VxWorks驱动程序设计与实现
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中国计算机学会
第十二届计算机工程与工艺学术年会
VxWorks驱动程序设计与实现
Realization and Design of the Driver Based on VxWorks
杨 康 吴家铸 刘衡竹
Yang kang Wu Jiazhu Liu Hengzhu
（国防科技大学计算机学院 长沙 410073）
（School of Computer Science, National University of Defense Technology）
摘 要：VxWorks自身已对硬件设备提供了非常广泛的支持，但是如果系统中采用了专用硬件设备则需要专门编写驱动程序。本文详细分析VxWorks环境下驱动程序开发与设计原理。针对驱动程序实现的困难，给出VxWorks下实现驱动程序的工作流程和基本框架。
关键词：VxWorks；驱动程序；BSP；设计实现
作者简介：杨康，男，硕士研究生，研究方向为嵌入式系统；吴家铸，男，副教授，研究方向嵌入式操作系统；刘衡竹，男，教授，博士生导师，研究方向为微处理器体系结构和嵌入式与SOC芯片设计技术。
通信地址：410073 湖南长沙国防科技大学计算机学院。 1引言
设备驱动是用于控制设备的程序集合，它将通用控制操作转换为设备能够识别的特定操作，是硬件设备的软件抽象。作为I/O系统和硬件设备之间的连接层，VxWorks驱动程序就是屏蔽硬件操作，为I/O系统提供服务。实现一个完整的驱动，必须了解VxWorks中I/O系统的三个基本元素：FILE、DRIVER和DEVICE。FILE是为用户提供访问设备的统一接口；DRIVER是实现具体的基本控制函数，也就是实现I/O系统所需要的接口；而DEVICE是一个抽象的硬件设备，是一系列的结构体、变量和宏定义对实际物理设备的定义。
2设备驱动程序的设计与实现
一般而言，实现一个驱动应该有三个基本的步骤：(1)用编程语言完成对实际物理设备的抽象；(2)完成系统所需要的各类接口及自身的特殊接口；(3)将驱动集成到操作系统中。它可确保电脑部件、附加卡及系统之间的运作可靠，并能完全兼容现有的多种扩充总线。
2.1 VxWorks驱动体系结构
与Linux相似，在VxWorks系统中，设备也是以文件方式管理的，也就是说，可以通过文件操作creat()、open()、close()、read()、write()和ioctl()等函数访问设备。硬件驱动程序统一由I/O子系统管理，向应用提供统一的标准。由于设备驱动程序与硬件、操作系统关系密切。因此，在编写设备驱动之前，必须了解相关知识。图2-1给出了VxWorks驱动与系统各部分的关系。其中与编写设备驱动关系最密切的是BSP即板级支持包(board support package)。
应用程序I/O系统TCP/IP文件系统MUXVxWorks库内核BSPSCSI驱动程序LAN驱动程序SCSI驱动程序SCSI驱动程序定时器SCC与硬件无关的软件与硬件相关的软件硬件 图2-1 VxWorks驱动体系
从图2-1可以看出：控制管理系统硬件的工作由BSP完成，BSP中的驱动程序管理特定目标环境中的设备，对其进行控制和初始化。BSP在硬件和操作系统之间提供了一个标准化的接口。虽然BSP提供了设备驱动接口，通过轮询方式允许内核和硬件资源（设备控制器、CPU、内存、总线等）之间进行通讯，但是BSP不能直接访问硬件资源。正是由于这些应用程序编程接口，使得VxWorks为应用程序编程提供了一个高深的体系结构和硬件无关特性，这正是VxWorks的优势。BSP由于采用模块化设计并且提供了一致的接口，使得应用程序和VxWorks具有很好的移植性。
在VxWorks中，BSP向VxWorks提供与硬件的接口，负责加电完成时硬件的初始化、将VxWorks中与硬件有关以及与硬件无关的软件进行集成、为VxWorks访问硬件驱动程序提供支持。在VxWorks中，硬件驱动程序被分为两类，即通用驱动程序和BSP专用驱动程序。通用驱动程序管理在不同的目标环境之间移动的设备；而BSP驱动程序管理专用于在某种目标环境之间移动的设备。在开发BSP时，不仅要对BSP专用的驱动程序提供完全的支持，还需要将通用的设备驱动程序集成在一起。
2.2VxWorks系统启动加载驱动程序流程分析
除了解VxWorks驱动体系以外，还要了解VxWorks启动过程，这样才能将驱动程序与硬件设备有机的结合起来，充分发挥系统的性能优势。VxWorks启动过程按照VxWorks的image种类来区分基本上有三种：(1)由BootRom引导通过网口或串口下载到RAM。(2)将Image直接烧入ROM，运行时将Image拷入RAM中运行。(3)将Image直接烧入ROM，VxWorks在ROM中运行，仅将数据段部分拷入RAM。下面以由BootRom引导通过网口或串口下载到RAM为例，说明VxWorks启动时加载驱动程序的流程，如下所示。bootLoad()--->sysInit()--->usrInit()--->sysHwinit()--->usrKernelinit()--->KernelInit()--->usrRoot()
首先，在系统加电后执行启动代码，加载VxWorks映像，然后跳转到VxWorks映像的加载地址的首地址开始执行sysInit()。之后转到usrInit()执行，完成内核启动之前的初始化。这二个子程序都加载在映像中。最后，激活VxWorks内核，生成多任务环境，并产生一个任务来安装驱动程序以及创建设备、初始化VxWorks库、调用应用程序启动程序。用来生成这个任务的子程序是usrRoot()。到了usrRoot()后用户就可以加载应用程序了，完成了系统的启动。
在VxWorks中，通用的设备驱动程序位于usrRoot()中，而BSP专用的设备驱动程序则位于sysHwinit()中。BSP本身提供了通用驱动程序，如SCSI设备驱动程序、串口驱动、内存驱动、定时器驱动等等。在实际应用过程中，用户有必要加入自己的驱动程序。VxWorks提供的驱动程序在\Tornado\target\h\drv和\Tornado\target\src\drv目录中，用户编写的驱动程序最好不要放在这两个目录中，这是因为不同的硬件使用的驱动程序是不完全相同的。用户编写的驱动程序最好放在用户新建的目录中。VxWorks支持用GNU C编写的驱动程序。要把用户编写的驱动程序融入到VxWorks BSP中，可以利用makefile文件。它包含构建VxWorks的最基本的信息。
2.3设备驱动程序启动硬件设备的流程分析
在VxWorks中，设备驱动程序工作流程如图2-2所示。 获取硬件接口参数
启动设备 实现接口函数 设置硬件寄存器
图2-2 设备驱动程序启动硬件设备
第一步，获取硬件接口参数，包括内存映射地址、I/O端口和系统中断控制器。第二步，设置硬件寄存器，一般来说，有两种访问方式：I/O和内存映射。第三步，实现接口函数。对于采用中断方式的硬件设备，在接口函数中必须实现中断服务程序。中断程序的编写必须遵循三条规则：不能有运行时间过长的代码；不能独占共享资源以避免死锁；程序结束后尽可能快速返回。
上述步骤完成后，就基本完成了设备驱动程序对硬件的启动。
2.4设备驱动程序的基本框架
下面以PCI设备为例，简单给出设备驱动程序的基本框架。具体内容可以参阅文献[6]。
(1)定义常量和全局变量
//关于硬件设备的常量参数
#define Model_VENDOR_ID 0x109e
#define ModelDEVICE_ID 0x0350
//定义硬件信息数据类型并初始化
Typedef struct Hardware_info
{
UNIT pciBus,pciDevice,pciFune;
Char irq;
};
Hardware_info mode_info={-1,-1,-1,-1};
(2) 获取硬件接口参数
Void sysModelInint(void)
{
… …
//根据供应商和设备标识确定设备总线号
pciFindDevice(… …)
//根据设备号，在系统中查找设备
pciConfigInLong(… …)
//配置设备的PCI基地址寄存器
… …
//设置映射到系统中的设备基地址
membaseCar&=… …
//获得设备的中断请求
pciConfigInByte(… …)
//将设备映射到内存中
sysMmuMapAdd(… …)
//配置设备的PCI控制字寄存器
… … }
(3)设置硬件寄存器
void setModelReg()
{
… …
}
(4)接口函数
//中断服务程序
void sysModelIntr(… …)
{
… …
}
(5)启动设备
void startDevice(… …)
{
… …
}
3. 结论
嵌入式系统VxWorks以其占用资源少、具有可移植性好、性能稳定等特点，得到了越来越广泛的应用。本文分析了VxWorks中设备驱动程序的开发和设计原理，以及编写设备驱动程序的基本方法，给出了VxWorks下为特定设备编写驱动程序的框架，为编写设备驱动程序提供一些方法。
参考文献
[1]tornado device driver workshop wind river
[2]VxWorks 5.4 Programmer's Guide wind river
[3]《嵌入式实时操作系统vxworks及其研发环境Tornado》
孔祥营 柏桂枝 编著 2002年第一版
[4] VxWorks Programmer’s Guide 5.4
[5]PCI Local Bus Specification Production Version Revision
2.2
[6] VxWorks驱动及分布式编程 孔祥营 张保山 俞烈彬
编著 2007年第一版
[7] VxWorks下驱动程序的设计 谢伟 周忠丽 王忠仁
