设备驱动程序
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设备驱动程序
1 设备驱动程序
实验性质：验证＋设计
建议学时：2学时
一、实验目的
调试EOS串口驱动程序向串口发送数据的功能，了解设备驱动程序的工作原理。
为EOS串口驱动程序添加从串口接收数据的功能，进一步加深对设备驱动程序工作原理的理解。
二、预备知识
2.1 串口控制器8250工作方式
这里简单讲解8250的工作方式，更多内容请参考计算机接口技术类书籍。
8250是一种异步串行可编程输入/输出芯片，能实现全双工、多种波特率的串行通信，还能对调制解调器实施全面控制。8250可以工作在查询模式和中断模式下。在中断模式下的工作方式如下:
发送数据
首先将一个字符（字节）放入THR寄存器（发送保持寄存器），THR寄存器中的数据会被8250自动传送到移位发送寄存器进行发送。THR中的数据发送完毕后，8250会触发一次中断，此时中断处理程序可以将下一个字符放入THR，继续由8250发送。
接收数据
8250每接收到一个字符（字节）后都会将接收到的字符放入RBR寄存器（接收缓冲寄存器）,并触发一次中断,由中断处理程序将RBR寄存器中的字符读出并交给操作系统。
判断中断类型
由于8250触发中断后有上面两种不同的情况,所以中断处理程序需要根据8250的IIR寄存器(中断识别寄存器)的值来判断中断的类型。当IIR寄存器中的值为2时，是THR寄存器空，可以继续发送数据；否则，是RBR寄存器就绪，可以接收其中的数据。
2.2事件对象
阅读《EOS实验指南》5.3节中对Event对象的说明，了解事件同步对象的工作原理和使用方法。事件同步对象在串口设备驱动程序中有很重要的作用。注意，操作事件对象的每个API函数在内核中都有一个内部函数相对应，在内核中操作事件对象时只调用这些内部函数，而不是API函数。
2.3 EOS的设备驱动程序模型
阅读《EOS实验指南》第7章的7.1、7.2、7.3节，了解EOS设备驱动程序模型以及设备驱动程序的工作原理。
参考《EOS实验指南》7.3节中的流程图，阅读向串口发送数据函数SrlWrite和串口中断处理程序函数SrlIsr的源代码（分别在io/driver/serial.c文件的第302行和第348行）。理解使用中断方式实现设备I/O的原理和意义。注意，在函数SrlIsr中还没有完成从串口接收数据的功能。
三、实验内容 设备驱动程序
2 3.1 准备实验
按照下面的步骤准备实验：
1. 启动OS Lab。
2. 新建一个EOS Kernel项目。
3. 在“项目管理器”窗口中双击Floppy.img文件，使用FloppyImageEditor工具打开此软盘镜像。
4. 将本实验文件夹中的serial.exe文件添加到软盘镜像的根目录中。
5. 点击FloppyImageEditor工具栏上的保存按钮，关闭该工具。
EOS应用程序serial.exe的源代码可以参考本实验文件夹中的SerialApp.c文件。在阅读该文件的源代码时应重点学习三个EOS API函数的用法：
打开串口设备函数CreateFile（参数说明见io/io.c第19行定义的IoCreateFile函数）。该函数最终会调用串口设备驱动程序的SrlCreate函数。
向串口设备发送数据函数WriteFile（参数说明见ob/obmethod.c第123行定义的ObWrite函数）。该函数最终会调用串口设备驱动程序的SrlWrite函数。
从串口设备接收数据函数ReadFile（参数说明见ob/obmethod.c第69行定义的ObRead函数）。该函数最终会调用串口设备驱动程序的SrlRead函数。
3.2 练习使用EOS应用程序向串口发送数据
按照下面的步骤练习：
1. 按F7生成EOS内核项目。
2. 按F5启动调试。
3. EOS启动成功后，在控制台中输入命令“serial”按回车，启动串口测试程序serial.exe。程序启动后会显示提示信息和准备向COM2发送数据的提示符“>>”。
由于虚拟机上的COM2和主机上的COM7已经建立了连接，所以在向虚拟机的COM2发送数据之前，要先启动主机上的“Terminal”工具，准备从COM7接收数据：
1. 在OS Lab的“工具”菜单中选择“Terminal”，启动“Terminal”工具。
2. 在“连接到”对话框中选择COM7，点击“确定”按钮。
3. 在“属性”对话框中点击“确定”按钮，使用默认设置。接下来就会显示Terminal的输入输出窗口，用于显示从COM7接收到的数据和向COM7发送的数据。
4. 此时激活虚拟机窗口，在EOS控制台中输入任意字符串并按回车后，Terminal会接收到由serial.exe发送到串口COM2的内容。例如在serial中输入“hello”后按回车，Terminal会接收到并显示“hello”，如图1：
图1：Terminal接收数据
5. Serial.exe将输入内容发送到COM2后，会立刻调用API函数ReadFile从COM2读取数据。由于当前EOS的串口驱动程序尚未实现从串口读取数据的功能，所以ReadFile返回了错误，serial.exe就退出了，如图2。 设备驱动程序
3
图2：serial.exe从串口接收数据失败后退出
6. 结束此次调试。关闭Terminal工具。
3.3调试EOS串口驱动程序向串口发送数据的功能
在为EOS串口驱动程序添加从串口接收数据的功能之前，先通过调试发送数据功能，了解发送数据的工作原理，在此基础上，就能够较轻松的完成接收数据功能。在调试时要重点理解下面几个方面：
发送完成事件的作用。
环行缓冲区的作用。
对8250寄存器的操作和中断处理过程。
按照下面的步骤进行调试：
1. 在OS Lab“项目管理器”窗口中打开串口驱动程序源文件io/driver/serial.c。在函数SrlWrite的第一行（310行）和最后一行（341行）分别添加一个断点；在函数SrlIsr的第一行（352行）添加一个断点；在函数SrlRead唯一的一条返回语句所在行（295行）添加一个断点。
2. 按F5启动调试。
3. 在内核初始化过程中，初始化8250控制器时会触发一个8250中断，并命中SrlIsr中设置的断点，按F5让EOS继续执行忽略此次中断。
4. 激活虚拟机窗口，在EOS控制台中输入命令“serial”按回车。
5. 在OS Lab的“工具”菜单中选择“Terminal”工具，并按3.2节中的方法打开串口COM7并进入工具的输入输出窗口。
6. 在EOS控制台中输入“12345”共5个字符后按回车。
7. 在向串口发送数据时，serial应用程序调用了EOS的API函数WriteFile，而WriteFile最终调用了串口驱动程序的SrlWrite函数，所以会命中设置在SrlWrite函数第一行的断点。打开“调用堆栈”窗口验证函数调用的层次。
8. 将鼠标指针移动到SrlWrite函数参数Request上，可以查看其值为6。说明要发送包括“12345”和字符串结束符“\0”在内的6个字符。
9. 对照SrlWrite的流程图，按F10单步跟踪该函数的执行过程。当变量Data被赋值后，查看变量的值为0x31（字符“1”的ASCII代码）。当执行语句（第332行）：
WRITE_PORT_UCHAR(REG_PORT(DeviceObject, THR), Data);
后，将会命中设置在SrlIsr中的断点，开始调试中断处理程序。激活Terminal工具窗口，可以看到已经接收到字符“1”。
尝试根据对8250中断处理方式的理解，说明在执行第332行语句后会进入中断处理程序的原因。此时，应用程序线程被阻塞在SrlWrite函数中（第337行），直到缓冲区中的数据发送完毕后才会被唤醒，并从第337行继续运行。注意，在第337行等待的事件对象是一个自动事件对象，即从该行函数返回后，事件对象就会自动变为无效（Nonsignaled）状态。
在应用程序线程被阻塞期间，串口中断处理程序完成了将缓冲区中的数据发送到8250设备驱动程序
4 的工作：
1. 对照SrlIsr的流程图，按F10单步跟踪该函数的执行过程。它会首先根据IIR寄存器判断中断类型，如果是THR寄存器空，会从发送缓冲区中读取下一个字符’2’并写入THR寄存器来进行发送。
2. SrlIsr执行完最后一条语句时按F5继续运行。此后会命中SrlIsr中的断点5次，每次命中都说明8250发送了一个字符，观察Teminal工具的窗口，都会看到又接收到了一个字符。
3. 在跟踪SrlIsr的第6次执行时要注意，因为此时缓冲区已空，SrlIsr会执行语句：
PsSetEvent(&Ext->CompletionEvent);
设置发送完成事件有效，从而唤醒等待发送完成的应用程序线程。此后再按F5继续运行，会命中设置在函数SrlWrite最后一行的断点，说明应用程序线程被唤醒后开始继续运行。
4. 此时按F5继续运行，应用程序会从WriteFile函数返回并调用ReadFile函数从串口接收数据，就会命中函数SrlRead中设置的断点。
5. 由于SrlRead尚未实现，仅仅返回了STATUS_NOT_SUPPORTED错误码，所以按F5继续后serial将会得到ReadFile执行错误的结果，serial退出运行。
6. 结束此次调试。关闭Terminal工具。
3.4为EOS串口驱动程序添加从串口接收数据的功能
3.4.1 要求
完成SrlRead函数，使应用程序serial.exe在调用ReadFile时能够从COM2接收数据。
3.4.2 测试方法
1. EOS内核项目代码修改完毕后，按F7生成项目。
2. 按F5启动调试。
3. 按照之前练习的方法启动serial.exe和Terminal工具。
4. 在EOS控制台输入字符串并发送到Terminal工具后，从Terminal工具输入字符串应该可以再发送到EOS控制台，并可以交替的进行输入输出。如图3和图4：
图3：serial.exe从串口发送和接收数据
