嵌入式系統(tǒng)開發(fā)：驅動程序設計的5個方法

每一個嵌入式應用軟件都會在某些時候訪問最底層的固件和進行一些硬件控制。 驅動的設計和實施是確保一個系統(tǒng)能夠滿足其實時性要求的關鍵。以下五個竅門是每一個開發(fā)者在設計驅動程序時應該考慮的。

1 - 使用設計模式

設計模式是一個用來處理那些在軟件中會重復出現的問題的解決方案。 開發(fā)人員可以選擇浪費寶貴的時間和預算從無到有地重新發(fā)明一個解決方案，也可以從他的解決方案工具箱中選擇一個最適合解決這個問題的方案。在微處理器出現之初，底層驅動已經很成熟了，那么，為什么不利用現有的成熟的解決方案呢?

驅動程序設計模式大致分屬以下4個類別：bit bang、輪詢、中斷驅動和直接存儲器訪問(DMA)。

Bit bang模式：當微控制器沒有內外設去執(zhí)行功能的時候，或者當所有的內外設都已經被使用了，而此時又有一個新的請求，那么開發(fā)者就應該選擇bit bang設計模式。Bit bang模式的解決方案很有效率，但通常需要大量的軟件開銷來確保其實施的能力。bit bang模式可以讓開發(fā)者手動完成通信協(xié)議或外部行為。

輪詢模式用于簡單地監(jiān)視一個輪詢調度方式中的事件。輪詢模式適用于非常簡單的系統(tǒng)，但許多現代應用程序都需要中斷。

中斷可以讓開發(fā)者在事件發(fā)生時進行處理，而不用等代碼手動檢查。

DMA(直接存儲器訪問)模式允許其它外圍設備來處理數據傳輸的需求，而不需要驅動的干預。

2 - 了解實時行為

一個實時系統(tǒng)滿足是否能滿足實時需求取決于它的驅動程序。寫入能力差的驅動是低效的，并可能使不知情的開發(fā)者放棄系統(tǒng)的性能。設計者需要考慮驅動的兩個特點：阻塞和非阻塞。一個阻塞的驅動程序在其完成工作之前會阻止其他任何軟件執(zhí)行操作。例如，一個USART驅動程序可以把一個字符裝入傳輸緩沖區(qū)，然后一直等到接收到傳輸結束標志符才繼續(xù)執(zhí)行下一步操作。

另一方面，非阻塞驅動則是一般利用中斷來實現它的功能。中斷的使用可以防止驅動程序在等待一個事件發(fā)生時攔截其他軟件的執(zhí)行操作。USART的驅動程序可以將一個字符裝入傳輸緩沖區(qū)然后等主程序發(fā)布下一個指令。傳輸結束標志符的設置會導致中斷結束，讓驅動進行下一步操作。

無論哪種類型，為了保持實時性能，并防止系統(tǒng)中的故障，開發(fā)人員必須了解驅動的平均執(zhí)行時間和最壞情況下的執(zhí)行時間。一個完整的系統(tǒng)可能會因為一個潛在的風險而造成更大的安全問題。

3 - 重用設計

在時間和預算都很緊張的情況下為什么還要再造輪子呢?在驅動程序開發(fā)中，重用、便攜性和可維護性都是驅動設計的關鍵要求。這里面的許多特征可以通過硬件抽象層的設計和使用來說明。

硬件抽象層(HAL)為開發(fā)人員提供一種方式來創(chuàng)建一個標準接口去控制微控制器的外設。抽象隱藏實現細節(jié)，取而代之的是提供了可視化功能，如 Usart_Init和Usart_Transmit。這個方法就是讓任何USART、SPI、PWM或其他外設具備所有微控制器都支持的共同特點。 使用HAL隱藏底層、特定設備的細節(jié)，讓應用程序開發(fā)人員專注于應用的需求，而不是關注底層的硬件是如何工作的。同時HAL提供了一個重用的容器。

4 -參考數據手冊… 是的，全部

微控制器在過去的幾年里變得越來越復雜。以前想要完全了解一個微控制器需要掌握由一個大約包含500頁組成的單一數據手冊。而如今，一個32位微控制器通常包含由部分的數據手冊、整個微控制器系列的資料表、每個外設數以百計的資料以及所有的勘誤表組成的數據手冊。 開發(fā)人員如果想要完全掌握這部分的內容需要了解幾千頁的文件。

不幸的是，所有這些數據手冊都是一個驅動程序能真正合理實現所需要的。開發(fā)人員在一開始就要對每個數據手冊中包含的信息進行收集和排序。通常它們中的每一個都需要被訪問以使外設啟動和運行。 關鍵信息被分散(或隱藏)在每種類型的數據手冊中。

5 - 謹防外設故障

最近我剛好有機會把一系列的微控制器驅動移植到其他的微處理器上。制造商和數據手冊都表明PWM外設在這兩個系列的微控制器之間是相同的。 然而，實際情況卻是在運行PWM驅動器的時候兩者之間有很大的不同。該驅動程序只能在原來的微控制器工作，而在新系列的微控制器上卻無效。

在反復翻看數據手冊之后，我在數據手冊中一個完全不相關的注腳里發(fā)現了PWM外設上電時會處于故障狀態(tài)，需要將一個隱藏在寄存器中的標志位清零。

在驅動程序實現的開始，確認外設可能出現的故障并查看其他看似無關的寄存器錯誤。