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C64x系列DSP／BIOS中設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計
摘要：為了高效地對外部設(shè)備進(jìn)行控制，給硬件設(shè)備編寫驅(qū)動程序是一種有效的解決方法。C64x系列的DSP系統(tǒng)提出了類／微型驅(qū)動模型的驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)。實踐結(jié)果表明，采用類／微型驅(qū)動模型進(jìn)行驅(qū)動程序設(shè)計后，應(yīng)用軟件可以復(fù)用絕大部分相似設(shè)備的驅(qū)動程序，因而極大地提高了驅(qū)動程序的開發(fā)效率。關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理器 I／O設(shè)備驅(qū)動 類／微型驅(qū)動模型 實時操作系統(tǒng)
隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)和DSP實時系統(tǒng)的日趨復(fù)雜，不同類型的外部設(shè)備越來越多。為這些外部設(shè)備編寫驅(qū)動程序已經(jīng)成為依賴操作系統(tǒng)管理硬件的內(nèi)在要求。但是，由于內(nèi)存管腳、響應(yīng)時間和電源管理等條件的限制，為一個給定的DSP系統(tǒng)編寫設(shè)備驅(qū)動程序有時候會很困難。針對設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)者遇到的上述難題，TI公司為C64x系列[1]DSP的開發(fā)者提供了一種類／微型驅(qū)動模型(class／mini-driver model)[2]。該模型在功能上將設(shè)備驅(qū)動程序分為依賴硬件層和不依賴硬件層兩層，兩層之間使用通用接口。實踐結(jié)果表明，采用類／微型驅(qū)動模型進(jìn)行設(shè)計后，應(yīng)用軟件可以復(fù)用絕大部分相似設(shè)備的驅(qū)動程序，從而提高驅(qū)動程序的開發(fā)效率。
1 類／微型驅(qū)動模型簡介
在類／微型驅(qū)動模型中，類驅(qū)動通常用于完成多線程I／O請求的序列化功能和同步功能，同時對設(shè)備實例進(jìn)行管理。在包括視頻系統(tǒng)I／O和異步I／O的典型實時系統(tǒng)中，只有少數(shù)的類驅(qū)動需要表示出外部設(shè)備的類型。
類驅(qū)動通過每個外部設(shè)備獨(dú)有的微型驅(qū)動對設(shè)備進(jìn)行操作。微型驅(qū)動通過控制外設(shè)的寄存器、內(nèi)存和中斷資源對外部設(shè)備實現(xiàn)控制。微型驅(qū)動程序必須將特定的外部設(shè)備有效地表示給類驅(qū)動。例如：視頻顯示設(shè)備存在一些不同的幀存，應(yīng)用軟件會根據(jù)不同的I／O操作進(jìn)行幀存的分配，此時微型驅(qū)動必須映射視頻顯存，使得類驅(qū)動可以對不連續(xù)的內(nèi)存(分別存放RGB或YUV分量)設(shè)計特定的I／O請求。
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類／微型驅(qū)動模型允許發(fā)送由開發(fā)者定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的I／O請求包給微型驅(qū)動來控制外部設(shè)備，此分層結(jié)構(gòu)使設(shè)備驅(qū)動的復(fù)用能力得到加強(qiáng)，并且豐富了發(fā)送給微型驅(qū)動的I／0請求包的結(jié)構(gòu)。
類／微型驅(qū)動模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。上層的應(yīng)用程序不直接控制微型驅(qū)動，而是使用一個或一個以上的類驅(qū)動對其進(jìn)行控制。每一個類驅(qū)動在應(yīng)用程序代碼中表現(xiàn)為一個API[3]函數(shù)并且通過微型驅(qū)動的接口IOM與微型驅(qū)動進(jìn)行通信。類驅(qū)動使用DSP／BIOS中的API函數(shù)實現(xiàn)諸如同步等的系統(tǒng)服務(wù)。
類驅(qū)動通過標(biāo)準(zhǔn)的微型驅(qū)動接口調(diào)用微型驅(qū)動控制硬件設(shè)備。到目前為止DSP／BIOS共定義了三種類驅(qū)動：流輸入輸出管理模塊(SIO)、管道管理模塊(PIP)和通用輸入輸出模塊(GIO)。在PIP和SIO類驅(qū)動中，調(diào)用的API函數(shù)已經(jīng)存在于DSP／BIOS的PIP和SIO模塊中。這些API函數(shù)需將參數(shù)傳給相應(yīng)的適配模塊(adapter)，才能與微型驅(qū)動交換數(shù)據(jù)。而在GIO類驅(qū)動中，調(diào)用的API函數(shù)則直接與微型驅(qū)動通信(需在CCS2．2以上)。
每一個微型驅(qū)動都為類驅(qū)動和DSP／BIOS設(shè)備驅(qū)動管理提供了標(biāo)準(zhǔn)接口。微型驅(qū)動采用芯片支持庫(Chip Sup-port Library)[4]管理外圍設(shè)備的寄存器、內(nèi)存和中斷資源。
2 類驅(qū)動的編寫
SIO和PIP兩個接口模塊用于支持DSP和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)交換。這兩種模塊都可以通過類驅(qū)動中的適配模塊和微型驅(qū)動的IOM連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。SIO的適配模塊稱為DIO，PIP的適配模塊稱為PIO。
GIO模塊[5]的傳輸模式是基于流輸入輸出模式的同步I／O模式，更適合文件系統(tǒng)I／O。在編寫類驅(qū)動時，可以直接調(diào)用GIO的讀寫API函數(shù)，這些函數(shù)的接口已經(jīng)內(nèi)置于微型驅(qū)動的IOM中。
2．1 SIO模塊和DIO模塊
DSP／BIOS中的SIO模塊為每個DSP／BIOS線程提供一個獨(dú)立的I／O機(jī)制，它支持動態(tài)創(chuàng)建。SIO模塊有自己的驅(qū)動模型，稱為DEV。DEV程序和微型驅(qū)動的編寫方法相似，都要實現(xiàn)函數(shù)表中的打開、關(guān)閉和緩存管理等函數(shù)，然而結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。相比之下，DIO模塊可以簡化SIO模塊和IOM之間的連接，使得通信和同步變得更簡單。
DIO模塊必須實現(xiàn)下列基本功能函數(shù)：
(1)回調(diào)函數(shù) 在外設(shè)的通道實例創(chuàng)建結(jié)束時，如果微型驅(qū)動已經(jīng)完成內(nèi)存分配，那么適配模塊將通過回調(diào)函數(shù)通知微型驅(qū)動待調(diào)用函數(shù)的地址，同時回調(diào)函數(shù)也將通知適配模塊緩存已經(jīng)建立，并最終通知上
層應(yīng)用程序。
(2)傳輸函數(shù) 傳輸函數(shù)將調(diào)用微型驅(qū)動中的md-SubmitChan函數(shù)。微型驅(qū)動中的mdSubmitChan函數(shù)將從適配模塊獲得一塊緩存，并將緩存中的新信息通過通道實例通知給中斷服務(wù)程序(ISR)。DIO模塊通過傳輸函數(shù)實現(xiàn)應(yīng)用程序與微型驅(qū)動之間的通信。
2．2 PlP模塊和PlO模塊
DSP／BIOS中PIP模塊提供管理異步I／O的數(shù)據(jù)管道。每個管道對象都擁有一塊同樣大小的緩存，這些緩存分別為同樣數(shù)量的等長小塊。小塊的數(shù)量和長度在DSP／BIOS中設(shè)置。雖然小塊的長度是固定的，但應(yīng)用程序可以把小于這個長度的數(shù)據(jù)放入緩存小塊中。一個管道有兩個結(jié)束狀態(tài)：寫完緩存和讀完緩存。通常，無論哪個結(jié)束狀態(tài)都會激活I(lǐng)／O設(shè)備。數(shù)據(jù)通知函數(shù)用來執(zhí)行讀寫同步任務(wù)和通知PIP緩存填滿或清空。寫數(shù)據(jù)時，PIP_alloc函數(shù)用來獲得緩存，PIP_put函數(shù)用于將數(shù)據(jù)寫入緩存。寫完后，讀數(shù)據(jù)通知函數(shù)notifyReader將被調(diào)用。讀數(shù)據(jù)時，PIP_get函數(shù)用來接收緩存中的數(shù)據(jù)，刃PIP_free函數(shù)在數(shù)據(jù)不再被使用時將緩存清空。清空完后，寫數(shù)據(jù)通知函數(shù)notifyWriter將被調(diào)用。
PIO模塊通過PIP模塊從應(yīng)用程序中獲得緩存，并將獲得的緩存提供給微型驅(qū)動使用。當(dāng)微型驅(qū)動使用完緩存時，PIO模塊還可以將緩存交還給應(yīng)用程序。
PIO模塊必須實現(xiàn)下列基本功能函數(shù)：
(1)主函數(shù) 當(dāng)應(yīng)用程序給設(shè)備分配緩存時，PIP的緩存管理調(diào)用rxPrime和txPrime函數(shù)。這兩個函數(shù)調(diào)用DSP／BIOS的API函數(shù)獲得緩存并提供給微型驅(qū)動使用。主函數(shù)負(fù)責(zé)給適配模塊和應(yīng)用程序的緩存分配發(fā)送起始信號。
(2)回調(diào)函數(shù) 當(dāng)微型驅(qū)動已完成內(nèi)存分配時，適配模塊通過回調(diào)函數(shù)rxCallback或txCallback通知微型驅(qū)動待調(diào)用函數(shù)的地址，同時回調(diào)函數(shù)也通知適配模塊緩存已經(jīng)建立，并最終通知給上層應(yīng)用程序。
(3)傳輸函數(shù)：傳輸函數(shù)將調(diào)用微型驅(qū)動中的md—SubmitChan函數(shù)。mdSubmitChan函數(shù)將從適配模塊中獲得一塊緩存，并將緩存的新信息通過通道實例通知給中斷服務(wù)程序(ISR)。PIO模塊通過傳輸函數(shù)實現(xiàn)應(yīng)用程序與微型驅(qū)動之間的通信。
2．3 GIO模塊
GIO模塊在提供必要的同步讀／寫API函數(shù)及其擴(kuò)展函數(shù)的同時，將代碼和使用數(shù)據(jù)緩存的大小盡量簡化。如圖2所示，應(yīng)用程序可以調(diào)用GIO的API函數(shù)直接與微型驅(qū)動的IOM交換數(shù)據(jù)，這些API函數(shù)使得GIO成為了第三種類驅(qū)動。
當(dāng)調(diào)用GIO_create創(chuàng)建一個外部設(shè)備的通道實例時，GIO在通道實例中增加了狀態(tài)和I／O請求狀態(tài)結(jié)構(gòu)、IOM數(shù)據(jù)包(IOM_Packets)及一個GIO數(shù)據(jù)對象。GIO創(chuàng)建的通道實例的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
typedef stmct GIO_Obj{
IOM_Fxns *fxns； /* 函數(shù)表指針*／
Uns mode； /* 創(chuàng)建模式 *／
Uns timeout； /* 超時時間 *／
IOM_Packet syncPacket；/* 同步時使用的IOM_Packet *／
QUE_Obj freeList； /* 異步I／O隊列 *／
Ptr syncObj； /* 同步對象地址 *／
Ptr mdChan； /* 通道實例地址 *／
}GIO_Obj，*GIO_Handle；
函數(shù)表指針是應(yīng)用程序和微型驅(qū)動函數(shù)表(fxns)的接口；創(chuàng)建模式包括：輸入(IOM_INPUT)、輸出(IOM_OUTPUT)和雙向(IOM_NOUT)；IOM Packet在類驅(qū)動和微型驅(qū)動間的異步操作時使用；同步對象地址指向特定通道的同步信號；通道實例地址指向微型驅(qū)動創(chuàng)建的通道實例。
3 微型驅(qū)動的設(shè)計和實現(xiàn)
類／微型驅(qū)動模型中的微型驅(qū)動直接控制外部設(shè)備。只要微型驅(qū)動創(chuàng)建了規(guī)定的函數(shù)，應(yīng)用程序就可以方便地通過DIO適配模塊、PIO適配模塊或(和)GIO類驅(qū)動調(diào)用。這些規(guī)定的函數(shù)包括：通道綁定函數(shù)(md—BindDev)、通道創(chuàng)建／刪除函數(shù)(mdCreateChan／md—DeleteChan)、I／O請求發(fā)送函數(shù)(mdSubmitChan)、中斷服務(wù)函數(shù)(ISRs)和設(shè)備控制函數(shù)(mdControlChan)。這些規(guī)定的函數(shù)將放入微型驅(qū)動的函數(shù)接口表(IOM_Fxns)中的相應(yīng)位置，供應(yīng)用程序通過適配模塊或GIO類驅(qū)動調(diào)用。函數(shù)接口表的結(jié)構(gòu)如下：
typedef struct IOM_Fxns
{
IOM_TmdBindDev mdBindDev；
IOM—TmdUnBindDev mdUnBindDev；
IOM—TmdControlChan mdControlChan；
IOM_TmdCreateChan mdCreateChan；
IOM_TmdDeleteChan mdDeleteChan；
IOM_TmdSubmitChan mdSubmitChan；
}IOM_Fxns；
3．1 綁定通道函數(shù)
DSP／BIOS設(shè)備初始化時將調(diào)用每個已注冊到微型驅(qū)動中的綁定函數(shù)(mdBindDev)。綁定函數(shù)一般要實現(xiàn)下列功能：根據(jù)配置的設(shè)備參數(shù)和可能存在的全局設(shè)備數(shù)據(jù)初始化外圍設(shè)備；掛入中斷服務(wù)函數(shù)(ISRs)；獲得緩存、McBSPs、McASPs和DMA等資源。
如果微型驅(qū)動使用多個外部設(shè)備，則DSP／BIOS為每個外設(shè)調(diào)用綁定函數(shù)。設(shè)備參數(shù)devid用來區(qū)分設(shè)備。如果支持一個設(shè)備，則綁定函數(shù)必須檢查是否已經(jīng)有設(shè)備綁定。
微型驅(qū)動如果使用靜態(tài)數(shù)據(jù)來減少實時處理的動態(tài)數(shù)據(jù)分配，可以使用輸入／輸出數(shù)據(jù)指針(devp)。輸入／輸出數(shù)據(jù)指針將傳給通道創(chuàng)建函數(shù)(mdCreateChan)。
3．2 通道創(chuàng)建／刪除函數(shù)
從應(yīng)用的觀點出發(fā)，在應(yīng)用程序和外部設(shè)備之間必須有一個邏輯交流通道用來交換數(shù)據(jù)。應(yīng)用程序通過微型驅(qū)動創(chuàng)建一個或多個邏輯通道對象作為應(yīng)用程序的邏輯通道。通道創(chuàng)建函數(shù)(mdCreateChan)根據(jù)需要創(chuàng)建通道對象并給通道對象設(shè)置初始值。通道刪除函數(shù)(md—DeleteChan)則刪除已創(chuàng)建好的通道對象。雖然每個微型驅(qū)動的通道對象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都略有不同，但有些字段是必須的，如通道模式、等待I／O包序列和回調(diào)函數(shù)。以下是一個常見的通道對象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：
typedef struct ChanObj {
Bool inuse； /* 如果為TRUE，則通道已打開 *／
Int mode； /* 通道模式 *／
IOM_Packet *dataPacket； ／*I／O包 *／
QUE_Obj pendList, /* 等待I／O包序列 *／
Uns *bufptr； /* 當(dāng)前緩存指針 *／
Uns bufcnt； /* 未處理的緩存數(shù)目 *／
IOM_TiomCallback cbFxn； /* 回調(diào)函數(shù) *／
Ptr cbArg； /* 回調(diào)函數(shù)參數(shù)地址 *／
}ChanObj，*ChanHandle；
3．3 I／O請求發(fā)送函數(shù)
微型驅(qū)動中的I／O請求發(fā)送函數(shù)(mdSubmitChan)用來處理IOM_Packet包中的命令字段。根據(jù)不同命令字段，微型驅(qū)動將處理命令或返回錯誤信息(IOM_ENOTIMPL)。
微型驅(qū)動支持的命令字段有：IOM_READ、IOM_WRITE、IOM_ABORT和IOM_FLUSH。微型驅(qū)動創(chuàng)建的輸入通道由IOM_READ命令來執(zhí)行輸入任務(wù)，創(chuàng)建的輸出通道則由IOM_WRITE命令來執(zhí)行輸出任務(wù)。要放棄或者刷新已經(jīng)發(fā)送的I／O請求，可以使用IOM_BORT或IOM FLUSH命令。當(dāng)放棄時，I／O請求包隊列中的所有輸入輸出請求都將被放棄。當(dāng)刷新時，所有的I／O輸出包順序執(zhí)行，而所有的輸入I／O包都被放棄。
3．4 中斷服務(wù)函數(shù)
微型驅(qū)動的中斷功能就是去處理外部設(shè)備的觸發(fā)事件，例如周期性的中斷。中斷通常是表示外設(shè)采樣完數(shù)據(jù)或者處理完數(shù)據(jù)，也可以用于為DMA提供同步信號，微型驅(qū)動必須處理這些中斷。通常微型驅(qū)動中的中斷服務(wù)函數(shù)ISRs必須完成以下功能： 出列IOM_Packet請求；設(shè)置下一次傳送或服務(wù)請求；調(diào)用類驅(qū)動的回調(diào)函數(shù)以保證和應(yīng)用程序同步，并返回IOM_Packet。
3．5 設(shè)備控制函數(shù)
微型驅(qū)動支持的控制操作因不同的外部設(shè)備而異。IOM定義了一些通用的控制代碼供驅(qū)動程序調(diào)用。特定設(shè)備獨(dú)有的控制代碼必須自己編寫，其特征值必須大于128(IOM_CNTL_USER)。目前IOM支持的通用的控制代碼有：
IOM_CHAN_RESET：將創(chuàng)建的通道實例重新恢復(fù)到初始狀態(tài)。
IOM_CHAN TIMEDOUT：當(dāng)應(yīng)用程序或類驅(qū)動超時時，此控制代碼將進(jìn)行超時操作。例如，一個超時的IOM_Packet，如果沒執(zhí)行回調(diào)函數(shù)，可能會被返回類驅(qū)動。
IOM_DEVICE_RESE：外部設(shè)備重新恢復(fù)到初始狀態(tài)，它將影響為這個外部設(shè)備創(chuàng)建的所有通道實例。
微型驅(qū)動支持的控制代碼和控制操作必須告訴使用微型驅(qū)動的應(yīng)用程序開發(fā)者，特別要注明該代碼的針對對象(是針對通道實例還是針對設(shè)備實例)。例如：改變外設(shè)波特率的控制代碼，必須注明是針對某個通道或者所有通道的，否則容易給應(yīng)用程序帶來錯誤。
4 類／微型驅(qū)動模型驅(qū)動應(yīng)用實例——C64x系列DSP／BIOS中PCI設(shè)備的驅(qū)動
4．1 微型驅(qū)動的設(shè)計與編寫
(1) 設(shè)計mdBindDev的部分程序代碼：
static Int mdBindDev(Ptr *devp，Int devid，Ptr devParams)
{
……
QUE_new(&device．hiShPrioQue)/*戶建立IOM包隊列*／
QUE_new(&device．lOwPrioQue)；
……
hwiAttrs．ccMask=IRQASK_NONE；
/*初始化PCI中斷*／
hwiAttrs．a(chǎn)rg＝NULL；
IRQ_map(1RQ_EVIDSPINT，intrld)；
HWI_dispatchPlug(intrId，(Fxn)isr，—1，&hwiAttrs)；
}
(2)設(shè)計mdCreateChah的部分程序代碼
static Int mdCreateChan(Ptr *chanp，Ptr devp，String name，
Int mode，Ptr chanParams，IOM_Tiom
Callback cbFxn，Ptr cbArg)
{
……
chan＝MEM_alloc(0，sizeof(ChanObj)，0)；
chan—>queue＝&device．hghPrioQue；
/*通道初始化*／
……
if(device．openCount＝＝0){
PCI_intEnable(PCI_EVT_PCIMASTER)；
／*PCI設(shè)備中斷初始化。*／
……
IRQ_enable(IRQ_EVT_DSPINT)；
}
*chanp＝chan； /*返回創(chuàng)建通道*／
}
(3)設(shè)計mdSubmitChan的部分程序代碼
static Int mdSubmitChan(Ptr chanp，IOM_Packet *pPacket)
{
ChanHandle chan＝(ChanHandle)chanp；
/*掛載已創(chuàng)建通道*／
……
req＝(C64XX_PCI_Request*)packet->addr；
／*I／O請求包地址*／
req->reserved＝chan；
……
/*處理讀寫請求包*／
if(packet->cmd＝＝IOM_READ‖packet->cmd＝＝
IOM_WRITE){
imask＝HWI_disable()；
QUE_enqueue(chan->queue，packet)
……
}
……/*處理其它功能的請求包 *／
removePackets(chan，packet->cmd)；
/*移除已處理的請求包*／
}
中斷服務(wù)函數(shù)(ISRs)和設(shè)備控制函數(shù)(mdControlChan)的結(jié)構(gòu)與以上I／O請求發(fā)送函數(shù)(mdSubmitChan)的結(jié)構(gòu)類似，本文不再作敘述。
4．2 在DSP／BIOS中注冊微型驅(qū)動
打開DSP／BIOS配置工具，如圖3所示。右鍵點擊User-Defined Devices圖標(biāo)，選擇插入選項，并重新命名為PCICHAN。右鍵點擊PCICHAN，選擇屬性選項，進(jìn)行注冊，如圖4所示。
4．3 編寫類驅(qū)動
本例的類驅(qū)動使用通用輸入輸出模塊，首先右鍵點擊圖3中的GIO Manager，選擇啟動GIO。在應(yīng)用程序中，GIO_create函數(shù)使用微型驅(qū)動PCICHAN來創(chuàng)建通道實例，通過調(diào)用GIO_submit函數(shù)完成應(yīng)用程序?qū)CI設(shè)備的讀寫操作等。源代碼如下：
(1)創(chuàng)建通道
CIO—Handle pciChan；
C64Xx_PCI_Attrs pciChanParam；
C64XX_PCI_Request pciChanRequest；
C64XX_PCI_DevParams pciChanDevParam；
GIO_AppCallback pciChanCallBack；
pciChan＝GIO_create(”／PCICHAN”，IOM_INOUT，&status，NULL，NULL)；
(2)發(fā)送讀請求包
pciChanRequest．srcAddr＝(Ptr)BitsBuffer；
pciChanRequest．dstAddr＝(Ptr)m_DspControl．CstartAddr；
pciChanRequest．byteCnt＝length+20；
pciChanRequest．options＝PCI_WRITE；
pciChanReqSize＝sizeof(pciChanRequest)；
status＝GIO_submit(pciChan，IOM_WRITE，&pciChanRe—quest，&pciChanReqSize，NULL)；
通過上述三個步驟，PCI設(shè)備的DSP／BIOS驅(qū)動設(shè)計就基本上完成了。應(yīng)用程序可以通過使用類驅(qū)動來復(fù)用PCI設(shè)備，這樣極大地提高了驅(qū)動的工作效率，對PCI外設(shè)的控制也大為簡化了。
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