了解和使用no-OS及平臺(tái)驅(qū)動(dòng)程序

ADI 公司提供基于no-OS 驅(qū)動(dòng)程序的嵌入式固件示例來支持精密轉(zhuǎn)換器。no-OS驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)器件配置、轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行校準(zhǔn)等，而基于no-OS 驅(qū)動(dòng)程序的固件示例則便于將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)和進(jìn)一步處理。

1   no-OS和平臺(tái)驅(qū)動(dòng)程序簡(jiǎn)介

顧名思義，no-OS 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)用于通用（或無特定）操作系統(tǒng)。該名稱還意味著這些驅(qū)動(dòng)程序可以用在沒有任何OS 支持的裸機(jī)(BareMetal，亦稱裸金屬主機(jī)) 系統(tǒng)上。no-OS 驅(qū)動(dòng)程序旨在為給定精密轉(zhuǎn)換器的數(shù)字接口訪問提供高API（Application Programming Interface，應(yīng)用程序接口），如圖1 所示。no-OS 驅(qū)動(dòng)程序使用器件的這些API 接口訪問、配置、讀取、寫入數(shù)據(jù)，而無需知道寄存器地址（存儲(chǔ)器映射）及其內(nèi)容。

no-OS 驅(qū)動(dòng)程序利用平臺(tái)驅(qū)動(dòng)程序?qū)觼碇С挚缍鄠€(gè)硬件/ 軟件平臺(tái)復(fù)用相同的no-OS 驅(qū)動(dòng)程序， 使固件高度可移植。平臺(tái)驅(qū)動(dòng)程序?qū)拥氖褂脤o-OS 驅(qū)動(dòng)程序隔絕開來，后者無需知道平臺(tái)特定接口（如SPI（Serial Peripheral Interface，串行外設(shè)接口）、I2C（Inter-Integrated Circuit，集成電路總線）、GPIO（通用輸入輸出）等）的低級(jí)細(xì)節(jié)，因此no-OS 驅(qū)動(dòng)程序不需要修改就能跨多個(gè)平臺(tái)復(fù)用。

圖1 精密轉(zhuǎn)換器固件協(xié)議棧

2   使用no-OS驅(qū)動(dòng)程序

圖2 顯示了no-OS 驅(qū)動(dòng)程序的典型代碼結(jié)構(gòu)。

圖2 no-OS驅(qū)動(dòng)程序代碼結(jié)構(gòu)

圖3 器件配置枚舉、結(jié)構(gòu)和API

精密轉(zhuǎn)換器的no-OS 驅(qū)動(dòng)程序代碼通常包含在兩個(gè)以C 編程語言編寫的源文件中：adxxxx.c 和adxxxx.h，其中xxxx 代表器件名稱（例如AD7606、AD7124等）。器件頭文件(adxxxx.h) 包含器件特定結(jié)構(gòu)、枚舉、寄存器地址和位掩碼的公共編程接口，將此文件包含到所需的源文件中便可使用這些公開訪問接口。器件源文件(adxxxx.c) 包含接口的實(shí)現(xiàn)，用于初始化和移除器件、讀/ 寫器件寄存器、從器件讀取數(shù)據(jù)、獲取/ 設(shè)置器件特定參數(shù)等。

典型的no-OS驅(qū)動(dòng)程序圍繞一組常見功能來構(gòu)建。

1）器件特定寄存器地址、位掩碼宏、器件配置枚舉、讀/ 寫器件特定參數(shù)（如過采樣、增益、基準(zhǔn)電壓等）的結(jié)構(gòu)的聲明。

2）通過no-OS 驅(qū)動(dòng)程序的器件初始化/ 移除函數(shù)以及器件特定的初始化和驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)與描述符初始化物理器件/ 解除器件初始化。

3）使用器件寄存器讀/ 寫函數(shù)訪問器件存儲(chǔ)器映射或寄存器詳細(xì)信息，例如adxxxx_read_register() 或adxxxx_write_register()。

3   no-OS驅(qū)動(dòng)程序代碼使用

1）使用器件特定地址、位掩碼、參數(shù)配置枚舉和結(jié)構(gòu)

如前所述，adxxxx.h 頭文件包含所有器件特定枚舉和結(jié)構(gòu)的聲明，這些枚舉和結(jié)構(gòu)被傳遞到器件特定的函數(shù)或API 以配置或訪問器件參數(shù)。具體情況如圖3 所示。

圖3 中顯示的adxxxx_config 結(jié)構(gòu)允許用戶選擇多路復(fù)用器通道并為其設(shè)置過采樣率。此結(jié)構(gòu)的成員（afe_mux_channel 和oversampling） 是存在于同一頭文件中的枚舉，其包含這兩個(gè)字段的所有可能值的數(shù)字常量，用戶可以選擇。

adxxxx.c 文件中定義的adxxxx_set_adc_config() 函數(shù)通過配置結(jié)構(gòu)獲取用戶傳遞的配置/ 參數(shù)，并進(jìn)一步調(diào)用adxxxx_spi_reg_write() 函數(shù)，通過數(shù)字接口（在上例中是SPI）將數(shù)據(jù)寫入ADXXXX_REG_CONFIG器件寄存器。

2）使用no-OS 驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)和初始化函數(shù)初始化器件

圖4 器件初始化和驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)的聲明

除了器件配置枚舉和結(jié)構(gòu)之外，no-OS 驅(qū)動(dòng)程序還提供以下兩個(gè)結(jié)構(gòu)：器件初始化結(jié)構(gòu)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)。器件初始化結(jié)構(gòu)允許用戶在用戶應(yīng)用程序代碼中定義器件特定的參數(shù)和配置。初始化結(jié)構(gòu)包含其他器件特定的參數(shù)結(jié)構(gòu)和枚舉的成員。圖5 顯示了器件初始化結(jié)構(gòu)的定義。

器件驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)通過器件初始化函數(shù)adxxxx_init() 加載器件初始化參數(shù)。器件驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)是在運(yùn)行時(shí)（動(dòng)態(tài)）從堆空間中分配內(nèi)存。器件驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)和器件初始化結(jié)構(gòu)中聲明的參數(shù)幾乎完全相同。器件驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)是器件初始化結(jié)構(gòu)的運(yùn)行時(shí)版本。

以下步驟說明典型的器件初始化函數(shù)和初始化流程。

第1 步：在應(yīng)用程序中創(chuàng)建器件初始化結(jié)構(gòu)的定義（或?qū)嵗ɡ鐂truct adxxxx_init_params），以初始化用戶特定的器件參數(shù)和平臺(tái)相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序參數(shù)。參數(shù)在編譯期間定義。

注意：初始化結(jié)構(gòu)中定義的參數(shù)因器件而異。

第2 步：在應(yīng)用程序代碼中創(chuàng)建器件驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)的指針實(shí)例（變量）。

用戶應(yīng)用程序需要?jiǎng)?chuàng)建器件驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)的單個(gè)指針實(shí)例。將此實(shí)例傳遞給所有no-OS 驅(qū)動(dòng)程序API / 函數(shù)以訪問器件特定參數(shù)。應(yīng)用程序代碼中定義的此指針實(shí)例指向堆中動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存，這是通過no-OS 驅(qū)動(dòng)程序中定義的器件初始化函數(shù)（如adxxxx_init()）完成的。

第3 步：調(diào)用器件初始化函數(shù)以初始化器件和其他平臺(tái)特定的外設(shè)。

no-OS 驅(qū)動(dòng)程序中定義的adxxxx_init() 函數(shù)用adxxx_init_param結(jié)構(gòu)傳遞的用戶特定參數(shù)初始化器件。器件驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)的指針實(shí)例和器件初始化結(jié)構(gòu)的實(shí)例作為兩個(gè)參數(shù)傳遞給此初始化函數(shù)。用戶應(yīng)用程序代碼可以多次調(diào)用adxxxx_init() 函數(shù)，只要調(diào)用初始化函數(shù)之后再調(diào)用器件移除函數(shù)來平衡。

3）通過器件寄存器讀/ 寫函數(shù)訪問存儲(chǔ)器映射（寄存器內(nèi)容）

用戶可以通過no-OS 驅(qū)動(dòng)程序器件特定的adxxx_read/write() 函數(shù)訪問器件寄存器內(nèi)容（例如產(chǎn)品ID、暫存區(qū)值、OSR 等），如圖6 所示。

大多數(shù)情況下，用戶不會(huì)直接使用寄存器訪問函數(shù)。器件特定的函數(shù)通過這些寄存器訪問函數(shù)（如adxxxx_spi_reg_read/write()）來調(diào)用。如果可能，建議使用器件配置和狀態(tài)API 來訪問器件存儲(chǔ)器映射，而不要使用直接寄存器訪問函數(shù)，因?yàn)檫@樣能確保器件驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)與器件中的配置保持同步。

4   平臺(tái)驅(qū)動(dòng)程序

平臺(tái)驅(qū)動(dòng)程序是包裝平臺(tái)特定API 的硬件抽象層(HAL) 之一。它們由no-OS 器件驅(qū)動(dòng)程序或用戶應(yīng)用程序代碼調(diào)用，使后者可以獨(dú)立于底層硬件和軟件平臺(tái)。平臺(tái)驅(qū)動(dòng)程序包裝了平臺(tái)特定的低級(jí)硬件功能，例如SPI / I2C 初始化和讀/ 寫、GPIO 初始化和讀/ 寫、UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收發(fā)傳輸器) 初始化和接收/ 發(fā)送、用戶特定的延遲、中斷等。

圖5 用戶應(yīng)用程序中的器件初始化結(jié)構(gòu)定義

圖6 訪問寄存器內(nèi)容

SPI平臺(tái)驅(qū)動(dòng)程序模塊的典型文件結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 SPI平臺(tái)驅(qū)動(dòng)程序代碼結(jié)構(gòu)

5   使用平臺(tái)驅(qū)動(dòng)程序

平臺(tái)驅(qū)動(dòng)程序代碼通常包含在以C/C++ 編程語言編寫的三個(gè)源文件中。

1）spi.h：這是一個(gè)與平臺(tái)無關(guān)的文件，包含SPI 功能所需的器件結(jié)構(gòu)和枚舉。此頭文件中定義的C 編程接口沒有平臺(tái)依賴性。

初始化和器件結(jié)構(gòu)中聲明的所有參數(shù)對(duì)任何平臺(tái)上的SPI接口都是通用的。器件初始化結(jié)構(gòu)中使用的void *extra 參數(shù)允許用戶傳遞額外的參數(shù)，這些參數(shù)可以是所用平臺(tái)特定的。SPI 驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)和SPI 初始化結(jié)構(gòu)中聲明的參數(shù)幾乎完全相同。SPI 驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)是SPI 初始化結(jié)構(gòu)的運(yùn)行時(shí)版本。

2）spi.cpp/.c：此文件包含spi.h 文件中聲明的函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，這些函數(shù)用于初始化特定平臺(tái)的SPI 外設(shè)以及讀/ 寫數(shù)據(jù)。廣義的“平臺(tái)”是指硬件微控制器（目標(biāo)器件）和軟件（如RTOS 或Mbed-OS）的組合。此文件依賴于平臺(tái)，移植到其他平臺(tái)時(shí)需要修改。

圖9 詳細(xì)說明了Mbed 平臺(tái)的SPI 接口，并顯示了如何使用這些接口和器件初始化/驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)來初始化SPI 和讀/ 寫數(shù)據(jù)。

圖8 SPI初始化和驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)

圖9 SPI API或函數(shù)注意：增加的spi_init()和spi_write_and_read()代碼是節(jié)略代碼，為清楚起見而省略了細(xì)節(jié)

圖10 SPI額外的初始化和驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)

3）spi_extra.h：此文件包含其他器件結(jié)構(gòu)或枚舉，其特定于給定平臺(tái)。它允許用戶應(yīng)用程序代碼提供通用spi.h 文件中未涉及的配置。例如，SPI 引腳可能隨平臺(tái)而異，因此可以作為這些平臺(tái)特定的額外結(jié)構(gòu)的一部分添加。

6   移植平臺(tái)驅(qū)動(dòng)程序

平臺(tái)驅(qū)動(dòng)程序可以從一個(gè)平臺(tái)（微控制器）移植到另一個(gè)平臺(tái)；若要移植，通常需要?jiǎng)?chuàng)建平臺(tái)特定的.cpp/.c 和_extra.h 文件。平臺(tái)驅(qū)動(dòng)程序駐留在微控制器單元供應(yīng)商提供的器件特定硬件抽象層(HAL) 之上的一層。

因此，為將平臺(tái)驅(qū)動(dòng)程序從一個(gè)平臺(tái)移植到另一個(gè)平臺(tái)，與調(diào)用供應(yīng)商提供的HAL 中存在的函數(shù)或API 相關(guān)的平臺(tái)驅(qū)動(dòng)程序代碼需要做一些細(xì)微改動(dòng)。

圖12 區(qū)分了基于Mbed 的SPI 平臺(tái)驅(qū)動(dòng)程序和ADuCM410 SPI平臺(tái)驅(qū)動(dòng)程序。ADIno-OS 存儲(chǔ)庫和平臺(tái)驅(qū)動(dòng)程序的GitHub 源代碼鏈接可在ADI 公司W(wǎng)iki 和GitHub 頁面上找到。

圖11 Mbed平臺(tái)特定的SPI初始化實(shí)現(xiàn)

圖12 平臺(tái)驅(qū)動(dòng)程序差異

7   為no-OS驅(qū)動(dòng)程序做貢獻(xiàn)

ADI no-OS 驅(qū)動(dòng)程序已開源并托管在GitHub 上。驅(qū)動(dòng)程序不僅支持精密轉(zhuǎn)換器，也支持許多其他ADI 產(chǎn)品，如加速度計(jì)、收發(fā)器、光電器件等。任何熟悉源代碼的人都可以為這些驅(qū)動(dòng)程序做貢獻(xiàn)，方式是提交變更和創(chuàng)建拉取請(qǐng)求來審核這些變更。

有許多示例項(xiàng)目可以在Linux 和/ 或Windows 環(huán)境中運(yùn)行。許多示例項(xiàng)目是用硬件描述性語言(HDL) 開發(fā)的，以便在Xilinx、Intel 等公司開發(fā)的FPGA（FieldProgrammable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）以及由不同供應(yīng)商開發(fā)的目標(biāo)處理器上運(yùn)行。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年3月期）