概要

本篇主要讲述了FreeRTOS+IO、CMSIS Driver 、 RT_Thread Driver 三种设备驱动各自的特点，上手难度和移植的可能性。

最近鸿蒙，alios也都开源，打算去看看他们的字符串设备部分的驱动源码，融合进自己的设备驱动中。

背景

目前公司有几种在用芯片，ST，Cypress等。
公司在快速发展期，程序也比较多，为了方便二次开发，决定自己动手编写一套字符串设备驱动，需求是需要能简单直观的使用Uart，I2C，SPI等常用外设的常用功能。

自己编写的驱动也能优化下代码体积，ST自动生成的HAL库体积实在是太大啦。
用了HAL库后，Bin文件大小大了接近一倍，和STD库相比

方案

  • FreeRTOS+IO (个人倾向方案)
  • CMSIS Driver
  • RT_thread的接口

考虑点

  1. 有操作系统 VS 无操作系统
  2. 并发控制
  3. 易于使用
  4. 分别考虑作为Master和Slave的情况
  5. 移植性

各方案特点

设备驱动FreeRTOS+IOCMSIS DriverRT_Thread Driver
并发控制✔×(自主开发)✔
无操作系统环境×(修改库文件)✔×(修改库文件)
扩展性好好好
学习成本低一般高
移植性好一般差(没有文档)
Demo CodeDemo Code能用Keil生成相关芯片可执行代码作参考Demo Code

总结

FreeRTOS+IO的结构比较标准，针对不同的字符串设备，接口是完全一样的 。将来扩展SPI，UART等设备驱动时，接口不变。

CMSIS Driver的Demo和ST自身的HAL库基本相同

RT_Thread Driver看了驱动定义的结构体，是以Linux的设备驱动为原型，进行了增减，对于没接触过Linux设备驱动的工程师，学习成本比较高。相反，如果是熟悉Linxu设备驱动的工程师，上手也快。缺点是和RT_Thread OS集成度较高，将Driver部分从中分离出来费事。

更新2020.11.13

最近鸿蒙和Alios的开源比较火热，我也有计划去看下他们这部分的源码实现，看看有没有适合我目前使用情况的元素，糅合到我自己的驱动中去。

FreeRTOS+IO

特点

  • 类Linux/POSIX接口
  • 分层明显，支持不同的芯片简单
  • 自身支持阻塞式以及非阻塞式可选
  • 和FreeRTOS天然绑定，如果需要移植到无操作系统的程序中，需要进行兼容性改动

Available_Peripherals

定义芯片支持的外设

typedef struct xAVAILABLE_DEVICES
{
    /* Text name of the peripheral.  For example, “/UART0/”, or “/SPI2/”. */
    const int8_t * const pcPath;				
	
    /* The type of the peripheral, as defined by the Peripheral_Types_t enum. */
    const Peripheral_Types_t xPeripheralType;	
	
    /* The base address of the peripheral in the microcontroller memory map. */
    const void *pvBaseAddress;
} Available_Peripherals_t;

Peripheral_Descriptor/Peripheral_Control

Peripheral_Descriptor_t是void *类型重定义，最终指向Peripheral_Control_t结构体

/* Structure containing control information for an open peripheral. */
typedef struct xPERIPHREAL_CONTROL
{
	Peripheral_write_Function_t write;			/* The function used to write to the peripheral. */
	Peripheral_read_Function_t read;			/* The function used to read from the peripheral. */
	Peripheral_ioctl_Function_t ioctl;			/* The function used for ioctl access to the peripheral. */
	Transfer_Control_t *pxTxControl;			/* Pointer to the transfer control structure used to manage transmissions through the peripheral. */
	Transfer_Control_t *pxRxControl;			/* Pointer to the transfer control structure used to manage receptions from the peripheral. */
	const Available_Peripherals_t *pxDevice;	/* Pointer to the structure that defines the name and base address of the open peripheral. */
	int8_t cPeripheralNumber;					/* Where more than one peripheral of the same kind is available, this holds the number of the peripheral this structure is used to control. */
} Peripheral_Control_t;

API_Reference

FreeRTOS_open
/**
 * @description: 打开某个外设来使用Freertos+IO
 * @param pcPath:  外设名称字符串
 		  ulFlags: 模式标志位，当前未使用，预留接口
 * @return: 如果外设未能打开，返回NULL。否则范围Peripheral_Descriptor_t类型变量，
 			供FreeRTOS_read(), FreeRTOS_write()和FreeRTOS_ioctl()接口使用
 */
Peripheral_Descriptor_t FreeRTOS_open( const int8_t *pcPath, const uint32_t ulFlags );
FreeRTOS_read
/**
 * @description: 读取一个或多个字节从已打开的外设
 * @param pxPeripheral: The descriptor associated with the peripheral from which bytes 							are being read.
 		  pvBuffer: 	存放读取数据的缓存区域
 		  xBytes: 		读取的字节数
 * @return: 实际读取到的字节数
 */
size_t FreeRTOS_read( Peripheral_Descriptor_t const pxPeripheral, 
                      void * const pvBuffer, 
                      const size_t xBytes );

FreeRTOS_ioctl() is used to set the read timeout value.

如果采用Poll传输模式，使用FreeRTOS_read()的任务在等待要求读取的字节数前不会进入阻塞状态。

如果采用Interrupt传输模式，使用FreeRTOS_read()的任务

FreeRTOS_write
/**
 * @description: 写入一个或多个字节到已打开的外设
 * @param pxPeripheral: The descriptor associated with the peripheral from which bytes 							are being read.
 		  pvBuffer: 	存放待写入数据的缓存区域
 		  xBytes: 		写入的字节数
 * @return: 实际写入的字节数。
 */
size_t FreeRTOS_write( Peripheral_Descriptor_t const pxPeripheral, 
                       const void *pvBuffer, 
                       const size_t xBytes );

FreeRTOS_ioctl()is used to set the write timeout value.

FreeRTOS_ioctl
/**
 * @description: input output device control
 * @param pxPeripheral: The descriptor associated with the peripheral from which bytes 							are being read.
 		  ulRequest:    请求码
 		  pvValue:      所使用的请求码的特定参数
 * @return: 成功返回pdPASS，失败返回pdFAIL
 */
BaseType_t FreeRTOS_ioctl( Peripheral_Descriptor_t const xPeripheral, 
                              uint32_t ulRequest, 
                              void *pvValue );
data transfer modes
Transfer ModeData DirectionDescription
PolledRead and writeThe most basic read and write mode, where busy waits are used instead of interrupts.
Interrupt driven circular bufferRead onlyAn interrupt driven mode where received data is placed into a buffer by an interrupt service routine, reads then remove data from the buffer.
Interrupt driven zero copyWrite onlyAn efficient mode where an interrupt service routine transmits data directly from a write buffer, with not additional RAM required for intermediary storage, and no additional copy required.
Interrupt drivern character queueRead and writeA simple mode where FreeRTOS queues are used to buffer data between an interrupt service routine and the read or write operation.

移植要点

文件结构

已I2C为例

FreeRTOS+IO:
├─Common 
│      FreeRTOS_DriverInterface.c         //FreeRTOS+IO API，FreeRTOS_open()本身不具备与驱动能力，寻找对应的驱动流程
│      FreeRTOS_IOUtils.c
│      IOUtils_CharQueueTxAndRx.c         //在不同传输方式的情况下，对内存进行相应处理
│      IOUtils_CircularBufferRx.c
│      IOUtils_ZeroCopyTx.c
│
├─Device//存放不同芯片驱动库，添加不同的芯片主要修改这个文件夹下的内容
│  └─STM32H743				
│      │  FreeRTOS_STM32H743_DriverInterface.c   
│      │  FreeRTOS_STM32H743_i2c.c               //与STM32H743的I2C外设相关的底层驱动
│      │
│      └─SupportedBoards
│              STM32H743_base_board.h     //STM32H743上外设资源定义
│
└─Include//库文件
        FreeRTOSIOConfig.h
        FreeRTOS_DriverInterface.h//内置一些ioctl的请求码，如果有自定义的通用请求码，可以在此添加
        FreeRTOS_i2c.h//根据官方的命名标准定义不同种类的外设Callback函数，只被FreeRTOS_Open(), FreeRTOS_write(), FreeRTOS_read() and FreeRTOS_ioctl() 调用
        FreeRTOS_IO.h //文件内include了你需要用使用的xxxxxx_base_board.h文件
        FreeRTOS_IO_BSP.h
        IOUtils_CharQueueTxAndRx.h
        IOUtils_CircularBufferRx.h
        IOUtils_Common.h
        IOUtils_ZeroCopyTx.h
  • 对于不同芯片的支持，修改或添加Device文件夹下的内容
  • 如果内置的请求码不能满足使用需求，可以在FreeRTOS_DriverInterface.h文件中添加

CMSIS Driver

特点

  • 跟操作系统无关
  • 自身仅支持非阻塞式的操作
  • 驱动中断层转为事件驱动
  • 被集成到Keil5中，可以由Keil5直接生成(开发简便)
  • 封装程度不高，跟ST的HAL库类似

Function Call Sequence

Middleware Driver Setup software resources Initialize(...) Setup the peripheral PowerControl(ARM_POWER_FULL) Operate with the peripheral Data Transfer Functions SignalEvent Stop work with peripheral PowerControl(ARM_POWER_OFF) Uninitialize(...) Middleware Driver

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-8i9i3LVz-1605268624627)(…\driver doc\image-20200927185314624.png)]

API_Reference（以串口为例）

/**
\brief Access structure of the I2C Driver.
*/
typedef struct _ARM_DRIVER_I2C {
  ARM_DRIVER_VERSION   (*GetVersion)     (void);                                                                ///< Pointer to \ref ARM_I2C_GetVersion : Get driver version.
  ARM_I2C_CAPABILITIES (*GetCapabilities)(void);                                                                ///< Pointer to \ref ARM_I2C_GetCapabilities : Get driver capabilities.
  int32_t              (*Initialize)     (ARM_I2C_SignalEvent_t cb_event);                                      ///< Pointer to \ref ARM_I2C_Initialize : Initialize I2C Interface.
  int32_t              (*Uninitialize)   (void);                                                                ///< Pointer to \ref ARM_I2C_Uninitialize : De-initialize I2C Interface.
  int32_t              (*PowerControl)   (ARM_POWER_STATE state);                                               ///< Pointer to \ref ARM_I2C_PowerControl : Control I2C Interface Power.
  int32_t              (*MasterTransmit) (uint32_t addr, const uint8_t *data, uint32_t num, bool xfer_pending); ///< Pointer to \ref ARM_I2C_MasterTransmit : Start transmitting data as I2C Master.
  int32_t              (*MasterReceive)  (uint32_t addr,       uint8_t *data, uint32_t num, bool xfer_pending); ///< Pointer to \ref ARM_I2C_MasterReceive : Start receiving data as I2C Master.
  int32_t              (*SlaveTransmit)  (               const uint8_t *data, uint32_t num);                    ///< Pointer to \ref ARM_I2C_SlaveTransmit : Start transmitting data as I2C Slave.
  int32_t              (*SlaveReceive)   (                     uint8_t *data, uint32_t num);                    ///< Pointer to \ref ARM_I2C_SlaveReceive : Start receiving data as I2C Slave.
  int32_t              (*GetDataCount)   (void);                                                                ///< Pointer to \ref ARM_I2C_GetDataCount : Get transferred data count.
  int32_t              (*Control)        (uint32_t control, uint32_t arg);                                      ///< Pointer to \ref ARM_I2C_Control : Control I2C Interface.
  ARM_I2C_STATUS       (*GetStatus)      (void);                                                                ///< Pointer to \ref ARM_I2C_GetStatus : Get I2C status.
} const ARM_DRIVER_I2C;

移植要点

文件结构
├─DriverTemplates 
│      Driver_I2C.c   //源文件是相应的空函数定义，需要自己实现全部相关函数
│
├─Include
│      Driver_I2C.h   //头文件中定义了相关接口，以及部分常用的Flg、Event

RT_Thread相关驱动

特点

  • Linux/POSIX接口
  • 跟RT_Thread操作系统关系密切

设备定义相关结构体

/**
 * Device structure
 */
struct rt_device
{
    struct rt_object          parent;                   /**< inherit from rt_object */

    enum rt_device_class_type type;                     /**< device type */
    rt_uint16_t               flag;                     /**< device flag */
    rt_uint16_t               open_flag;                /**< device open flag */

    rt_uint8_t                ref_count;                /**< reference count */
    rt_uint8_t                device_id;                /**< 0 - 255 */

    /* device call back */
    rt_err_t (*rx_indicate)(rt_device_t dev, rt_size_t size);
    rt_err_t (*tx_complete)(rt_device_t dev, void *buffer);

#ifdef RT_USING_DEVICE_OPS
    const struct rt_device_ops *ops;
#else
    /* common device interface */
    rt_err_t  (*init)   (rt_device_t dev);
    rt_err_t  (*open)   (rt_device_t dev, rt_uint16_t oflag);
    rt_err_t  (*close)  (rt_device_t dev);
    rt_size_t (*read)   (rt_device_t dev, rt_off_t pos, void *buffer, rt_size_t size);
    rt_size_t (*write)  (rt_device_t dev, rt_off_t pos, const void *buffer, rt_size_t size);
    rt_err_t  (*control)(rt_device_t dev, int cmd, void *args);
#endif

#if defined(RT_USING_POSIX)
    const struct dfs_file_ops *fops;
    struct rt_wqueue wait_queue;
#endif

    void                     *user_data;                /**< device private data */
};

API_Reference(以I2C为例)

函数描述
rt_device_t rt_device_find(const char* name);根据 I2C 总线设备名称查找设备获取设备句柄
rt_size_t rt_i2c_transfer(struct rt_i2c_bus_device *bus, struct rt_i2c_msg msgs[], rt_uint32_t num);打开设备

I2C消息结构体

和Linux中实现方法相同，降低学习成本

struct rt_i2c_msg
{
    rt_uint16_t addr;    /* 从机地址 */
    rt_uint16_t flags;   /* 读、写标志等 */
    rt_uint16_t len;     /* 读写数据字节数 */
    rt_uint8_t  *buf;    /* 读写数据缓冲区指针　*/
}

I2C ReStart模式实现

FreeRTOS+IO

定义I2C_RDRW_IOCTL的ioctl请求码，以及基于struct i2c_msg的struct i2c_rdwr_ioctl_data结构体。

/*伪代码*/
struct i2c_rdwr_ioctl_data work_queue;
work_queue.msgs[0].len = 1;
work_queue.msgs[0].addr = xxx;
work_queue.msgs[0].buf = xxx;

work_queue.msgs[1].len = 1;
work_queue.msgs[1].flags = I2C_M_RD;//接收
work_queue.msgs[1].addr = xxx;
work_queue.msgs[1].buf = xxx;

ret = ioctl(&i2c, I2C_RDWR, &work_queue);
...

CMSIS Driver

/*伪代码*/
MasterTransmit(slave_addr, pdata, len, NO_STOP);
ret = wait_transfer_done_single(100ms);
if(ret != OK)
    goto __ERR;
MasterReceive(slave_addr, pdata, len, STOP);
ret = wait_transfer_done_single(100ms);
if(ret != OK)
    goto __ERR;
return OK;
__ERR:
	return ERROR;

串口主从机实现

OS

初始化两个信号量:

  1. Recv_Single: ISR接收到数据的通知信号量
  2. validCmd_Single: 传递成功接收数据的信号量

write()前重置两种信号量

mthread remote_thread ISR Peripheral open() 初始化信号量 从机数据处理线程 loop [等待信号量- ] 主机模式 write() 串口接收到字符并触发中断 Int/DMA ISR将数据放入缓存区 Recv_Single 处理数据 在限定的时间内，没有获取到validCmd_Single，则命令发送失败 loop [read()] 从机数据处理线程接收到正确指令 validCmd_Single 从机模式 read() 中断或者DMA模式 串口接收到字符并触发中断 Int/DMA ISR将数据放入缓存区 Recv_Single 从机数据处理线程激活 解析指令 接收到正确的指令 write()/response mthread remote_thread ISR Peripheral

NO OS

main ISR Peripheral open() 主机模式 write() 串口接收到字符并触发中断 Int/DMA ISR将数据放入缓存区,触发回调函数 在回调函数内处理接收到的数据 如果在限定的时间内，没有成功解析接收数据，失败，清空缓存 loop [read()] 接收成功表示命令发送成功 从机模式 read() 中断或者DMA模式 串口接收到字符并触发中断 Int/DMA ISR将数据放入缓存区,触发回调函数 在回调函数内处理接收到的数据 接受到正确的命令 write()/response main ISR Peripheral
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