1 引言

嵌入式系統(tǒng)軟件人員經(jīng)常讀取系統(tǒng)外設(shè)寄存器和控制寄存器，直接控制硬件，這樣對(duì)軟件開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)是一種繁復(fù)的事，而且嵌入式微處理器內(nèi)部集成外設(shè)種類(lèi)越來(lái)越多，如串口設(shè)備、時(shí)鐘／定時(shí)器設(shè)備、IIC總線等，對(duì)嵌入式編程帶來(lái)更多的困難。如果讀寫(xiě)硬件的語(yǔ)句散布在整個(gè)應(yīng)用程序中或者不同的功能模塊可能會(huì)讀寫(xiě)同一個(gè)硬件，那么當(dāng)系統(tǒng)硬件發(fā)生變動(dòng)時(shí)，應(yīng)用程序就必須全盤(pán)重寫(xiě)。怎么避免這樣的情況？一個(gè)好的方法就是按照盡量隱藏硬件的原則編制設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序中盡量隱藏硬件，有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①因?yàn)槟K化，軟件的總體結(jié)構(gòu)更容易理解；②只要是與某一個(gè)外設(shè)相互作用，必然是通過(guò)他的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)起作用的，這樣查找錯(cuò)誤和故障就更容易些；③由硬件的變動(dòng)導(dǎo)致的軟件變化集中在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序上，這樣做有助于減少系統(tǒng)變動(dòng)時(shí)改變軟件設(shè)計(jì)工作量，盡量做到軟件復(fù)用，縮短開(kāi)發(fā)周期，這對(duì)提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)能力有實(shí)際意義。

2 編寫(xiě)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的方法和步驟

本文以摩托羅拉公司冷火系列（coldfire）嵌入式微處理器MCF5307定時(shí)器為例，討論在用C＋＋語(yǔ)言編寫(xiě)嵌入式系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，如何做到盡量隱藏硬件的方法和步驟。

（1）覆蓋設(shè)備的存儲(chǔ)映像控制及狀態(tài)設(shè)備寄存器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

MCF5307的寄存器C語(yǔ)言描述文件是MCF5307．h，這個(gè)文件對(duì)MCF5307的系統(tǒng)寄存器和片上外設(shè)控制和狀態(tài)寄存器以結(jié)構(gòu)或聯(lián)合的方式做了定義。在Timer．cpp添加MCF5307．h并在頭文件文件中定義MCF5307＿IMM類(lèi)型全局指針變量imm后就可以訪問(wèn)這些寄存器（使用timer1）。如下所示：

＃define MBAR＿ADDR

0x10000000

＃define VBR 0x0

MCF5307＿IMM

＊imm＝（MCF5307＿IMM＊）MBAR＿ADDR；

在timer類(lèi)構(gòu)造函數(shù)中對(duì)MCF5307定時(shí)器控制和狀態(tài)寄存器作硬件初始化，使其產(chǎn)生周期為1 ms的節(jié)拍中斷。

（2）跟蹤目前硬件和設(shè)備驅(qū)動(dòng)狀態(tài)的一組變量

驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)過(guò)程的第二步是確定變量來(lái)跟蹤硬件和設(shè)備驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)。比如，要確定硬件是否已經(jīng)初始化過(guò)或跟蹤當(dāng)前計(jì)數(shù)器的值。

設(shè)備的驅(qū)動(dòng)不只創(chuàng)建一個(gè)軟件設(shè)備，他們純粹是邏輯設(shè)備，在基本外圍硬件之上實(shí)現(xiàn)。容易設(shè)想從單獨(dú)鐘，正如在Windows下定時(shí)器編程一樣。系統(tǒng)的定時(shí)器應(yīng)該被設(shè)置以產(chǎn)生一個(gè)周期性的時(shí)鐘節(jié)拍（tick），比如ms。設(shè)備驅(qū)動(dòng)則保持創(chuàng)建的每個(gè)軟件時(shí)鐘的狀態(tài)信息來(lái)管理一組不同長(zhǎng)度的軟件時(shí)鐘。

（3）一個(gè)把硬件初始化到已知狀態(tài)的例程

確定跟蹤物理和邏輯設(shè)備的狀態(tài)的變量后，接下來(lái)是實(shí)際與設(shè)備交互和控制函數(shù)。首先從設(shè)備初始化例程開(kāi)始，把設(shè)備狀態(tài)設(shè)定到一個(gè)已知的狀態(tài)。然后就是啟動(dòng)定時(shí)器，并且在啟動(dòng)時(shí)設(shè)定類(lèi)型（周期的，還是非周期的）、周期參數(shù)、刪除定時(shí)器等。

（4）合起來(lái)為設(shè)備驅(qū)動(dòng)用戶提供API的一組例程

設(shè)備初始化后，開(kāi)始給設(shè)備驅(qū)動(dòng)添加其他的功能。

以定時(shí)器為例，創(chuàng)建一個(gè)軟件時(shí)鐘，啟動(dòng)時(shí)鐘和管理時(shí)鐘函數(shù)等具體的模塊函數(shù)。這些函數(shù)的集合就可以為設(shè)備驅(qū)動(dòng)應(yīng)用程序提供一個(gè)統(tǒng)一的接口。

（5）中斷服務(wù)例程

確定外設(shè)的中斷服務(wù)例程入口地址以及安裝中斷向量。一些重要的后臺(tái)工作要由中斷服務(wù)例程來(lái)完成，合理的設(shè)置中斷可以很好的利用CPU，提高CPU的運(yùn)行效率。MCF5307的中斷是由中斷基址寄存器VBR和各個(gè)外設(shè)控制寄存器共同決定的。

3 在MCF5307上實(shí)現(xiàn)軟件時(shí)鐘

實(shí)現(xiàn)軟件定時(shí)器的關(guān)鍵就是活動(dòng)時(shí)鐘鏈表的管理，要跟蹤時(shí)鐘狀態(tài)，要記錄時(shí)鐘啟動(dòng)時(shí)刻及其周期或長(zhǎng)度，用鏈表管理時(shí)鐘，把時(shí)鐘的啟動(dòng)時(shí)刻轉(zhuǎn)換為剩余節(jié)拍數(shù)count和鏈表的位置關(guān)系。如圖1所示，當(dāng)一個(gè)軟件時(shí)鐘被啟動(dòng)時(shí)，初始化state，type和length，時(shí)鐘被插入活動(dòng)時(shí)鐘鏈表。在時(shí)鐘鏈表的時(shí)鐘經(jīng)過(guò)排序使得第一個(gè)到期的時(shí)鐘處于表的頂端。每一個(gè)時(shí)鐘有一個(gè)與其相關(guān)的count變量，這個(gè)值代表了所有列表前面的到期時(shí)該時(shí)鐘剩余的時(shí)鐘節(jié)拍數(shù)。在硬件產(chǎn)生的時(shí)鐘節(jié)拍中斷時(shí)——每毫秒一次——都要刷新活動(dòng)時(shí)鐘列表。

圖1說(shuō)明了活動(dòng)時(shí)鐘鏈表，每一個(gè)軟件時(shí)鐘都有他的長(zhǎng)度和開(kāi)始時(shí)間，一旦他們被插入列表，就對(duì)應(yīng)count字段和排序。鏈表中可以看出第1個(gè)和第2個(gè)時(shí)鐘同時(shí)啟動(dòng)。由于第2個(gè)比第1個(gè)長(zhǎng)5 ms，因此他晚5個(gè)節(jié)拍到期。而第3個(gè)時(shí)鐘是在第1個(gè)時(shí)鐘的count＝1時(shí)插入的。

由于篇幅有限，其他的源程序簡(jiǎn)略。

4測(cè)試程序和運(yùn)行結(jié)果

這段程序是在風(fēng)河公司（windriver）diab 4．3g編譯器下編譯，并在SDS調(diào)試器下做調(diào)試運(yùn)行，測(cè)試程序如下：

將程序編譯、鏈接形成可執(zhí)行代碼，下載到目標(biāo)板上調(diào)，運(yùn)行正常，實(shí)現(xiàn)了軟件定時(shí)器。就像Windows編程時(shí)設(shè)置定時(shí)器一樣，用戶可以同時(shí)啟動(dòng)若干定時(shí)器，而他們底層只是由一個(gè)硬件定時(shí)器在驅(qū)動(dòng)。

從測(cè)試程序中可以看出，定時(shí)器編程形式上簡(jiǎn)單多了，應(yīng)用程序不直接對(duì)設(shè)備寄存器讀寫(xiě)，而且這個(gè)定時(shí)器驅(qū)動(dòng)是整個(gè)程序惟一直接訪問(wèn)定時(shí)器單元的模塊。實(shí)現(xiàn)了隱藏硬件的目的。

5結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的MCF5307定時(shí)器驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，表述了隱藏硬件的思想以及用于嵌入式驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)的方法和步驟，可以推廣到其他嵌入式系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)中。這樣的驅(qū)動(dòng)程序，方便程序員為嵌入式系統(tǒng)編寫(xiě)應(yīng)用程序，同時(shí)可以為系統(tǒng)程序員提供必要的庫(kù)例程，增加軟件的可復(fù)用性，減少重復(fù)勞動(dòng)。

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