶(hù)線(xiàn)程運(yùn)行類(lèi)似RTOS的中斷服務(wù)例程或延時(shí)任務(wù)一樣的操作，然后使用SVR4進(jìn)程間通信函數(shù)msgsnd()將消息放進(jìn)隊(duì)列，等待被另一個(gè)本地線(xiàn)程或者另一個(gè)進(jìn)程利用函數(shù)msgrcv()獲取。

這種快速缺乏技巧的處理方法是一種較好的原型，但同時(shí)給代碼模型建立帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。首先重要的是要在用戶(hù)空間掃描中斷。象DOSEMU項(xiàng)目提供基于信號(hào)的I/O中斷方式，但用戶(hù)空間的中斷處理過(guò)程非常慢(一般毫秒級(jí)中斷延時(shí)相較內(nèi)核中斷服務(wù)例程數(shù)十微秒中斷延時(shí))。進(jìn)一步講，即使采用可搶占Linux內(nèi)核，和實(shí)時(shí)調(diào)度策略，用戶(hù)空間的切換調(diào)度不能保證I/O線(xiàn)程100%的及時(shí)得到執(zhí)行。