淺析μC/OS-Ⅱ設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是任何操作系統(tǒng)的必不可少的、最保密的一個(gè)組成部分，它們實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所有附屬設(shè)備的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，它包含與硬件直接相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。從廣義上說(shuō)，“驅(qū)動(dòng)程序”是指一些函數(shù)的集合，這些函數(shù)都能對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行操作。本文簡(jiǎn)單分析了μC/OS-Ⅱ下設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是任何操作系統(tǒng)的必不可少的、最保密的一個(gè)組成部分，它們實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所有附屬設(shè)備的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，它包含與硬件直接相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。從廣義上說(shuō)，“驅(qū)動(dòng)程序”是指一些函數(shù)的集合，這些函數(shù)都能對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行操作。驅(qū)動(dòng)程序的概念在沒(méi)有固定的操作系統(tǒng)的時(shí)候，是一個(gè)比較模糊的定義。簡(jiǎn)單地理解就是提供了一個(gè)軟件到硬件(也可以是虛擬硬件)操作的函數(shù)。通常主要應(yīng)該包括：設(shè)備初始化、設(shè)備的讀寫(輸入輸出)、設(shè)備的控制等信息。在μC/OS-Ⅱ下沒(méi)有統(tǒng)一的設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口——不像windows或者linux下通過(guò)設(shè)備文件的定義模式，所以，把一些對(duì)硬件操作是通過(guò)一般的函數(shù)來(lái)完成的，叫成“驅(qū)動(dòng)程序”也不為過(guò)。

1. 簡(jiǎn)介

外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序是實(shí)時(shí)內(nèi)核和硬件之間的接口，是連接底層硬件和內(nèi)核的紐帶。

編寫驅(qū)動(dòng)程序模塊應(yīng)滿足以下主要功能：

① 對(duì)設(shè)備初始化;

② 把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù);

③ 讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備的數(shù)據(jù)和回送應(yīng)用程序請(qǐng)求的數(shù)據(jù);

④ 監(jiān)測(cè)和處理設(shè)備出現(xiàn)的異常。由于在μC/OS-Ⅱ下沒(méi)有統(tǒng)一的設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口，在該操作系統(tǒng)中設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)主要是通過(guò)一些對(duì)硬件操作的函數(shù)來(lái)完成。

2. μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中的硬件初始化

基于μC/OS-II的應(yīng)用系統(tǒng)工作時(shí)，首先把CPU初始化;接著進(jìn)行操作系統(tǒng)初始化，主要完成任務(wù)控制塊(TCB)初始化、TCB優(yōu)先級(jí)表初始化、空任務(wù)的創(chuàng)建等;然后開(kāi)始創(chuàng)建新任務(wù)，并可在新創(chuàng)建的任務(wù)中再創(chuàng)建其他的新任務(wù);最后調(diào)用OSSTART()函數(shù)啟動(dòng)多任務(wù)調(diào)度。

當(dāng)μC/OS-Ⅱ?qū)嶋H移植到具體的硬件平臺(tái)中時(shí)，系統(tǒng)初始化時(shí)還要進(jìn)行硬件的初始化。主函數(shù)是系統(tǒng)啟動(dòng)首先執(zhí)行的一個(gè)函數(shù)，在啟動(dòng)μC/OS—Ⅱ之前，要屏蔽所有中斷，并對(duì)全局變量初始化，防止運(yùn)行出錯(cuò)。硬件初始化主要包括中斷初始化，串口、鍵盤、顯示等設(shè)備初始化。μC/OS—Ⅱ的初始化通過(guò)調(diào)用OSInit()函數(shù)，為OS分配任務(wù)隊(duì)列、優(yōu)先級(jí)狀態(tài)表和準(zhǔn)備狀態(tài)表，初始化全局變量，并且創(chuàng)建一個(gè)空循環(huán)任務(wù)。接下來(lái)，在啟動(dòng)μC/OS—Ⅱ前調(diào)用OSTaskCreate()創(chuàng)建所有用戶任務(wù)，并置準(zhǔn)備態(tài)，創(chuàng)建任務(wù)時(shí)，要指定每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)、堆棧大小和位置、任務(wù)函數(shù)入口。調(diào)用OS2Start()啟動(dòng)μC/OS—Ⅱ。從就緒隊(duì)列中找到優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，作為當(dāng)前任務(wù)執(zhí)行。流程如圖所示。

3. μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)對(duì)硬件的操作和控制

3.1 函數(shù)控制硬件

前面已經(jīng)提到過(guò)，不像其他的操作系統(tǒng)，在μC/OS—Ⅱ中沒(méi)有統(tǒng)一的設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口，因此對(duì)硬件的操作和控制可以通過(guò)函數(shù)來(lái)完成。在啟動(dòng)過(guò)程中完成硬件初始化后，系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)空循環(huán)任務(wù)，然后就可以調(diào)用OSTaskCreate()創(chuàng)建用戶任務(wù)，在任務(wù)用戶任務(wù)中選擇要控制的硬件，選擇最佳的控制方法，調(diào)用用戶自己編寫的函數(shù)來(lái)完成。

 

 

圖 系統(tǒng)啟動(dòng)流程

3.2 BSP

BSP(板級(jí)支持包)是介于底層硬件和操作系統(tǒng)之間的軟件層次，它完成系統(tǒng)上電后最初的硬件和軟件初始化，并對(duì)底層硬件進(jìn)行封裝，使得操作系統(tǒng)不再面對(duì)具體的操作。

為μC/OS-Ⅱ編寫一個(gè)簡(jiǎn)單的 BSP。它首先設(shè)置CPU內(nèi)部寄存器和系統(tǒng)堆棧，并初始化堆棧指針，建立程序的運(yùn)行和調(diào)用環(huán)境;然后可以方便地使用C語(yǔ)言設(shè)置硬件的配置環(huán)境，并編制相應(yīng)的操作函數(shù)，為操作系統(tǒng)調(diào)用提供統(tǒng)一的接口;在CPU、板級(jí)和程序自身初始化完成后，就可以把CPU的控制權(quán)交給操作系統(tǒng)了。

4. 實(shí)際應(yīng)用舉例

既然在μC/OS-Ⅱ下沒(méi)有統(tǒng)一的設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口，系統(tǒng)對(duì)硬件的控制是通過(guò)一些對(duì)硬件操作的函數(shù)來(lái)完成的。下面以在μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)內(nèi)核下驅(qū)動(dòng)程序讀取A/D的三種方法，分析在實(shí)際的工程實(shí)踐中μC/OS-Ⅱ設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，以及在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意的一些問(wèn)題。

以一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例，硬件環(huán)境基于C8051F015單片機(jī)。A/D轉(zhuǎn)換是單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要組成部分，實(shí)時(shí)內(nèi)核下A/D驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)過(guò)程主要取決于A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間。我們首先比較和分析μC/OS-Ⅱ下A/D采樣數(shù)據(jù)的三種方法;其次介紹C8051F015單片機(jī)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器的配置及特點(diǎn);最后，在μC/OS-II內(nèi)核移植到8位單片機(jī)C8051F015的基礎(chǔ)上，介紹編寫A/D驅(qū)動(dòng)程序的一般思路和方法。

4.1 μC/OS-II實(shí)時(shí)內(nèi)核下的A/D讀取方法

實(shí)時(shí)內(nèi)核下，驅(qū)動(dòng)程序采用什么方法讀取A/D采樣數(shù)據(jù)是首先考慮的問(wèn)題。許多因素將影響讀取A/D，如A/D的轉(zhuǎn)換時(shí)間、模擬值的轉(zhuǎn)換頻率、輸入通道數(shù)等，但最主要的是取決于A/D的轉(zhuǎn)換時(shí)間。典型的A/D轉(zhuǎn)換電路由模擬多路復(fù)用器(M U X)、放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)三部分組成。下面描述讀取A/D的三種方法。

 

 

圖1所示的是第1種讀取方法。假設(shè)A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間較慢(5ms以上)，應(yīng)用程序調(diào)用圖1所示的驅(qū)動(dòng)程序，并傳遞要讀取的通道。驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)M U X選擇要讀取的模擬通道(①)開(kāi)始讀。轉(zhuǎn)換前，延時(shí)幾μs以便使信號(hào)通過(guò)M U X傳遞，并使之穩(wěn)定下來(lái)。接著，ADC被觸發(fā)開(kāi)始轉(zhuǎn)換(②)。然后驅(qū)動(dòng)程序延時(shí)一段時(shí)間以完成轉(zhuǎn)換(③)。延時(shí)時(shí)間必須比ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)。最后驅(qū)動(dòng)程序讀取ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果(④)，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果返回到應(yīng)用程序(⑤)。

 

 

圖2所示的是第2種讀取方法。當(dāng)模擬轉(zhuǎn)換完成后，ADC產(chǎn)生的一個(gè)中斷信號(hào)。若ADC轉(zhuǎn)換完成，ISR給信號(hào)量發(fā)一個(gè)信號(hào)(⑤)，通知驅(qū)動(dòng)程序，ADC已經(jīng)完成轉(zhuǎn)換。如果ADC在規(guī)定的時(shí)限內(nèi)沒(méi)有完成轉(zhuǎn)換，信號(hào)量超時(shí)(③)，則驅(qū)動(dòng)程序不再等待下去。驅(qū)動(dòng)程序和中斷服務(wù)子程序(ISR)的偽代碼如下：[!--empirenews.page--]

ADRd(ChannelNumber)

{

選擇要讀取的模擬輸入通道;

等待A M U X 輸出穩(wěn)定;

啟動(dòng)A D C 轉(zhuǎn)換;

等待來(lái)自ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷產(chǎn)生的信號(hào)量;

if (超時(shí)){

*err=信號(hào)錯(cuò)誤;

return;

} else {

讀取ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果并將其返回到應(yīng)用程序 ;

}

}

ADCoversion Complete ISR{

保存全部CPU 寄存器; /* 將CPU的PSW、ACC、 B、

DPL、DPH及Rn入棧*/

通知內(nèi)核進(jìn)入ISR(調(diào)用OSIntEnter()或OSIntNesTIng直接加1);

發(fā)送A D C 轉(zhuǎn)換完成信號(hào); /* 利用μC/OS-II內(nèi)核的

OSSemPost()*/

通知內(nèi)核退出ISR(調(diào)用OSIntExit());

恢復(fù)所有CPU 寄存器; /* 將CPU 的PSW、ACC、B、DPL、DPH及Rn出棧*/

執(zhí)行中斷返回指令(即RETI);

}

在這種方法里，要求ISR執(zhí)行時(shí)間與調(diào)用等待信號(hào)的時(shí)間之和為A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間。

如果A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間小于處理中斷時(shí)間與等待信號(hào)所需的時(shí)間之和，則可以用第三種方法。如圖3所示，前兩步(①②同以上兩種方法)結(jié)束后，驅(qū)動(dòng)程序接著在一個(gè)軟件循環(huán)中等待(③)ADC直到完成轉(zhuǎn)換。在循環(huán)等待時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序檢測(cè)ADC的狀態(tài)(BUSY)信號(hào)。如果等待時(shí)間超過(guò)設(shè)定的定時(shí)值(軟件定時(shí))，則結(jié)束等待循環(huán)(循環(huán)等待超時(shí))。如果在循環(huán)等待中，檢測(cè)到ADC發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束的信號(hào)(BUSY)時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序讀取ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果(④)并將結(jié)果返回到應(yīng)用程序(⑤)。

驅(qū)動(dòng)程序偽代碼如下：

ADRd(ChannelNumber){

選擇要讀取的模擬輸入通道;

等待A M U X 輸出穩(wěn)定;

啟動(dòng)A D C 轉(zhuǎn)換;

啟動(dòng)超時(shí)定時(shí)器;

while (ADC Busy & Counter??0);/* 循環(huán)檢測(cè) */

if (Counter==0){

*err=信號(hào)錯(cuò)誤;

return;

} else {

讀取ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)果并將其返回到應(yīng)用程序 ;

}

}

A/D 轉(zhuǎn)換速度快，這種驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)是最好的。

4.2 C8051F015單片機(jī)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器

再來(lái)簡(jiǎn)單介紹一下C8051F015單片機(jī)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器的配置及特點(diǎn)。

在C8051F015 單片機(jī)中，ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘周期至少在400ns，轉(zhuǎn)換時(shí)鐘應(yīng)不大于2MHz。一般在啟動(dòng)ADC之前都要處于跟蹤方式，而ADC一次轉(zhuǎn)換完成要用16個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘。另外，在轉(zhuǎn)換之前還要加上3個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘的跟蹤/保持捕獲時(shí)間，所以完成一次轉(zhuǎn)換需19個(gè)ADC轉(zhuǎn)換時(shí)鐘(9.5μs)。圖1中的方法簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換時(shí)間在ms級(jí)以上，一般用于變化慢的模擬輸入信號(hào)，不適用于C8051F015。

 

 

圖2中的方法，為了減少μC/OS-II內(nèi)核調(diào)用ISR所用時(shí)間，ISR一般都用匯編語(yǔ)言編寫。從程序1中ISR偽代碼可以看出，盡管ISR用匯編語(yǔ)言編寫，代碼效率高，但μC/OSII調(diào)用ISR的時(shí)間與調(diào)用等待信號(hào)時(shí)間之和大于A/D的轉(zhuǎn)換時(shí)間，所以C P U用于ISR 和循環(huán)檢測(cè)的開(kāi)銷大。圖3 所示的方法顯然適合于C8051F015 單片機(jī)。其優(yōu)點(diǎn)是：可以獲得快速的轉(zhuǎn)換時(shí)間;不需要增加一個(gè)復(fù)雜的ISR;轉(zhuǎn)換時(shí)信號(hào)改變時(shí)間更短;C P U 的開(kāi)銷小;循環(huán)檢測(cè)程序可被中斷，為中斷信號(hào)服務(wù)。

4.3 A/D驅(qū)動(dòng)程序的編寫

外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序是實(shí)時(shí)內(nèi)核和硬件之間的接口，是連接底層硬件和內(nèi)核的紐帶。編寫驅(qū)動(dòng)程序模塊應(yīng)滿足以下主要功能：① 對(duì)設(shè)備初始化;② 把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù);③ 讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備的數(shù)據(jù)和回送應(yīng)用程序請(qǐng)求的數(shù)據(jù);④ 監(jiān)測(cè)和處理設(shè)備出現(xiàn)的異常。

 

 

A/D轉(zhuǎn)換電路作為一個(gè)模擬輸入模塊，μC/OS-II內(nèi)核應(yīng)把它作為一個(gè)獨(dú)立的任務(wù)(以下稱為ADTask())來(lái)調(diào)用。A/D驅(qū)動(dòng)程序模塊流程如圖4所示。ADInit()初始化所有的模擬輸入通道、硬件ADC以及應(yīng)用程序調(diào)用A/D模塊的參量，并且ADInit()創(chuàng)建任務(wù)ADTask()。ADTb1 [ ]是一個(gè)模擬輸入通道信息、ADC硬件狀態(tài)等參數(shù)配置以及轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)表。ADUpdate()負(fù)責(zé)讀取所有模擬輸入通道，訪問(wèn)ADRd()并傳遞給它一個(gè)通道數(shù)。ADRd()負(fù)責(zé)通過(guò)多路復(fù)用器選擇合適的模擬輸入，啟動(dòng)并等待ADC轉(zhuǎn)換，以及返回ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果到ADUpdate()。

在μC/OS-II 實(shí)時(shí)內(nèi)核下各原型函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和常量的定義如下。

INT16S ADRd(INT8U ch);

/* 定義如何讀取A/D，A/D必須通過(guò)AIRd()來(lái)驅(qū)動(dòng) */

void ADUpdate(void);

/* 一定時(shí)間內(nèi)更新輸入通道 */

void ADInit(void);

/* A/D 模塊初始化代碼，包括初始化所有內(nèi)部變量(通

過(guò)ADInit()初始化ADTb[])，初始化硬件A/D(通過(guò)ADInitI())及創(chuàng)建任務(wù)ADTask() */

void ADTask(void data);

/* 由ADInit()創(chuàng)建，負(fù)責(zé)更新輸入通道(調(diào)用ADUpdate()) */

void ADInitI(void);

/* 初始化硬件A/D */

AD_TaskPrio：設(shè)置任務(wù)ADTask()的優(yōu)先級(jí)。

AD_TaskStkSize：設(shè)置分配給任務(wù)ADTask()的堆棧大小。

AD_MaxNummber ：AMUX 的輸入通道數(shù)。

AD_TaskDly：設(shè)定更新通道的間隔時(shí)間。

AD ADTb1[AD_MaxNummber]：AD 類型的數(shù)組(AD 是定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))。

4.4 總結(jié)

對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換器接口電路驅(qū)動(dòng)程序的編寫歸納出以下幾點(diǎn)：

① 在決定采用具體的驅(qū)動(dòng)方案之前，分析設(shè)備接口電路的特點(diǎn)，尤其是了解設(shè)備的配置和特點(diǎn);

② 對(duì)于處理速度快的設(shè)備，可能出現(xiàn)CPU的處理速度與設(shè)備處理速度不匹配，一般的設(shè)備中不帶有FIFO緩沖區(qū)，須在內(nèi)存中開(kāi)辟緩沖區(qū);

③ 在應(yīng)用程序讀取設(shè)備之前，一定要初始化硬件(調(diào)用初始化函數(shù))，合理定義硬件的信息和狀態(tài)變量;

④ 不同的外設(shè)配置、環(huán)境、轉(zhuǎn)換精度等都會(huì)影響到設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，要對(duì)各個(gè)不同的外設(shè)進(jìn)行具體分析。

5. 結(jié)束語(yǔ)

在μC/OS-Ⅱ下沒(méi)有統(tǒng)一的設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口，對(duì)硬件的控制和管理是通過(guò)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。設(shè)備的初始化、設(shè)備的讀寫和控制對(duì)應(yīng)各自的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)各自的功能。μC/OS-Ⅱ下開(kāi)發(fā)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，應(yīng)該考慮到具體硬件的特征和配置情況，對(duì)不同的外設(shè)情況選擇最佳的硬件控制和管理方法。[!--empirenews.page--]