| 來(lái)源：?jiǎn)纹瑱C(jī)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 作者：曹 園 吳 勇 傅 鵬 胡利中
摘要：介紹實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)QNX4.25下編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的大體框架、底層細(xì)節(jié)以及諸多注意點(diǎn)。針對(duì)使用較為普遍的PCI設(shè)備作為較為詳細(xì)的描述。
關(guān)鍵詞：驅(qū)動(dòng)程序 QNX 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) PCI
引言 QNX是一個(gè)多任務(wù)、多用戶、分布式、可嵌入式符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)的微內(nèi)核的主流實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，廣泛用于實(shí)時(shí)性能、開發(fā)靈活性、網(wǎng)絡(luò)靈活性要求較高的場(chǎng)合，如電信系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、航空航天、工業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸、POS機(jī)、信息家電等。
QNX是一個(gè)適合軟件/硬件定制的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。如果你曾經(jīng)試圖在傳統(tǒng)的UNIX或Windows平臺(tái)下開發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，那么，QNX下開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序一定會(huì)讓你受寵若驚。由于QNX的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，QNX下的系統(tǒng)進(jìn)程和用戶所寫的進(jìn)程沒(méi)有什么不同，甚至沒(méi)有私有的隱藏起來(lái)的以至用戶不能使用的界面。正是這種結(jié)構(gòu)給QNX帶來(lái)了無(wú)與倫比的可擴(kuò)展性，使得在QNX下寫驅(qū)動(dòng)程序如同寫其它程序一般方便。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序能夠獲取普通程序所能獲得的任務(wù)服務(wù)。在QNX中增加一個(gè)新的驅(qū)動(dòng)程序不會(huì)影響操作系統(tǒng)其它程序的任何部分，QNX環(huán)境所需的唯一改變是實(shí)現(xiàn)地啟動(dòng)新的驅(qū)動(dòng)程序。
當(dāng)然，我們會(huì)遇到形形色色的硬件設(shè)備，某些驅(qū)動(dòng)程序可能將以特殊方式控制設(shè)備的存在和配置。本文只想集中討論QNX下如何進(jìn)入、控制設(shè)備級(jí)的通用硬件，對(duì)所有驅(qū)動(dòng)程序來(lái)講這是一個(gè)共性問(wèn)題。其中，將對(duì)使用較多的PCI設(shè)備作較為詳細(xì)的敘述。以下是硬件驅(qū)動(dòng)程序的編寫。
1 探測(cè)硬件 首先，需要判斷設(shè)備是否存在，然后查詢?cè)撛O(shè)備的配置（例如，設(shè)備基地址、中斷號(hào)等）。對(duì)于某類設(shè)備，一般會(huì)有一大相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制來(lái)判斷其配置。每塊設(shè)備的基地址、中斷號(hào)等是編程必須的資源，例如，常用的ISA及PCI硬件設(shè)備。對(duì)于ISA設(shè)備，一般由板上手工跳線設(shè)定，不言自明；對(duì)于常用的PCI設(shè)備，這些資源會(huì)由系統(tǒng)自動(dòng)分配，特別是添減設(shè)備，可能會(huì)發(fā)生變化。因此，在驅(qū)動(dòng)程序中能夠動(dòng)態(tài)查找這些資源顯得比較重要。對(duì)于諸如A/D、D/A、定時(shí)卡、I/O板卡這類設(shè)備，對(duì)照硬件手冊(cè)編寫一些簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)程序并不困難。如果有DOS下驅(qū)動(dòng)程序的C源碼，移值應(yīng)該更容易一些。
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)PCI總線設(shè)備的控制和管理，必須訪問(wèn)PCI設(shè)備的配置空間。配置空間是一容量為256字節(jié)并具特定紀(jì)錄結(jié)構(gòu)的地址空間。該地址空間的結(jié)構(gòu)如圖1所示。NQX4.25pp sys/pci.h中對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體定義。
每個(gè)PCI設(shè)備具有唯一的廠商標(biāo)識(shí)（vendor id）和設(shè)備標(biāo)識(shí)（device id），這些信息由硬件手冊(cè)提供或系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)可以看到。下面一段代碼展示了于一個(gè)給定的PCI設(shè)備如何調(diào)用QNX相關(guān)的函數(shù)、偵測(cè)設(shè)備的存在以及系統(tǒng)分配的資源。其中，標(biāo)識(shí)（index）用來(lái)支持和區(qū)分具有同樣廠商標(biāo)識(shí)和設(shè)備標(biāo)識(shí)的幾塊同樣的設(shè)備。Index從0開始，如果指定為1，將標(biāo)識(shí)第二塊同型號(hào)的設(shè)備。
本例中，YOUR_PCI_DEVICE_ID、YOUR_PCI）CENDOR）OD值是研華的PCL-1713采集卡，可以根據(jù)所使用的硬件填以合適的值。
以根據(jù)所使用的硬件填以合適的值。
#include<stdlib.h>
#include<stddef.h>
#include<stdio.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/mman.h>
#include<sys/osinfo.h>
#include<sys/pci.h>
#include<i86.h>
#define YOUR_PCI_DEVICE_ID0x1713 //根據(jù)具體設(shè)備提供對(duì)應(yīng)的廠商標(biāo)識(shí)及設(shè)備標(biāo)識(shí)
#define YOUR_PCI_VENDOR_ID 0x13fe
int main(void){
unsigned busnum,devfuncnum; //總線號(hào)（PC僅有一條）及設(shè)備功能號(hào)
long address;
long io_base; //I/O基地址
unsigned char irq； //中斷號(hào)
int pci_index=0 //標(biāo)識(shí)為零標(biāo)識(shí)第一塊此種型號(hào)設(shè)備
if(_CA_PCI_Fin
d_Device(YOUR_PCI_DEVICE_ID,
YOUR_PCI_VENDOR_ID,pci_index,&busnum，&devfuncnum)!=PCI_SUCCESS){
printf("Can not find device")；
exit(EXIT_FAILURE);
}
//偵測(cè)設(shè)備中斷
if(_CA_PCI_Read_Config_Byte(busnum,devfuncnum,offsetof(struct_pci_config_regs,Interrupt_Line)，
1，&irq)!=PCI_SUCCESS){
printf("Error reading interrupt")；
exit(EXIT_FAILURE);
}
//偵測(cè)設(shè)備I/O基地址
if_CA_PCI_Read_Config_DWord(busnum,devfuncnum,offsetof(struct_pci_config_regs,Base_[2])，
1，（char *）&address)！=PCI_SUCCESS){
printf("Error reading address")；
exit(EXIT_FAILURE);
}
io_base=PCI_IO_ADDR(adress)；
printf("IO address:%x",io_base);
printf("IRQ:"%x",irq);
exit(EXIT_SUCCESS);
}
注意：各種設(shè)備的Base_Address_Regs[x]，x可能不盡相同，需要查看具體的硬件手冊(cè)決定。
2 進(jìn)入硬件 一旦獲得了系統(tǒng)分配給某個(gè)硬件設(shè)備的資源信息，就可以同這個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信了。至于如何做取決于需要訪問(wèn)的硬件資源。
2.1 I/O資源
一個(gè)進(jìn)程試圖進(jìn)行I/O操作，必須具有正確的權(quán)限等級(jí)。你必須是超及用戶（root），在編譯的時(shí)候加上適當(dāng)參數(shù)T1，以確何該進(jìn)程擁有訪問(wèn)I/O口的權(quán)限。若忽視這一點(diǎn)，該運(yùn)行進(jìn)程將獲得一個(gè)口的權(quán)限。若忽視這一點(diǎn)，該運(yùn)行進(jìn)行將獲得一個(gè)SIGSEGV信號(hào)，表示一個(gè)非法的內(nèi)存引用，并結(jié)束進(jìn)程運(yùn)行。
現(xiàn)在就可以利用inp()、inpd()、inpw()，outp()，inpd()，inpw(0等函數(shù)，對(duì)I/O基地址（I/O base address）加上寄存器偏移量（offset）處的I/O進(jìn)行操作了。例如：
outpw(baseaddress+offset_reg,0xdeadbeef)；
此外，對(duì)于一些設(shè)備，其I/O口是固定、眾所皆知的，例如，一塊VGA兼容的設(shè)備，并無(wú)上述所謂基地址。通過(guò)0x3c0、0x3d4、0x3d5，可以直接進(jìn)入這些VGA的控制器。例如：
outp(0x3d4,0x11);
outp(0x3d5,inp(0x3d5)& ～0x80)；
2.2 存儲(chǔ)映射資源
某些設(shè)備，可以通過(guò)一般的內(nèi)存操作進(jìn)入寄存器，這就需要獲得內(nèi)存基地址（memory base address）。為了能夠獲進(jìn)入此類設(shè)備的寄存器，需要將其映射到驅(qū)動(dòng)程序虛擬地址空間。QNX下的技術(shù)資料/etc/readme/technotes/shmem.txt描述了如何創(chuàng)建一個(gè)共享內(nèi)存對(duì)象，然后將這個(gè)內(nèi)存對(duì)象的一段內(nèi)存映射到PCI卡中，以便能夠進(jìn)入這個(gè)PCI設(shè)備。（接著上面的代碼）可以利用mmap（）：
char *mem_base;
if(PCI_IS_MEM(address)){ //判斷內(nèi)存基地址
int fd；
char *page_ptr；
fd=shm_open("Physical",O_RDWR,0777);//創(chuàng)建一個(gè)共享內(nèi)存對(duì)象
if(fd= =-1){
perror("Error shm_open:");
exit(EXIT_FAILURE);
}
page_ptr=mmap(0,4096,PROT_READ|PROT_WRITE,
MAP_SHARED,fd,PCI_MEM_ADDR(address)&～0xfff)；//將內(nèi)存基地址映射
if(page_ptr= =(char *)
perror("Error mmap:");
exit(EXIT_FAILURE);
}
mem_base=page_ptr+(PCI_MEM_ADDR(address)&0xfff)；
close(fd)；
}
printf("MEM" address:%lx",PCI_MEM_ADDR(address))；
if(PCI_IS_MEM(address))
printf("mapped at : %lx",mem_base);
現(xiàn)在可以使用指針mem_base來(lái)進(jìn)入設(shè)備寄存器了。例如：
mem_base[SHUTDOWN_REGISTER]=0x0xdeadbeef；
2.3 中斷資源
超級(jí)用戶（root）可以調(diào)用qnx_hint_attach()將一個(gè)中斷處理程序綁定到一個(gè)設(shè)備上。中斷處理程序作為一個(gè)遠(yuǎn)程調(diào)用（far），在進(jìn)程空間（Localdescriptor Table set）運(yùn)行。該函數(shù)最后一個(gè)參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)段。寄存器SS為一個(gè)特別的內(nèi)核棧，這不同于數(shù)據(jù)段（DS）。因此，需要在中斷處理程序及其調(diào)用的函數(shù)中關(guān)斷棧檢查。大部分系統(tǒng)庫(kù)中的函數(shù)在編譯的時(shí)候都關(guān)斷了棧檢查，然而，對(duì)于需要使用大量?jī)?nèi)存的函數(shù)可能并非如此。后者即是那些在中斷處理程序中不可調(diào)用的函數(shù)，如printf()、open()。通過(guò)QNX具體函數(shù)在線資源的Safety→Interrupt handler項(xiàng)進(jìn)行判斷該函數(shù)是否可以調(diào)用。如果函數(shù)中包括任何自動(dòng)（auto）變量，強(qiáng)烈建議將中斷函數(shù)放在自身文件中，然后利用參數(shù)-zu選項(xiàng)編譯之。這樣能夠告知編譯器，使得SS!=DS。
任何被中斷處理程序修改的變量需要指定為volatile關(guān)鍵字。中斷處理程序的返回值必須為0；或某個(gè)有效的代碼號(hào)（proxy pid），以此來(lái)觸發(fā)一個(gè)代碼從而發(fā)送一則消息。
下面總結(jié)一個(gè)中斷處理程序編寫時(shí)的注意點(diǎn)：
①只能和自己的硬件對(duì)話（如，清除設(shè)備的中斷狀態(tài)位），千萬(wàn)不要對(duì)8259中斷控制器編程！
②使中斷處理程序盡可能的短小。如果有很多的工作需要做，必須觸發(fā)一個(gè)代理，并且它喚醒一個(gè)進(jìn)程完成這些工作，以保證其它進(jìn)程及低優(yōu)先級(jí)的中斷正常運(yùn)行，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。
③中斷處理程序不能調(diào)用含有內(nèi)核調(diào)用的例程。
④中斷處理程序必須是一個(gè)遠(yuǎn)程（far）調(diào)用函數(shù)。
⑤中斷處理程序必須在自己的模塊中。
⑥無(wú)論程序中其它模塊是如何編譯的，包含中斷處理程序的模塊必須是利用-zu和-s選項(xiàng)編譯。（利用cc-zu-Wc-s）這些選項(xiàng)能夠保證SS！=DS，并且關(guān)斷棧檢查。當(dāng)然，也可使用：
#pragma off(check_stack);
pid_t far handler_xxx(){
return(proxy_xxx);
}
#pragma on(check_stack)；
在試圖編寫執(zhí)行一個(gè)中斷處理程序前，務(wù)必仔細(xì)閱讀在線文檔?，F(xiàn)在，可以參照硬件手冊(cè)自由地對(duì)您的設(shè)備寄存器進(jìn)行操作了。
結(jié)語(yǔ) 在HT-7U極向場(chǎng)電源控制系統(tǒng)中，我們?cè)赒NX4.25下開發(fā)了多種設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。這些程序工作穩(wěn)定、性能優(yōu)異、工作量小且易于控制。此外，QSSL公司的新版本QNX6.x下開發(fā)驅(qū)動(dòng)更為方便，其原理同QNX4.25相似或者是對(duì)應(yīng)的。 |
