基于硬件隱藏思想設(shè)計MCF5307嵌入式系統(tǒng)驅(qū)動程序

摘要：基于隱藏硬件思想設(shè)計MCF5307嵌入式系統(tǒng)硬件驅(qū)動程序設(shè)計，這樣設(shè)計便于實現(xiàn)軟件復(fù)用，縮短軟件開發(fā)時間，對提高產(chǎn)品競爭能力有實際意義。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；硬件隱藏；應(yīng)用程序編程接口；驅(qū)動程序

1引言

嵌入式系統(tǒng)軟件人員經(jīng)常讀取系統(tǒng)外設(shè)寄存器和控制寄存器，直接控制硬件，這樣對軟件開發(fā)者來說是一種繁復(fù)的事，而且嵌入式微處理器內(nèi)部集成外設(shè)種類越來越多，如串口設(shè)備、時鐘／定時器設(shè)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(yīng)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(dāng)系統(tǒng)硬件發(fā)生變動時，應(yīng)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(shè)備驅(qū)動程序。

在設(shè)計驅(qū)動程序中盡量隱藏硬件，有幾個優(yōu)點：①因為模塊化，軟件的總體結(jié)構(gòu)更容易理解；

②只要是與某一個外設(shè)相互作用，必然是通過他的驅(qū)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(dǎo)致的軟件變化集中在設(shè)備驅(qū)動程序上，這樣做有助于減少系統(tǒng)變動時改變軟件設(shè)計工作量，盡量做到軟件復(fù)用，縮短開發(fā)周期，這對提高產(chǎn)品競爭能力有實際意義。

2編寫設(shè)備驅(qū)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(tǒng)驅(qū)動程序時，如何做到盡量隱藏硬件的方法和步驟。

（1）覆蓋設(shè)備的存儲映像控制及狀態(tài)設(shè)備寄存器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

MCF5307的寄存器C語言描述文件是MCF5307．h，這個文件對MCF5307的系統(tǒng)寄存器和片上外設(shè)控制和狀態(tài)寄存器以結(jié)構(gòu)或聯(lián)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：

＃defineMBAR＿ADDR0x10000000

＃defineVBR0x0MCF5307＿IMM

＊imm＝（MCF5307＿IMM＊）MBAR＿ADDR；

在timer類構(gòu)造函數(shù)中對MCF5307定時器控制和狀態(tài)寄存器作硬件初始化，使其產(chǎn)生周期為1ms的節(jié)拍中斷。

（2）跟蹤目前硬件和設(shè)備驅(qū)動狀態(tài)的一組變量

驅(qū)動程序開發(fā)過程的第二步是確定變量來跟蹤硬件和設(shè)備驅(qū)動的狀態(tài)。比如，要確定硬件是否已經(jīng)初始化過或跟蹤當(dāng)前計數(shù)器的值。

設(shè)備的驅(qū)動不只創(chuàng)建一個軟件設(shè)備，他們純粹是邏輯設(shè)備，在基本外圍硬件之上實現(xiàn)。容易設(shè)想從單獨鐘，正如在Windows下定時器編程一樣。系統(tǒng)的定時器應(yīng)該被設(shè)置以產(chǎn)生一個周期性的時鐘節(jié)拍（tick），比如ms。設(shè)備驅(qū)動則保持創(chuàng)建的每個軟件時鐘的狀態(tài)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(tài)的例程

確定跟蹤物理和邏輯設(shè)備的狀態(tài)的變量后，接下來是實際與設(shè)備交互和控制函數(shù)。首先從設(shè)備初始化例程開始，把設(shè)備狀態(tài)設(shè)定到一個已知的狀態(tài)。然后就是啟動定時器，并且在啟動時設(shè)定類型（周期的，還是非周期的）、周期參數(shù)、刪除定時器等。

（4）合起來為設(shè)備驅(qū)動用戶提供API的一組例程

設(shè)備初始化后，開始給設(shè)備驅(qū)動添加其他的功能。

以定時器為例，創(chuàng)建一個軟件時鐘，啟動時鐘和管理時鐘函數(shù)等具體的模塊函數(shù)。這些函數(shù)的集合就可以為設(shè)備驅(qū)動應(yīng)用程序提供一個統(tǒng)一的接口。

（5）中斷服務(wù)例程

確定外設(shè)的中斷服務(wù)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(wù)例程來完成，合理的設(shè)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(shè)控制寄存器共同決定的。

3在MCF5307上實現(xiàn)軟件時鐘

實現(xiàn)軟件定時器的關(guān)鍵就是活動時鐘鏈表的管理，要跟蹤時鐘狀態(tài)，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(zhuǎn)換為剩余節(jié)拍數(shù)count和鏈表的位置關(guān)系。如圖1所示，當(dāng)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(jīng)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(guān)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(jié)拍數(shù)。在硬件產(chǎn)生的時鐘節(jié)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(yīng)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5ms，因此他晚5個節(jié)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(jié)果

這段程序是在風(fēng)河公司（windriver）diab4．3g編譯器下編譯，并在SDS調(diào)試器下做調(diào)試運行，測試程

將程序編譯、鏈接形成可執(zhí)行代碼，下載到目標(biāo)板上調(diào)，運行正常，實現(xiàn)了軟件定時器。就像Windows編程時設(shè)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(qū)動。

從測試程序中可以看出，定時器編程形式上簡單多了，應(yīng)用程序不直接對設(shè)備寄存器讀寫，而且這個定時器驅(qū)動是整個程序惟一直接訪問定時器單元的模塊。實現(xiàn)了隱藏硬件的目的。

5結(jié)語

本文通過一個簡單的MCF5307定時器驅(qū)動程序設(shè)計，表述了隱藏硬件的思想以及用于嵌入式驅(qū)動程序的編寫的方法和步驟，可以推廣到其他嵌入式系統(tǒng)驅(qū)動程序設(shè)計中。這樣的驅(qū)動程序，方便程序員為嵌入式系統(tǒng)編寫應(yīng)用程序，同時可以為系統(tǒng)程序員提供必要的庫例程，增加軟件的可復(fù)用性，減少重復(fù)勞動。