vxworks_IO系统_哈尔滨工业大学

1、嵌入式操作系统,第7章 vxworks i/o系统,嵌入式操作系统,主要内容,1、i/o系统基本结构 2、vxworks的i/o接口 3、i/o内部管理机制 4、串口驱动,嵌入式操作系统, 重点掌握, i/o内部管理机制 串口驱动,嵌入式操作系统,1、嵌入式i/o管理特点, 在一些实时内核的i/o系统中，用户i/o请求 在到达设备驱动程序之前，通常都只进行 非常少量的处理, 实时内核的i/o系统的作用就像一个转换表，把 用户对i/o的请求转换到相应的驱动程序例程 驱动程序就能够获得最原始的用户i/o请求，并 对设备进行操作 为满足标准设备处理的需要，i/o系统通常也提 供一些高级的例程库，便于

2、实现设备的标准通 信协议,嵌入式操作系统,vxworks i/o系统基本结构,i/o 系统,open(),create() read() write() close() ioctl(),remove(),字符设备 驱动程序,文件系统,dos,raw,块设备块设备 驱动程序,设备c设备c,设备d设备d,设备e设备c,设备 d设备f,设备设备g,设备设备h,设备,设备a设备a,设备b设备b,应 应 用 用 程 程 序 序,tcp/ip dos,mux dos,网络设备块设备 驱动程序驱动程序,非标准设 备驱动程 序,嵌入式操作系统, vxworks下的设备分为字符设备、块设备、网络 设备和其他非标

3、准设备, 字符设备以文件的形式直接通过基本i/o接口挂接到 i/o系统中 而块设备的驱动则不同，在块设备驱动和i/o系统之间 存在文件系统层 网络设备没有对应的设备文件，应用程序和网络接口 之间的数据通信不基于标准的i/o系统接口，而是 socket,bind,listen,accept,send,connect等 应用程序可以直接调用非标准设备的驱动程序,嵌入式操作系统,标准设备的调用关系,嵌入式操作系统, 是否一定要使用标准接口？否, 设备不需要i/o系统提供的系统相关功能 设备访问速度是使用中的关键因素, 标准接口的驱动程序常用在以下设备中, 块设备驱动程序基于文件系统、可随机访问、以

4、块为单位传输数据 大部分的非块设备驱动程序如鼠标等串行输入设 备,嵌入式操作系统, vxworks 下的设备命名,设备名,/tyco/0,/fd0 /ide0,/ata0,/pipe/0,/sd0,/tffs0,设备 串口,软盘,ide接口设备,ata接口设备 管道,scsi设备,trueffs闪存设备,嵌入式操作系统, vxworks 提供虚拟设备支持某些设备驱动,嵌入式操作系统,2、vxworks的i/o接口, vxworks i/o系统提供了多种标准接口供开发者 使用，包括： 基本i/o（iolib） 缓存i/o（ansistdio） 格式i/o（fiolib）,嵌入式操作系统,2.1

5、基本i/o, 基本i/o接口共有7个，应用程序通过这些接口来 访问设备，设备驱动程序也遵循该接口规范，提 供具体的实现。它由iolib库提供支持,嵌入式操作系统,接口名称,open,creat,read,write,ioctl,close,remove,函数原形,open(filename,flags,mode),creat(filename,flags),read(fd,&buf,nbytes),write(fd,&buf,nbytes),ioctl(fd,command,arg),close(fd),remove(filename),描述,打开文件,创建文件,从文件中读取,向文件中写入,其

6、他控制命令,关闭文件,移除文件,嵌入式操作系统,2.2 带缓存i/o, 在基本i/o接口 的基础上，vxworks提供了符合 ansi c stdio定义的带缓存i/o包 要使用vxworks的stdio，需要在工程中包括 include_ansi_stdio组件 带缓存i/o就是在基本i/o的基础上增加了一层缓 存机制，应用程序的数据读写通过此缓存 （buffer）来中转,嵌入式操作系统,嵌入式操作系统, 对文件的存取使用文件指针（指向file结构）来 代替文件描述符。, file结构在stdio.h中定义，包括文件描述符和指向缓 存的指针, 使用缓存机制提高系统的效率,嵌入式操作系统,2.

7、3 格式i/o, vxworks提供了fiolib库用于格式i/o, printf、sprintf、sscanf等在ansi c中通常作为stdio库 的函数，而vxworks将它们定义到fiolib库中，不需要 定义include_ansi_stdio就可以使用这些函数。 fiolib库使用了一个格式化的、无缓存的接口,嵌入式操作系统,3、i/o内部管理机制, i/o系统可以管理若干个设备驱动程序 一个驱动程序处理所有同类型的设备，这些设备 可能只是参数不同，例如i/o地址和中断号等, i/o系统和设备驱动程序之间的接口模型就是字符 设备驱动程序接口,嵌入式操作系统,应用程序、i/o系统和字

8、符设备驱动程序的关系,应用程序,i/o usr interface i/o internal interface,i/o system,字符设备 驱动程序接口,char driver1,char driver2,char driver3,dev1,dev2,dev3,嵌入式操作系统,3.1 i/o系统提供内部应用库函数(ioslib),嵌入式操作系统,setup code,application,open creat close read write ioctl,iolib,iosdrvinstall,iosdevadd,ioslib,xxdrv() xxdevcreate() xxopen(

9、) xxclose()xxread() xxwrite() xxioctl(),xxdrv,嵌入式操作系统,3.2 驱动接口函数模版,嵌入式操作系统,嵌入式操作系统,嵌入式操作系统,嵌入式操作系统,3.3 与i/o系统相关的几张表, 文件描述符表(fd_table) 驱动程序描述表(driver_table) 设备列表(device_list),嵌入式操作系统,文件描述符表（fd_table）, vxworks下大多数的i/o设备都被当作文件来存 取, 此处所说的文件和文件系统没有必然的联系，只是 i/o系统中的操作对象, 文件可能指一个物理设备，或一个任务管道， 或文件系统中的一个文件,嵌入

10、式操作系统, 在基本的i/o调用中，文件通过文件描述符（fd） 来引用, 文件描述符是open或creat函数返回的正整数 其他的i/o操作以文件描述符作为参数来制定对应的文 件 当一个文件被打开后，一个文件描述符被分配并返回， 当文件被关闭后，文件描述符被释放, 一个文件描述符并不属于某个特殊任务，而是属 于i/o系统的全局句柄,嵌入式操作系统, vxworks在内部维护了一张文件描述符表，文件 描述符是这张表的索引 文件描述符表是i/o系统将文件描述符与驱动程序、 设备对应起来的手段，如下图：,文件描述符,3,4,5,驱动程序索引号,2,5,5,驱动程序指定的设备号,0,0,1,嵌入式操作

11、系统, 文件描述符表大小是固定的，总共有num_files 项，也就是同时能够打开的文件的最大个数, 在 config.h中，num_files缺省定义为50 在工程中，可以通过 “io system”组件来修改 num_files定义 文件描述符从3开始分配，这是因为0、1、2已经被保 留定义为标准输入、输出和错误输出,嵌入式操作系统,驱动程序描述表（driver_table）, vxworks的i/o系统通过驱动程序描述表存储驱动 程序各个函数的入口点, 在系统中安装的所有驱动程序都会在这个表中有相应 的入口点 这个表的大小是固定的，所以在系统的一次运行中能 安装有限的驱动程序 用户可以通

12、过修改bsp的configall.h中的宏定义 num_drivers来确定这张表的大小（默认为20）,嵌入式操作系统,驱动程序 索引号,0,1,2,3,creat,remove,open,close,read,write,ioctl,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,xxopen null xxopen xxclose xxread xxwrite xxioctlt,-,-,-,-,-,-,-,嵌入式操作系统,设备列表, 系统中有一个设备列表，每个设备对应于设备列 表中的一项，每一项包括设备名称和设备驱动号， 同时包括一个设备描述的结构 设备结构体（xxdev）第一个变

13、量是dev_hdr 类型的变量,嵌入式操作系统, 设备描述符结构,设备连接的列表节点,dl_node,与驱动程序无 关的部分,设备名称,驱动号,驱动程序表索引,与驱动程序相 关的部分,设备的特殊 结构,嵌入式操作系统, 设备描述符组成一个链表形成设备列表,“/pipe/abc”,2,管道驱动 程序数据,“/pipe/xyz”,2,管道驱动 程序数据,“/tyco/0”,1,串口驱动 程序数据,嵌入式操作系统, vxworks提供iosshow库支持各个表的显示,显示驱动程序描述表,显示设备列表,显示文件描述符表,嵌入式操作系统,3.4 i/o系统启动流程, 在系统的启动过程中，vxworks按

14、如下步骤初 始化i/o系统和加载设备：, 调用iosinit初始化i/o系统 调用xxdrv初始化设备驱动程序 调用xxdevcreate创建设备（可能有若干个）, 上述调用在bootconfig.c （对于bootrom）或 usrconfig.c（对于vxworks映像）的usrroot( ) 中实现 阅读usrroot( ),嵌入式操作系统,i/o系统初始化, 在usrroot中，vxworks首先调用iosinit初始化 i/o系统 iosinit函数原型： iosinit(num_drivers,num_files,”/null”),num_drivers时最多能安装的设备驱动程序的

15、个数， configall.h中有定义，为20 num_files是同时能够打开的文件（设备）的最大数， configall.h中定义为50 “/null”是空设备名称,嵌入式操作系统,驱动程序初始化, 驱动程序的初始化由xxdrv完成，它首先调用 iosdrvinstall来向i/o系统注册自己：,iosdrvinstall的参数为7个基本i/o接口的指针 在注册成功后，iosdrvinstall返回一个非0的驱动号 driver number 然后完成一些数据结构的分配，中断连接等, ,嵌入式操作系统, 在i/o系统内部，vxworks通过驱动程序描述表来 注册驱动程序, xxdrv详细流

16、程：, xxdrv调用iosdrvinstall注册自己 i/o系统在驱动程序表中寻找空闲的位置，得到表项2 i/o系统在表项2中保存驱动程序的各个i/o接口指针， 指针0表示无此项操作。 返回表项的索引2，也就是驱动程序索引号,嵌入式操作系统,嵌入式操作系统, 在shell下，可以通过iosdrvshow显示系统驱动程 序表：,嵌入式操作系统,创建设备, 在完成驱动程序初始化后，调用xxdevcreate函数 来创建此驱动程序服务的设备, xxdevcreate初始化该设备，填充设备信息，其设备信 息由函数参数传入 调用iodevadd向i/o系统注册, 在系统内部，vxworks通过设备列

17、表来维护已经 注册的设备，此设备列表的数据结构为xx_dev， 一般在驱动程序的头文件中定义,嵌入式操作系统,嵌入式操作系统, 在shell下，通过devs或iosdevshow可以显示系统 中的设备列表及对应的驱动程序号,嵌入式操作系统,访问设备, 用户可通过标准文件描述符来访问归入i/o系统的 设备 要访问设备，首先需要调用open或creat打开设备， 返回值即文件描述符就是文件描述符表项的索引 系统根据参数中的设备名查找设备列表，找到匹 配的设备节点，根据节点信息中的驱动程序号查 找驱动程序表，从而取得驱动程序中相对应的入 口例程,嵌入式操作系统, 在shell下，可通过iosfdsh

18、ow来显示文件描述符 表：,嵌入式操作系统, 设备访问流程示例（open( )）：, 根据设备名搜索设备列表，找到设备节点及对应驱动 程序索引号2 在文件描述符表中取得一个未用的项3 根据驱动程序索引号调用驱动表中的xxopen 返回驱动程序的设备号xxdev 把驱动程序索引号和设备号xxdev放入文件描述符表中 返回文件描述符表该项的索引（fd=3）,嵌入式操作系统,嵌入式操作系统,嵌入式操作系统,从设备读数据, 根据fd从文件描述符表中取得驱动程序索引号和 值（xxdev），调用驱动表中的驱动号对应的 xxread，具体的读写操作有驱动来完成 读写操作完之后，用户需要调用close来关闭设

19、备， 首先根据fd调用xxclose，之后，释放文件描述符 表中fd对应的表项,嵌入式操作系统,嵌入式操作系统,卸载设备与驱动, vxworks支持设备和驱动的卸载，使用ioslib库 函数iosdevdelete来卸载设备，使用ioslib库函 数iosdrvremove来卸载驱动,嵌入式操作系统,4、 串口驱动, 串行设备是一种特殊的字符型设备，与字符设备 不同的是，串行设备的驱动程序并不是直接挂接 在i/o系统中，而是由虚拟设备ttydrv来使用 一个完整的串口驱动设备包括具体的硬件驱动以 及与硬件无关的终端功能，并同时能够提供主机 target server与目标机target age

20、nt之间特别的 通信机制接口串口设备必须可以在中断和轮 循两种模式下工作 在vxworks中，上述工作由ttydrv、tylib和 xxdrv共同完成,嵌入式操作系统,嵌入式操作系统, ttydrv是一个虚拟的驱动，在tylib的库支持下， 统一管理xxdrv（硬件驱动），按照字符设备驱 动接入到i/o系统中，并提供读写缓冲区，完成各 种与硬件无关的功能 串行设备驱动程序的入口点与字符设备不同，它 的驱动程序不安装在驱动程序表中，而是通过回 调方式挂在虚拟设备ttydrv上。ttydrv将自身的 入口点函数挂在i/o系统上，创建设备描述符并将 其加入到设备列表中 xxdrv是具体的串行设备驱动

21、程序，除了完成硬 件相关的操作外，还要对上一层(ttydrv和target agent)提供操作接口,嵌入式操作系统, ttydrv的数据流,嵌入式操作系统,4.1 ttydrv和tylib, ttydrv及其支持库tylib作为硬件驱动与i/o系统 之间的接口层，主要完成以下工作：, i/o系统请求（安装驱动表中的入口以及创建设备并加 入到 i/o系统的设备列表中） 基本i/o接口：ttyopen、ttyioctl、tyread、tywrite等 调用selectlib 命令行编辑 提供数据缓冲区 根据缓冲区数据的空或满同步任务 缓冲区访问互斥,嵌入式操作系统, ttydrv库：, tyli

22、b库：,嵌入式操作系统,相关函数, ttydrv()：完成驱动初始化，将驱动程序入口点加 入到驱动程序表中, 调用iosdrvinstall()将ttyopen()、ttyioctl()、tyread()、 tywrite()安装到i/o系统驱动表中, ttydevcreate：用于创建tty设备，主要完成：,分配和初始化设备描述 调用tydevinit初始化tylib 初始化selectlib，建立缓冲区，建立信号量等 调用iosdevadd()增加设备到设备列表 安装tylib库函数tyitx和tyird作为xxdrv的输入和输 出回调函数 启动设备中断模式, ,嵌入式操作系统, tywr

23、ite()：控制着一个环形缓冲区，它会将数据从用户 缓冲区复制到该缓冲区。如果环形缓冲区已经填满，该 函数将导致调用它的任务阻塞 xxdrv write()tywrite, tyread：同样控制着一个缓冲区，如果缓冲区空，函数 会导致调用它的任务阻塞，如果缓冲区满，函数会将等 待的任务唤醒。,read(),tyread,xxdrv, 上述两个函数都是tylib库中的一部分，都作为ttydrv的 驱动程序函数入口,嵌入式操作系统, ttyioctl()：响应i/o系统ioctl()的调用。当调用它 时，它首先访问是实际驱动程序所提供的 xxioctl()，如果失败，它会继续调用tyioctl(

24、)。 i/o系统串行设备控制过程：,ioctl(),ttyioctl(),xxioctl(),tyioctl(),嵌入式操作系统,4.2 xxdrv, xxdrv：真实的串行设备驱动程序，主要实现硬 件初始化、收发中断例程以及安装串行通道的各 个接口函数，详细实例参见”targetsrcdrvsio” 目录下的源代码，需要实现的函数如下：, , ,xxdevinit：硬件设备初始化 xxinttx：发送中断函数 xxintrcv：接收中断函数 xxcallbackinstall：安装上层提供的回调函数 （tyird()、tyitx()） xxtxstartup：启动设备开始工作 xxioctl：完成ioctl的控制命令 xxpolloutput：poll模式输出函数 xxpollinput：poll模式输入函数,嵌入式操作系统, ttydrv、tylib、i/o系统和实际驱动程序（xxdrv） 之间的关系：,嵌入式操作系统,4.3 串口加载流程, 串口驱动是在vxworks系统启动时被加载的。以我 们制作的pcpentium映像为例，它的相关文件的层次 如下：,usrconfig.c,ttydrv,generic code,sysserialc.,implementation specific code,i8250serial.c,device specific