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VxWorks设备驱动程序的设计实例
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2017-10-29
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VxWorks是WindRiver公司开发的一种高性能的嵌入式实时操作系统(RTOS)，以其优良的可靠性、开放性、实时性和易用性赢得了大量的客户。VxWorks是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的系统，被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等。
在目前多数操作系统中，用户必须通过驱动程序才能与设备进行交互，正是设备驱动程序为其提供了可访问性和可操作性，而设备驱动程序本身跟操作系统的相关性特别密切。本文针对VxWorks操作系统特点，分析设备驱动程序的功能、组成和开发过程，并给出END网口驱动程序的一个设计实例。
1 嵌入式实时操作系统VxWorks
下面首先围绕VxWorks的特点和结构这两个关键问题进行阐述。
1．1 VxWorks的特点
1)可靠性 操作系统的用户希望在一个工作稳定、可以信赖的环境中工作，所以操作系统的可靠性是用户首先要考虑的问题。而稳定、可靠一直是VxWorks的一个突出优点。自从对中国的销售解禁以来，VxWorks以其良好的可靠性在中国赢得了越来越多的用户。
2)实时性 实时性是指能够在限定时间内执行完规定的功能并对外部的异步事件做出响应的能力。实时性的强弱是以完成规定功能和做出响应时间的长短来衡量的。VxWorks的实时性非常强，其系统本身的开销很小，进程调度、进程间通信、中断处理等系统公用程序精练而有效，它们造成的延迟很短。VxWorks提供的多任务机制中对任务的控制采用了优先级抢占(Preemptive Priority Scheduling)和轮转调度(Round-Robin Scheduling)机制，也充分保证了可靠的实时性，使同样的硬件配置能满足更强的实时性要求，为应用的开发留下更大的余地。
3)可裁减性 用户在使用操作系统时，并不是操作系统中的每一个部件都要用到。例如图形显示、文件系统以及一些设备驱动在某些嵌入式系统中往往并不使用。VxWorks由一个体积很小的内核及一些可以根据需要进行定制的系统模块组成。VxWorks内核最小为8 kB，即便加上其他必要模块，所占用的空间也很小，且不失其实时、多任务的系统特征。由于它的高度灵活性，用户可以很容易地对这一操作系统进行定制或作适当开发，来满足自己的实际应用需要。
1．2 VxWorks系统结构
VxWorks系统结构如图1所示，可以从6部分来说明。
1)高性能实时内核(Wind Kernel) VxWorks的核心，一般称作Wind，Wind使用中断驱动和基于优先级的调度方式。负责多任务调度、任务间的同步、进程间通信机制、中断处理、看门狗和内存管理机制。
2)文件系统(File System) VxWorks提供快速文件，它包括几种支持使用块设备(如磁盘)的本地文件系统。这些设备都使用一个标准的接口，从而使得文件系统能够灵活地在设备驱动程序上移植。另外，VxWorks也支持SCSI磁带设备的本地文件系统。
3)设备驱动(Device Drivers) VxWorks系统提供BSP、Network Driver、SCSI Driver构成硬件抽象层。硬件抽象层是一个介于操作系统和底层硬件之间的软层次，包括了系统中大部分与硬件相关的软件模块。在功能上包含两部分：系统初始化及与硬件相关的设备驱动。
4)I／O系统(I／O System) VxWorks提供了一个快速灵活的与ANSIC兼容的I／O系统，包括UNIX标准的缓冲I／O和POSIX标准的异步I／O 。
5)网络堆栈(Network Stack) VxWorks提供了对其他网络和TCP／IP网络系统的“透明”访问，包括与BSD套接字兼容的编程接口，远程过程调用(RPC)，远程文件访问以及BOOTP和ARP代理。所有的VxWorks网络机制都遵循标准的Intemet协议。
6)板级支持包 BSP(Board Support Package)板级支持包向VxWorks操作系统提供了对各种板子的硬件功能操作的统一的软件接口，它是保证VxWorks操作系统可移植性的关键，它包括硬件初始化、中断的产生和处理、硬件时钟和计时器管理、局域和总线内存地址映射、内存分配等等。每个板级支持包括一个ROM启动(Boot ROM)或其他启动机制。
在目前多数操作系统中，用户必须通过驱动程序才能与设备进行交互，正是设备驱动程序为其提供了可访问性和可操作性，而设备驱动程序本身跟操作系统的相关性特别密切。本文针对VxWorks操作系统特点，分析设备驱动程序的功能、组成和开发过程，并给出END网口驱动程序的一个设计实例。
1 嵌入式实时操作系统VxWorks
下面首先围绕VxWorks的特点和结构这两个关键问题进行阐述。
1．1 VxWorks的特点
1)可靠性 操作系统的用户希望在一个工作稳定、可以信赖的环境中工作，所以操作系统的可靠性是用户首先要考虑的问题。而稳定、可靠一直是VxWorks的一个突出优点。自从对中国的销售解禁以来，VxWorks以其良好的可靠性在中国赢得了越来越多的用户。
2)实时性 实时性是指能够在限定时间内执行完规定的功能并对外部的异步事件做出响应的能力。实时性的强弱是以完成规定功能和做出响应时间的长短来衡量的。VxWorks的实时性非常强，其系统本身的开销很小，进程调度、进程间通信、中断处理等系统公用程序精练而有效，它们造成的延迟很短。VxWorks提供的多任务机制中对任务的控制采用了优先级抢占(Preemptive Priority Scheduling)和轮转调度(Round-Robin Scheduling)机制，也充分保证了可靠的实时性，使同样的硬件配置能满足更强的实时性要求，为应用的开发留下更大的余地。
3)可裁减性 用户在使用操作系统时，并不是操作系统中的每一个部件都要用到。例如图形显示、文件系统以及一些设备驱动在某些嵌入式系统中往往并不使用。VxWorks由一个体积很小的内核及一些可以根据需要进行定制的系统模块组成。VxWorks内核最小为8 kB，即便加上其他必要模块，所占用的空间也很小，且不失其实时、多任务的系统特征。由于它的高度灵活性，用户可以很容易地对这一操作系统进行定制或作适当开发，来满足自己的实际应用需要。
1．2 VxWorks系统结构
VxWorks系统结构如图1所示，可以从6部分来说明。
1)高性能实时内核(Wind Kernel) VxWorks的核心，一般称作Wind，Wind使用中断驱动和基于优先级的调度方式。负责多任务调度、任务间的同步、进程间通信机制、中断处理、看门狗和内存管理机制。
2)文件系统(File System) VxWorks提供快速文件，它包括几种支持使用块设备(如磁盘)的本地文件系统。这些设备都使用一个标准的接口，从而使得文件系统能够灵活地在设备驱动程序上移植。另外，VxWorks也支持SCSI磁带设备的本地文件系统。
3)设备驱动(Device Drivers) VxWorks系统提供BSP、Network Driver、SCSI Driver构成硬件抽象层。硬件抽象层是一个介于操作系统和底层硬件之间的软层次，包括了系统中大部分与硬件相关的软件模块。在功能上包含两部分：系统初始化及与硬件相关的设备驱动。
4)I／O系统(I／O System) VxWorks提供了一个快速灵活的与ANSIC兼容的I／O系统，包括UNIX标准的缓冲I／O和POSIX标准的异步I／O 。
5)网络堆栈(Network Stack) VxWorks提供了对其他网络和TCP／IP网络系统的“透明”访问，包括与BSD套接字兼容的编程接口，远程过程调用(RPC)，远程文件访问以及BOOTP和ARP代理。所有的VxWorks网络机制都遵循标准的Intemet协议。
6)板级支持包 BSP(Board Support Package)板级支持包向VxWorks操作系统提供了对各种板子的硬件功能操作的统一的软件接口，它是保证VxWorks操作系统可移植性的关键，它包括硬件初始化、中断的产生和处理、硬件时钟和计时器管理、局域和总线内存地址映射、内存分配等等。每个板级支持包括一个ROM启动(Boot ROM)或其他启动机制。
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