實時嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks設備驅動程序的設計

VxWorks是WindRiver公司開發(fā)的一種高性能的嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS)，以其優(yōu)良的可靠性、開放性、實時性和易用性贏得了大量的客戶。VxWorks是目前嵌入式系統(tǒng)領域中使用最廣泛、市場占有率最高的系統(tǒng)，被廣泛地應用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術及實時性要求極高的領域中，如衛(wèi)星通訊、軍事演習、彈道制導、飛機導航等。

在目前多數(shù)操作系統(tǒng)中，用戶必須通過驅動程序才能與設備進行交互，正是設備驅動程序為其提供了可訪問性和可操作性，而設備驅動程序本身跟操作系統(tǒng)的相關性特別密切。本文針對VxWorks操作系統(tǒng)特點，分析設備驅動程序的功能、組成和開發(fā)過程，并給出END網(wǎng)口驅動程序的一個設計實例。

1 嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks

下面首先圍繞VxWorks的特點和結構這兩個關鍵問題進行闡述。

1．1 VxWorks的特點

1)可靠性 操作系統(tǒng)的用戶希望在一個工作穩(wěn)定、可以信賴的環(huán)境中工作，所以操作系統(tǒng)的可靠性是用戶首先要考慮的問題。而穩(wěn)定、可靠一直是VxWorks的一個突出優(yōu)點。自從對中國的銷售解禁以來，VxWorks以其良好的可靠性在中國贏得了越來越多的用戶。

2)實時性 實時性是指能夠在限定時間內(nèi)執(zhí)行完規(guī)定的功能并對外部的異步事件做出響應的能力。實時性的強弱是以完成規(guī)定功能和做出響應時間的長短來衡量的。VxWorks的實時性非常強，其系統(tǒng)本身的開銷很小，進程調(diào)度、進程間通信、中斷處理等系統(tǒng)公用程序精練而有效，它們造成的延遲很短。VxWorks提供的多任務機制中對任務的控制采用了優(yōu)先級搶占(Preemptive Priority Scheduling)和輪轉調(diào)度(Round-Robin Scheduling)機制，也充分保證了可靠的實時性，使同樣的硬件配置能滿足更強的實時性要求，為應用的開發(fā)留下更大的余地。

3)可裁減性 用戶在使用操作系統(tǒng)時，并不是操作系統(tǒng)中的每一個部件都要用到。例如圖形顯示、文件系統(tǒng)以及一些設備驅動在某些嵌入式系統(tǒng)中往往并不使用。VxWorks由一個體積很小的內(nèi)核及一些可以根據(jù)需要進行定制的系統(tǒng)模塊組成。VxWorks內(nèi)核最小為8 kB，即便加上其他必要模塊，所占用的空間也很小，且不失其實時、多任務的系統(tǒng)特征。由于它的高度靈活性，用戶可以很容易地對這一操作系統(tǒng)進行定制或作適當開發(fā)，來滿足自己的實際應用需要。

1．2 VxWorks系統(tǒng)結構

VxWorks系統(tǒng)結構如圖1所示，可以從6部分來說明。

1)高性能實時內(nèi)核(Wind Kernel) VxWorks的核心，一般稱作Wind，Wind使用中斷驅動和基于優(yōu)先級的調(diào)度方式。負責多任務調(diào)度、任務間的同步、進程間通信機制、中斷處理、看門狗和內(nèi)存管理機制。

2)文件系統(tǒng)(File System) VxWorks提供快速文件，它包括幾種支持使用塊設備(如磁盤)的本地文件系統(tǒng)。這些設備都使用一個標準的接口，從而使得文件系統(tǒng)能夠靈活地在設備驅動程序上移植。另外，VxWorks也支持SCSI磁帶設備的本地文件系統(tǒng)。

3)設備驅動(Device Drivers) VxWorks系統(tǒng)提供BSP、Network Driver、SCSI Driver構成硬件抽象層。硬件抽象層是一個介于操作系統(tǒng)和底層硬件之間的軟層次，包括了系統(tǒng)中大部分與硬件相關的軟件模塊。在功能上包含兩部分：系統(tǒng)初始化及與硬件相關的設備驅動。

4)I／O系統(tǒng)(I／O System) VxWorks提供了一個快速靈活的與ANSIC兼容的I／O系統(tǒng)，包括UNIX標準的緩沖I／O和POSIX標準的異步I／O 。

5)網(wǎng)絡堆棧(Network Stack) VxWorks提供了對其他網(wǎng)絡和TCP／IP網(wǎng)絡系統(tǒng)的“透明”訪問，包括與BSD套接字兼容的編程接口，遠程過程調(diào)用(RPC)，遠程文件訪問以及BOOTP和ARP代理。所有的VxWorks網(wǎng)絡機制都遵循標準的Intemet協(xié)議。

6)板級支持包 BSP(Board Support Package)板級支持包向VxWorks操作系統(tǒng)提供了對各種板子的硬件功能操作的統(tǒng)一的軟件接口，它是保證VxWorks操作系統(tǒng)可移植性的關鍵，它包括硬件初始化、中斷的產(chǎn)生和處理、硬件時鐘和計時器管理、局域和總線內(nèi)存地址映射、內(nèi)存分配等等。每個板級支持包括一個ROM啟動(Boot ROM)或其他啟動機制。

2 VxWorks設備驅動程序的設計

為了實現(xiàn)應用程序的可移植性，將應用程序從直接操作硬件設備中解放出來，VxWorks操作系統(tǒng)為應用程序操作硬件設備提供一個一致的接口。這個接口就是由操作系統(tǒng)的I／O系統(tǒng)提供的。I／O系統(tǒng)將應用程序的I／O請求傳遞給設備專用的I／O函數(shù)。這些設備專用的I／0函數(shù)就是由設備驅動程序提供的。本章從功能、接口與結構3個角度闡述設備驅動程序的設計。