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國慶假期學(xué)門新技術(shù)，拒絕只做crud boy, 就從操作系統(tǒng)開始（三）

Hegel_Gu / 2856人閱讀

摘要：因為操作系統(tǒng)一直被看做是計算機(jī)軟件的基石。本系列是我學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的筆記，操作系統(tǒng)是以為例子。其他的操作系統(tǒng)也是差不多。將設(shè)備驅(qū)動一共分為個級別，每個級別的驅(qū)動初始化聲明宏定義及其在系統(tǒng)啟動過程中的啟動順序如下表所示。

老板說我技術(shù)需要有長進(jìn)，不能只做一個crud boy。 于是我選來選去，終于選定了，來學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)。因為操作系統(tǒng)一直被看做是計算機(jī)軟件的基石。

本系列是我學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的筆記，操作系統(tǒng)是以AliOS Things為例子。其他的操作系統(tǒng)也是差不多。

本文主要是講操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動模型，后面會有更多的操作系統(tǒng)內(nèi)容介紹。

國慶假期學(xué)門新技術(shù)，拒絕只做crud boy, 就從操作系統(tǒng)開始 - 中斷管理

國慶假期學(xué)門新技術(shù)，拒絕只做crud boy, 就從操作系統(tǒng)開始 - 定時器管理

1. AliOS Things 設(shè)備驅(qū)動模型

開源操作系統(tǒng)中系統(tǒng)驅(qū)動框架做的最好的無疑是Linux系統(tǒng)，Linux系統(tǒng)中設(shè)計精良的驅(qū)動框架、設(shè)備樹等功能會硬件廠商對接驅(qū)動系統(tǒng)的成本降到很低，并且通過接入VFS系統(tǒng)統(tǒng)一了Linux系統(tǒng)驅(qū)動對應(yīng)用程序提供的接口，為操作系統(tǒng)中使用驅(qū)動相關(guān)的應(yīng)用程序在不同的Linux系統(tǒng)間的移植掃平了障礙。反觀傳統(tǒng)的RTOS系統(tǒng)大多數(shù)比較注重在內(nèi)核功能的開發(fā)上，欠缺對驅(qū)動架構(gòu)方面的設(shè)計。前文曾經(jīng)提到過物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)大多是從傳統(tǒng)RTOS系統(tǒng)發(fā)展而來的，所以大多數(shù)的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)在驅(qū)動框架上面的沒有經(jīng)過太多設(shè)計，總結(jié)下來可以分為以下幾類：

  1. 完全沒有對設(shè)備驅(qū)動進(jìn)行任何定義
  2. 簡單定義了硬件接口層后完全由芯片廠實現(xiàn)
  3. 實現(xiàn)了簡單的設(shè)備驅(qū)動，提供統(tǒng)一的應(yīng)用程序訪問接口

第1類和第2類系統(tǒng)對應(yīng)用程序不太友好，即使是相同的操作系統(tǒng)上面寫的應(yīng)用程序移植到不同平臺后也會因為接口不一致，或者是雖然接口形式一致但接口底層實現(xiàn)的差別導(dǎo)致應(yīng)用程序大概率沒辦法跨平臺移植或跨平臺無需調(diào)試即可運(yùn)行。第3類對應(yīng)用程序的移植性比較友好，但有一個問題是，很多系統(tǒng)實現(xiàn)的通用驅(qū)動實現(xiàn)的都“過于簡單”，這就導(dǎo)致有些硬件的總線的特性沒辦法被發(fā)揮出來，隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景越來越復(fù)雜，其缺點(diǎn)也是越來越明顯。

在總結(jié)了物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域設(shè)備框架的問題之后，AliOS Things從“易用性”的角度出發(fā)進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計了下圖所示的驅(qū)動框架。

?驅(qū)動框架對應(yīng)用程序統(tǒng)一提供兩種類型的接口：

  • AOS API，如aos_gpioc_get/ aos_gpioc_set等
  • VFS API，即open/close/read/write/ioctl/poll等

AOS API對進(jìn)行傳統(tǒng)RTOS應(yīng)用開發(fā)的人比較友好。對于RAM/ROM要求非常嚴(yán)格的應(yīng)用場景，可以直接呼叫AOS形式的API，減少對VFS驅(qū)動子系統(tǒng)的依賴，從而減少固件大小。

VFS API對Linux開發(fā)者比較友好，遵循POSIX接口定義，基于POSIX標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)的應(yīng)用程序在AliOS Things和其它遵循POSIX接口的操作系統(tǒng)之間相互移植就會簡便很多。

驅(qū)動框架定義了HAL API的標(biāo)準(zhǔn)，一般是由芯片廠商來實現(xiàn)的。HAL API的定義 的過程中主要考慮了以下兩點(diǎn)：

  • 硬件強(qiáng)相關(guān)：只有和硬件強(qiáng)相關(guān)的功能才會被定義到HAL API中
  • 原子功能：所有HAL API功能都很獨(dú)立，很多API只需要操作硬件的幾個寄存器就可以實現(xiàn)了

在HAL API和AOS API之間則是設(shè)備驅(qū)動子系統(tǒng)的實現(xiàn)層。設(shè)計設(shè)備驅(qū)動子系統(tǒng)的主要目的有兩個:

  • 隔離性：將應(yīng)用程序和HAL API隔離開，徹底解決應(yīng)用和芯片廠之間的耦合關(guān)系
  • 統(tǒng)一性：驅(qū)動程序只依賴與驅(qū)動子系統(tǒng)提供的API，驅(qū)動子系統(tǒng)保證對應(yīng)用層提供的API行為在不同平臺之間是一致的。

除了提供AOS或VFS API之外和定義HAL API的功能之外，驅(qū)動框架還提供了以下功能，下面分別進(jìn)行介紹。

2、驅(qū)動自動分級加載機(jī)制

隨著現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用場景越來越復(fù)雜，同一個物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)備對外設(shè)的需求也越來越多。不同驅(qū)動程序之間可能會存在依賴關(guān)系。為了能讓驅(qū)動開發(fā)者比較方便的將自己的驅(qū)動以模塊的方式添加到系統(tǒng)中和盡量減少添加/刪除設(shè)備驅(qū)動過程中所需要修改的代碼，設(shè)計了驅(qū)動自動加載機(jī)制。AliOS Things將設(shè)備驅(qū)動一共分為9個級別，每個級別的驅(qū)動初始化聲明宏定義及其在系統(tǒng)啟動過程中的啟動順序如下表所示。

啟動順序

宏定義

段名稱定義

1

CORE_DRIVER_ENTRY(driver_entry_api_name)

core_driver_entry

2

BUS_ DRIVER_ENTRY(driver_entry_api_name)

bus_driver_entry

3

EARLY_DRIVER_ENTRY(driver_entry_api_name)

early_driver_entry

4

VFS_ DRIVER_ENTRY(driver_entry_api_name)

vfs_driver_entry

5

LEVEL0_DRIVER_ENTRY(driver_entry_api_name)

level0_driver_entry

6

LEVEL1_DRIVER_ENTRY(driver_entry_api_name)

level1_driver_entry

7

LEVEL2_DRIVER_ENTRY(driver_entry_api_name)

level2_driver_entry

8

LEVEL3_DRIVER_ENTRY(driver_entry_api_name)

level3_driver_entry

9

POST_DRIVER_ENTRY(driver_entry_api_name)

post_driver_entry

采用上面的宏定義進(jìn)行初始化函數(shù)聲明之后，用同樣的宏定義聲明的函數(shù)指針會被分到一組中，相同組會在鏈接階段放到固件特定的代碼段中。系統(tǒng)啟動的時候，驅(qū)動框架會依次從這些特定的代碼段去讀取函數(shù)指針并呼叫這些函數(shù)指針指向的函數(shù)，每個段被編譯進(jìn)的段名稱如上表所示。這套機(jī)制可以保證用不同宏定義聲明的多個驅(qū)動初始化函數(shù)會嚴(yán)格按照表格中從1到9的順序被呼叫，用相同宏定義聲明的多個驅(qū)動初始化函數(shù)則是隨機(jī)的。

除此之外，驅(qū)動框架還提供了設(shè)備后臺初始化方式的宏定義（VFS_DRIVER_BG_ENTRY（driver_entry_api_name）），可以用于低優(yōu)先級驅(qū)動初始化函數(shù)的聲明。被聲明做低優(yōu)先級驅(qū)動的初始化函數(shù)會在被低優(yōu)先級的線程在后臺運(yùn)行，通過這樣的方式可以提高整個系統(tǒng)啟動的速度。假設(shè)將將藍(lán)牙驅(qū)動初始化過程聲明成后臺初始化（VFS_DRIVER_BG_ENTRY(bluetooth_drv_init, NULL, 4096)），常規(guī)加載過程和驅(qū)動分級加載過程的軟件流程的差異可以參考下圖所示的流程圖。

?

3、驅(qū)動線程/消息/事件模型

AliOS Things在3.3版版本中支持的彈性內(nèi)核對驅(qū)動框架提出了比較高的要求，驅(qū)動框架既要能運(yùn)行在宏內(nèi)核架構(gòu)下，又要能運(yùn)行在微內(nèi)核架構(gòu)下，甚至還需要同時運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)。針對這種需求，AliOS Things設(shè)計了在適用于彈性內(nèi)核架構(gòu)下線程/消息/事件模型。

當(dāng)設(shè)備驅(qū)動運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)的時候，內(nèi)核功能可以通過直接函數(shù)調(diào)用的方式來調(diào)用驅(qū)動提供的服務(wù)；用戶態(tài)應(yīng)用程序可以通過VFS接口或這是通過系統(tǒng)調(diào)用的方式訪問AOS接口。

但當(dāng)驅(qū)動運(yùn)行在用戶態(tài)的時候，其它應(yīng)用程序訪問驅(qū)動提供的服務(wù)則需要通過RPC（Remote Procure Call，遠(yuǎn)程過程調(diào)用）的方式。在這種情況下，AliOS Things只提供VFS的服務(wù)訪問方式，如上圖所示。這樣同一套硬件的驅(qū)動程序無需修改就可以運(yùn)行在用戶態(tài)或內(nèi)核態(tài)，跟RPC和VFS相關(guān)的邏輯全部由驅(qū)動框架完成，從而簡化硬件驅(qū)動程序的設(shè)計。微內(nèi)核架構(gòu)下驅(qū)動線程/消息模型的流程圖如下圖所示，詳細(xì)代碼可以查看aos_device_register函數(shù)的實現(xiàn)，這里就不進(jìn)行詳細(xì)展開。

?

?

4、設(shè)備驅(qū)動子系統(tǒng)

下表是各個設(shè)備驅(qū)動子系統(tǒng)源代碼位置，接口定義頭文件、使用案例說明以及芯片廠對接接口頭文件所在位置。讀者可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行詳細(xì)解讀。

其中每個設(shè)備驅(qū)動子系統(tǒng)都有對應(yīng)的AOS API模塊和VFS API模塊，VFS API模塊是依賴于AOS API的。用戶可以根據(jù)需求選擇使用哪種類型的API。

項目

說明

源代碼位置

components/drivers/peripheral

接口頭文件說明

components/drivers/peripheral//include/aos/driver

使用案例說明

components/drivers/peripheral//example

芯片廠對接接口頭文件

components/csi/csi2/include/drv/.h

其中各驅(qū)動子系統(tǒng)在設(shè)計實現(xiàn)過程中可以滿足下表的場景需求。

驅(qū)動子系統(tǒng)類型

適用的場景

I2C

同時和多個I2C從設(shè)備使用不同的Clock頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)通信

SPI

同時和多個SPI從設(shè)備使用不同的參數(shù)設(shè)定（Clock頻率、有無CS及CS極性有效性）進(jìn)行數(shù)據(jù)通信

MTD

支持多分區(qū)，Nand Flash和Nor Flash

UART

兼容POSIX的UART操作

?

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