每個(gè)嵌入式軟件應(yīng)用程序都必須在某個(gè)時(shí)候訪問(wèn)最低級(jí)別的固件并控制硬件。驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)對(duì)于確保系統(tǒng)能夠滿足其實(shí)時(shí)要求至關(guān)重要。下面是每個(gè)嵌入式開發(fā)人員在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)應(yīng)該考慮的五個(gè)技巧。

每一個(gè)嵌入式應(yīng)用軟件都會(huì)在某些時(shí)候訪問(wèn)最底層的固件和進(jìn)行一些硬件控制。驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施是確保一個(gè)系統(tǒng)能夠滿足其實(shí)時(shí)性要求的關(guān)鍵。以下五個(gè)竅門是每一個(gè)開發(fā)者在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)應(yīng)該考慮的。

技巧1——使用設(shè)計(jì)模式

設(shè)計(jì)模式是對(duì)軟件中重復(fù)出現(xiàn)的問(wèn)題的解決方案。開發(fā)人員可能會(huì)從零開始重新發(fā)明解決方案，浪費(fèi)寶貴的時(shí)間和預(yù)算，或者可以打開他的解決方案工具箱，選擇最適合問(wèn)題的解決方案。自微處理器誕生以來(lái)，低級(jí)驅(qū)動(dòng)程序就一直存在，并且是一個(gè)眾所周知的問(wèn)題。那么為什么不利用現(xiàn)有的解決方案呢?

驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)模式通常分為四類:位爆炸、輪詢、中斷驅(qū)動(dòng)和直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)(DMA)。當(dāng)微控制器沒有執(zhí)行該功能的內(nèi)部外設(shè)，或者當(dāng)所有這些內(nèi)部外設(shè)都已用完而需要另外一個(gè)時(shí)，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(dāng)數(shù)量的軟件開銷來(lái)實(shí)現(xiàn)該能力。bit bang模式實(shí)際上是讓嵌入式開發(fā)人員手動(dòng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)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(duì)于簡(jiǎn)單的系統(tǒng)是很好的，但是許多現(xiàn)代應(yīng)用程序需要中斷。中斷提供了在事件發(fā)生時(shí)立即處理事件的能力，而不是等待代碼來(lái)手動(dòng)檢查事件。DMA模式允許另一個(gè)外設(shè)處理數(shù)據(jù)傳輸需求，并讓驅(qū)動(dòng)程序無(wú)需干預(yù)。

技巧2——了解實(shí)時(shí)行為

實(shí)時(shí)系統(tǒng)滿足截止日期的能力始于它的驅(qū)動(dòng)程序。寫得不好的驅(qū)動(dòng)程序?qū)⑹堑托У?，并為毫無(wú)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(dòng)程序有兩種風(fēng)格，設(shè)計(jì)師應(yīng)該考慮;阻塞和非阻塞。阻塞驅(qū)動(dòng)程序阻止任何其他軟件執(zhí)行，直到驅(qū)動(dòng)程序完成其工作。例如，USART驅(qū)動(dòng)程序可能會(huì)將一個(gè)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(biāo)志，而不是繼續(xù)發(fā)送。

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

無(wú)論何種類型，為了保持實(shí)時(shí)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(dòng)程序的平均和最壞情況下的執(zhí)行時(shí)間。系統(tǒng)的完整性潛在地處于危險(xiǎn)之中，如果系統(tǒng)是安全關(guān)鍵的，可能更危險(xiǎn)。

技巧3——面向重用的設(shè)計(jì)

時(shí)間和預(yù)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(hù)性是驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵要求。這些特性中的許多可以通過(guò)硬件抽象層的設(shè)計(jì)和使用來(lái)說(shuō)明。

硬件抽象層(HAL)為開發(fā)人員提供了一種創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)接口來(lái)控制微控制器外設(shè)的方法。抽象隱藏了實(shí)現(xiàn)細(xì)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(shè)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(jí)的、設(shè)備特定的細(xì)節(jié)，允許應(yīng)用程序開發(fā)者關(guān)注應(yīng)用程序需求，而不是低級(jí)硬件如何工作。同時(shí)，HAL提供了一個(gè)可重用的容器。

技巧4——請(qǐng)參考數(shù)據(jù)手冊(cè)

在過(guò)去的幾年里，微控制器變得有點(diǎn)復(fù)雜。曾幾何時(shí)，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(yè)的數(shù)據(jù)手冊(cè)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(cè)、系列數(shù)據(jù)手冊(cè)和每個(gè)外設(shè)的數(shù)百頁(yè)數(shù)據(jù)手冊(cè)。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(yè)的文檔。

不幸的是，要真正正確地實(shí)現(xiàn)一個(gè)驅(qū)動(dòng)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(yīng)該收集和整理每個(gè)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(gè)人才能啟動(dòng)并運(yùn)行外設(shè)。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(dòng)程序從一個(gè)系列的微控制器移植到另一個(gè)系列。制造商和數(shù)據(jù)手冊(cè)都暗示這兩個(gè)系列的PWM外設(shè)是相同的。另一方面，運(yùn)行PWM驅(qū)動(dòng)器表明，盡管如此，兩者之間還是有很大不同。驅(qū)動(dòng)程序處理的是原來(lái)的零件，而不是新零件。仔細(xì)查看數(shù)據(jù)手冊(cè)后，才發(fā)現(xiàn)一個(gè)完全不相關(guān)的數(shù)據(jù)手冊(cè)中有一個(gè)腳注，稱PWM外設(shè)在上電時(shí)處于故障狀態(tài)，隱藏在模糊寄存器中的一個(gè)位需要清零。

在開始實(shí)施驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，識(shí)別外設(shè)故障和任何看似無(wú)關(guān)的故障寄存器。

總結(jié)

驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的重要組成部分。進(jìn)一步探索驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)模式以及如何構(gòu)建可以訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)對(duì)嵌入式開發(fā)人員來(lái)說(shuō)非常重要。