每個嵌入式軟件應用程序都必須在某個時候訪問最低級別的固件并控制硬件。驅(qū)動程序的設計和實現(xiàn)對于確保系統(tǒng)能夠滿足其實時要求至關(guān)重要。下面是每個嵌入式開發(fā)人員在設計驅(qū)動程序時應該考慮的五個技巧。

每一個嵌入式應用軟件都會在某些時候訪問最底層的固件和進行一些硬件控制。驅(qū)動的設計和實施是確保一個系統(tǒng)能夠滿足其實時性要求的關(guān)鍵。以下五個竅門是每一個開發(fā)者在設計驅(qū)動程序時應該考慮的。

技巧1——使用設計模式

設計模式是對軟件中重復出現(xiàn)的問題的解決方案。開發(fā)人員可能會從零開始重新發(fā)明解決方案，浪費寶貴的時間和預算，或者可以打開他的解決方案工具箱，選擇最適合問題的解決方案。自微處理器誕生以來，低級驅(qū)動程序就一直存在，并且是一個眾所周知的問題。那么為什么不利用現(xiàn)有的解決方案呢?

驅(qū)動程序設計模式通常分為四類:位爆炸、輪詢、中斷驅(qū)動和直接存儲器訪問(DMA)。當微控制器沒有執(zhí)行該功能的內(nèi)部外設，或者當所有這些內(nèi)部外設都已用完而需要另外一個時，開發(fā)人員選擇位爆炸模式。位爆炸解決方案可能是有效的，但是通常需要相當數(shù)量的軟件開銷來實現(xiàn)該能力。bit bang模式實際上是讓嵌入式開發(fā)人員手動實現(xiàn)一個通信協(xié)議或外部行為。

輪詢模式只是以循環(huán)方式監(jiān)視事件。輪詢模式對于簡單的系統(tǒng)是很好的，但是許多現(xiàn)代應用程序需要中斷。中斷提供了在事件發(fā)生時立即處理事件的能力，而不是等待代碼來手動檢查事件。DMA模式允許另一個外設處理數(shù)據(jù)傳輸需求，并讓驅(qū)動程序無需干預。

技巧2——了解實時行為

實時系統(tǒng)滿足截止日期的能力始于它的驅(qū)動程序。寫得不好的驅(qū)動程序?qū)⑹堑托У?，并為毫無戒心的嵌入式開發(fā)人員提供了損害其系統(tǒng)性能的可能性。驅(qū)動程序有兩種風格，設計師應該考慮;阻塞和非阻塞。阻塞驅(qū)動程序阻止任何其他軟件執(zhí)行，直到驅(qū)動程序完成其工作。例如，USART驅(qū)動程序可能會將一個字符放入發(fā)送緩沖區(qū)，并在繼續(xù)發(fā)送之前等待發(fā)送結(jié)束標志，而不是繼續(xù)發(fā)送。

另一方面，非阻塞驅(qū)動程序通常利用中斷來執(zhí)行它的功能。使用中斷可以防止驅(qū)動程序在等待事件發(fā)生時阻止軟件執(zhí)行。USART驅(qū)動程序可能會將一個字符放入發(fā)送緩沖區(qū)，但主軟件會繼續(xù)執(zhí)行下一條指令。傳輸結(jié)束標志的設置會觸發(fā)一個中斷，允許驅(qū)動程序采取下一個操作。

無論何種類型，為了保持實時性能并幫助防止系統(tǒng)故障，嵌入式開發(fā)人員必須了解他們的驅(qū)動程序的平均和最壞情況下的執(zhí)行時間。系統(tǒng)的完整性潛在地處于危險之中，如果系統(tǒng)是安全關(guān)鍵的，可能更危險。

技巧3——面向重用的設計

時間和預算都很緊張，為什么要重新發(fā)明輪子呢?重用、可移植性和可維護性是驅(qū)動程序設計中的關(guān)鍵要求。這些特性中的許多可以通過硬件抽象層的設計和使用來說明。

硬件抽象層(HAL)為開發(fā)人員提供了一種創(chuàng)建標準接口來控制微控制器外設的方法。抽象隱藏了實現(xiàn)細節(jié)，而是提供了可見的功能，例如Usart_Init和Usart_Transmit。其理念是任何USART、SPI、PWM或其它外設都具有所有微控制器都支持的共同特性。HAL的使用隱藏了低級的、設備特定的細節(jié)，允許應用程序開發(fā)者關(guān)注應用程序需求，而不是低級硬件如何工作。同時，HAL提供了一個可重用的容器。

技巧4——請參考數(shù)據(jù)手冊

在過去的幾年里，微控制器變得有點復雜。曾幾何時，人們可能想了解的關(guān)于微控制器的一切都包含在一張約500頁的數(shù)據(jù)手冊中。如今的32位微控制器除了所有的勘誤表之外，通常還包含由器件數(shù)據(jù)手冊、系列數(shù)據(jù)手冊和每個外設的數(shù)百頁數(shù)據(jù)手冊。如果嵌入式開發(fā)人員真的想完全理解該部分，他們需要閱讀幾千頁的文檔。

不幸的是，要真正正確地實現(xiàn)一個驅(qū)動程序，所有這些數(shù)據(jù)表都是必需的。一開始，開發(fā)人員應該收集和整理每個數(shù)據(jù)表以及其中包含的信息。通常需要咨詢他們中的每一個人才能啟動并運行外設。關(guān)鍵信息分散(和隱藏)在每種類型的數(shù)據(jù)表中。

技巧5——小心外圍故障

將一些驅(qū)動程序從一個系列的微控制器移植到另一個系列。制造商和數(shù)據(jù)手冊都暗示這兩個系列的PWM外設是相同的。另一方面，運行PWM驅(qū)動器表明，盡管如此，兩者之間還是有很大不同。驅(qū)動程序處理的是原來的零件，而不是新零件。仔細查看數(shù)據(jù)手冊后，才發(fā)現(xiàn)一個完全不相關(guān)的數(shù)據(jù)手冊中有一個腳注，稱PWM外設在上電時處于故障狀態(tài)，隱藏在模糊寄存器中的一個位需要清零。

在開始實施驅(qū)動程序時，識別外設故障和任何看似無關(guān)的故障寄存器。

總結(jié)

驅(qū)動程序的設計和實現(xiàn)是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的重要組成部分。進一步探索驅(qū)動程序設計模式以及如何構(gòu)建可以訪問互聯(lián)網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)對嵌入式開發(fā)人員來說非常重要。