設備驅動程序是任何操作系統(tǒng)的必不可少的、最保密的一個組成部分，它們實現了計算機系統(tǒng)所有附屬設備的一個標準接口，它包含與硬件直接相關的設備驅動。從廣義上說，“驅動程序”是指一些函數的集合，這些函數都能對硬件設備進行操作。本文簡單分析了μC/OS-Ⅱ下設備驅動的設計與實現。

設備驅動程序是任何操作系統(tǒng)的必不可少的、最保密的一個組成部分，它們實現了計算機系統(tǒng)所有附屬設備的一個標準接口，它包含與硬件直接相關的設備驅動。從廣義上說，“驅動程序”是指一些函數的集合，這些函數都能對硬件設備進行操作。驅動程序的概念在沒有固定的操作系統(tǒng)的時候，是一個比較模糊的定義。簡單地理解就是提供了一個軟件到硬件(也可以是虛擬硬件)操作的函數。通常主要應該包括：設備初始化、設備的讀寫(輸入輸出)、設備的控制等信息。在μC/OS-Ⅱ下沒有統(tǒng)一的設備驅動接口——不像windows或者linux下通過設備文件的定義模式，所以，把一些對硬件操作是通過一般的函數來完成的，叫成“驅動程序”也不為過。

1. 簡介

外設驅動程序是實時內核和硬件之間的接口，是連接底層硬件和內核的紐帶。

編寫驅動程序模塊應滿足以下主要功能：

① 對設備初始化;

② 把數據從內核傳送到硬件和從硬件讀取數據;

③ 讀取應用程序傳送給設備的數據和回送應用程序請求的數據;

④ 監(jiān)測和處理設備出現的異常。由于在μC/OS-Ⅱ下沒有統(tǒng)一的設備驅動接口，在該操作系統(tǒng)中設備驅動的設計和實現主要是通過一些對硬件操作的函數來完成。

2. μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)啟動過程中的硬件初始化

基于μC/OS-II的應用系統(tǒng)工作時，首先把CPU初始化;接著進行操作系統(tǒng)初始化，主要完成任務控制塊(TCB)初始化、TCB優(yōu)先級表初始化、空任務的創(chuàng)建等;然后開始創(chuàng)建新任務，并可在新創(chuàng)建的任務中再創(chuàng)建其他的新任務;最后調用OSSTART()函數啟動多任務調度。

當μC/OS-Ⅱ實際移植到具體的硬件平臺中時，系統(tǒng)初始化時還要進行硬件的初始化。主函數是系統(tǒng)啟動首先執(zhí)行的一個函數，在啟動μC/OS—Ⅱ之前，要屏蔽所有中斷，并對全局變量初始化，防止運行出錯。硬件初始化主要包括中斷初始化，串口、鍵盤、顯示等設備初始化。μC/OS—Ⅱ的初始化通過調用OSInit()函數，為OS分配任務隊列、優(yōu)先級狀態(tài)表和準備狀態(tài)表，初始化全局變量，并且創(chuàng)建一個空循環(huán)任務。接下來，在啟動μC/OS—Ⅱ前調用OSTaskCreate()創(chuàng)建所有用戶任務，并置準備態(tài)，創(chuàng)建任務時，要指定每個任務的優(yōu)先級、堆棧大小和位置、任務函數入口。調用OS2Start()啟動μC/OS—Ⅱ。從就緒隊列中找到優(yōu)先級最高的任務，作為當前任務執(zhí)行。流程如圖所示。

3. μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)對硬件的操作和控制

3.1 函數控制硬件

前面已經提到過，不像其他的操作系統(tǒng)，在μC/OS—Ⅱ中沒有統(tǒng)一的設備驅動接口，因此對硬件的操作和控制可以通過函數來完成。在啟動過程中完成硬件初始化后，系統(tǒng)創(chuàng)建一個空循環(huán)任務，然后就可以調用OSTaskCreate()創(chuàng)建用戶任務，在任務用戶任務中選擇要控制的硬件，選擇最佳的控制方法，調用用戶自己編寫的函數來完成。

 

 

圖 系統(tǒng)啟動流程

3.2 BSP

BSP(板級支持包)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，并對底層硬件進行封裝，使得操作系統(tǒng)不再面對具體的操作。

為μC/OS-Ⅱ編寫一個簡單的 BSP。它首先設置CPU內部寄存器和系統(tǒng)堆棧，并初始化堆棧指針，建立程序的運行和調用環(huán)境;然后可以方便地使用C語言設置硬件的配置環(huán)境，并編制相應的操作函數，為操作系統(tǒng)調用提供統(tǒng)一的接口;在CPU、板級和程序自身初始化完成后，就可以把CPU的控制權交給操作系統(tǒng)了。

4. 實際應用舉例

既然在μC/OS-Ⅱ下沒有統(tǒng)一的設備驅動接口，系統(tǒng)對硬件的控制是通過一些對硬件操作的函數來完成的。下面以在μC/OS-Ⅱ實時內核下驅動程序讀取A/D的三種方法，分析在實際的工程實踐中μC/OS-Ⅱ設備驅動的設計和實現，以及在設計過程中應注意的一些問題。

以一個單片機數據采集系統(tǒng)為例，硬件環(huán)境基于C8051F015單片機。A/D轉換是單片機數據采集系統(tǒng)的重要組成部分，實時內核下A/D驅動程序的實現過程主要取決于A/D轉換器的轉換時間。我們首先比較和分析μC/OS-Ⅱ下A/D采樣數據的三種方法;其次介紹C8051F015單片機A/D模數轉換器的配置及特點;最后，在μC/OS-II內核移植到8位單片機C8051F015的基礎上，介紹編寫A/D驅動程序的一般思路和方法。

4.1 μC/OS-II實時內核下的A/D讀取方法

實時內核下，驅動程序采用什么方法讀取A/D采樣數據是首先考慮的問題。許多因素將影響讀取A/D，如A/D的轉換時間、模擬值的轉換頻率、輸入通道數等，但最主要的是取決于A/D的轉換時間。典型的A/D轉換電路由模擬多路復用器(M U X)、放大器和模數轉換器(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A/D 轉換器的轉換時間較慢(5ms以上)，應用程序調用圖1所示的驅動程序，并傳遞要讀取的通道。驅動程序通過M U X選擇要讀取的模擬通道(①)開始讀。轉換前，延時幾μs以便使信號通過M U X傳遞，并使之穩(wěn)定下來。接著，ADC被觸發(fā)開始轉換(②)。然后驅動程序延時一段時間以完成轉換(③)。延時時間必須比ADC轉換時間長。最后驅動程序讀取ADC轉換結果(④)，并將轉換結果返回到應用程序(⑤)。

 

 

圖2所示的是第2種讀取方法。當模擬轉換完成后，ADC產生的一個中斷信號。若ADC轉換完成，ISR給信號量發(fā)一個信號(⑤)，通知驅動程序，ADC已經完成轉換。如果ADC在規(guī)定的時限內沒有完成轉換，信號量超時(③)，則驅動程序不再等待下去。驅動程序和中斷服務子程序(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A D C 轉換;

等待來自ADC 轉換結束中斷產生的信號量;

if (超時){

*err=信號錯誤;

return;

} else {

讀取ADC轉換結果并將其返回到應用程序 ;

}

}

ADCoversion Complete ISR{

保存全部CPU 寄存器; /* 將CPU的PSW、ACC、 B、

DPL、DPH及Rn入棧*/

通知內核進入ISR(調用OSIntEnter()或OSIntNesTIng直接加1);

發(fā)送A D C 轉換完成信號; /* 利用μC/OS-II內核的

OSSemPost()*/

通知內核退出ISR(調用OSIntExit());

恢復所有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)行時間與調用等待信號的時間之和為A/D轉換時間。

如果A/D轉換時間小于處理中斷時間與等待信號所需的時間之和，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)結束后，驅動程序接著在一個軟件循環(huán)中等待(③)ADC直到完成轉換。在循環(huán)等待時，驅動程序檢測ADC的狀態(tài)(BUSY)信號。如果等待時間超過設定的定時值(軟件定時)，則結束等待循環(huán)(循環(huán)等待超時)。如果在循環(huán)等待中，檢測到ADC發(fā)出轉換結束的信號(BUSY)時，驅動程序讀取ADC轉換結果(④)并將結果返回到應用程序(⑤)。

驅動程序偽代碼如下：

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A D C 轉換;

啟動超時定時器;

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

if (Counter==0){

*err=信號錯誤;

return;

} else {

讀取ADC 轉換結果并將其返回到應用程序 ;

}

}

A/D 轉換速度快，這種驅動程序的實現是最好的。

4.2 C8051F015單片機A/D模數轉換器

再來簡單介紹一下C8051F015單片機A/D模數轉換器的配置及特點。

在C8051F015 單片機中，ADC的轉換時鐘周期至少在400ns，轉換時鐘應不大于2MHz。一般在啟動ADC之前都要處于跟蹤方式，而ADC一次轉換完成要用16個系統(tǒng)時鐘。另外，在轉換之前還要加上3個系統(tǒng)時鐘的跟蹤/保持捕獲時間，所以完成一次轉換需19個ADC轉換時鐘(9.5μs)。圖1中的方法簡單，轉換時間在ms級以上，一般用于變化慢的模擬輸入信號，不適用于C8051F015。

 

 

圖2中的方法，為了減少μC/OS-II內核調用ISR所用時間，ISR一般都用匯編語言編寫。從程序1中ISR偽代碼可以看出，盡管ISR用匯編語言編寫，代碼效率高，但μC/OSII調用ISR的時間與調用等待信號時間之和大于A/D的轉換時間，所以C P U用于ISR 和循環(huán)檢測的開銷大。圖3 所示的方法顯然適合于C8051F015 單片機。其優(yōu)點是：可以獲得快速的轉換時間;不需要增加一個復雜的ISR;轉換時信號改變時間更短;C P U 的開銷小;循環(huán)檢測程序可被中斷，為中斷信號服務。

4.3 A/D驅動程序的編寫

外設驅動程序是實時內核和硬件之間的接口，是連接底層硬件和內核的紐帶。編寫驅動程序模塊應滿足以下主要功能：① 對設備初始化;② 把數據從內核傳送到硬件和從硬件讀取數據;③ 讀取應用程序傳送給設備的數據和回送應用程序請求的數據;④ 監(jiān)測和處理設備出現的異常。

 

 

A/D轉換電路作為一個模擬輸入模塊，μC/OS-II內核應把它作為一個獨立的任務(以下稱為ADTask())來調用。A/D驅動程序模塊流程如圖4所示。ADInit()初始化所有的模擬輸入通道、硬件ADC以及應用程序調用A/D模塊的參量，并且ADInit()創(chuàng)建任務ADTask()。ADTb1 [ ]是一個模擬輸入通道信息、ADC硬件狀態(tài)等參數配置以及轉換結果存儲表。ADUpdate()負責讀取所有模擬輸入通道，訪問ADRd()并傳遞給它一個通道數。ADRd()負責通過多路復用器選擇合適的模擬輸入，啟動并等待ADC轉換，以及返回ADC轉換結果到ADUpdate()。

在μC/OS-II 實時內核下各原型函數、數據結構和常量的定義如下。

INT16S ADRd(INT8U ch);

/* 定義如何讀取A/D，A/D必須通過AIRd()來驅動 */

void ADUpdate(void);

/* 一定時間內更新輸入通道 */

void ADInit(void);

/* A/D 模塊初始化代碼，包括初始化所有內部變量(通

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

void ADTask(void data);

/* 由ADInit()創(chuàng)建，負責更新輸入通道(調用ADUpdate()) */

void ADInitI(void);

/* 初始化硬件A/D */

AD_TaskPrio：設置任務ADTask()的優(yōu)先級。

AD_TaskStkSize：設置分配給任務ADTask()的堆棧大小。

AD_MaxNummber ：AMUX 的輸入通道數。

AD_TaskDly：設定更新通道的間隔時間。

AD ADTb1[AD_MaxNummber]：AD 類型的數組(AD 是定義的數據結構)。

4.4 總結

對于A/D轉換器接口電路驅動程序的編寫歸納出以下幾點：

① 在決定采用具體的驅動方案之前，分析設備接口電路的特點，尤其是了解設備的配置和特點;

② 對于處理速度快的設備，可能出現CPU的處理速度與設備處理速度不匹配，一般的設備中不帶有FIFO緩沖區(qū)，須在內存中開辟緩沖區(qū);

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

④ 不同的外設配置、環(huán)境、轉換精度等都會影響到設備驅動的設計，要對各個不同的外設進行具體分析。

5. 結束語

在μC/OS-Ⅱ下沒有統(tǒng)一的設備驅動接口，對硬件的控制和管理是通過函數來實現的。設備的初始化、設備的讀寫和控制對應各自的函數，實現各自的功能。μC/OS-Ⅱ下開發(fā)設備的驅動程序，應該考慮到具體硬件的特征和配置情況，對不同的外設情況選擇最佳的硬件控制和管理方法。[!--empirenews.page--]