基于实时操作系统QNX4.25进行设备驱动程序的编写研究

介绍实时操作系统QNX4.25下编写设备驱动程序的大体框架、底层细节以及诸多注意点。针对使用较为普遍的PCI设备作为较为详细的描述。

QNX是一个多任务、多用户、分布式、可嵌入式符合POSIX标准的微内核的主流实时操作系统，广泛用于实时性能、开发灵活性、网络灵活性要求较高的场合，如电信系统、医疗仪器、航空航天、工业自动化、交通运输、POS机、信息家电等。

QNX是一个适合软件/硬件定制的实时操作系统。如果你曾经试图在传统的UNIX或Windows平台下开发设备驱动程序，那么，QNX下开发驱动程序一定会让你受宠若惊。由于QNX的微内核结构，QNX下的系统进程和用户所写的进程没有什么不同，甚至没有私有的隐藏起来的以至用户不能使用的界面。正是这种结构给QNX带来了无与伦比的可扩展性，使得在QNX下写驱动程序如同写其它程序一般方便。设备驱动程序能够获取普通程序所能获得的任务服务。在QNX中增加一个新的驱动程序不会影响操作系统其它程序的任何部分，QNX环境所需的唯一改变是实现地启动新的驱动程序。

当然，我们会遇到形形色色的硬件设备，某些驱动程序可能将以特殊方式控制设备的存在和配置。本文只想集中讨论QNX下如何进入、控制设备级的通用硬件，对所有驱动程序来讲这是一个共性问题。其中，将对使用较多的PCI设备作较为详细的叙述。以下是硬件驱动程序的编写。

1 探测硬件

首先，需要判断设备是否存在，然后查询该设备的配置（例如，设备基地址、中断号等）。对于某类设备，一般会有一大相应的标准机制来判断其配置。每块设备的基地址、中断号等是编程必须的资源，例如，常用的ISA及PCI硬件设备。对于ISA设备，一般由板上手工跳线设定，不言自明；对于常用的PCI设备，这些资源会由系统自动分配，特别是添减设备，可能会发生变化。因此，在驱动程序中能够动态查找这些资源显得比较重要。对于诸如A/D、D/A、定时卡、I/O板卡这类设备，对照硬件手册编写一些简单的驱动程序并不困难。如果有DOS下驱动程序的C源码，移值应该更容易一些。

为了实现对PCI总线设备的控制和管理，必须访问PCI设备的配置空间。配置空间是一容量为256字节并具特定纪录结构的地址空间。该地址空间的结构如图1所示。NQX4.25pp sys/pci.h中对应的结构体定义。

每个PCI设备具有唯一的厂商标识（vendor id）和设备标识（device id），这些信息由硬件手册提供或系统启动时可以看到。下面一段代码展示了于一个给定的PCI设备如何调用QNX相关的函数、侦测设备的存在以及系统分配的资源。其中，标识（index）用来支持和区分具有同样厂商标识和设备标识的几块同样的设备。Index从0开始，如果指定为1，将标识第二块同型号的设备。

本例中，YOUR_PCI_DEVICE_ID、YOUR_PCI）CENDOR）OD值是研华的PCL-1713采集卡，可以根据所使用的硬件填以合适的值。

以根据所使用的硬件填以合适的值。

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#define YOUR_PCI_DEVICE_ID0x1713 //根据具体设备提供对应的厂商标识及设备标识

#define YOUR_PCI_VENDOR_ID 0x13fe

int main（void）{

unsigned busnum，devfuncnum; //总线号（PC仅有一条）及设备功能号

long address;

long io_base; //I/O基地址

unsigned char irq； //中断号

int pci_index=0 //标识为零标识第一块此种型号设备

if（_CA_PCI_Fin

d_Device（YOUR_PCI_DEVICE_ID，

YOUR_PCI_VENDOR_ID，pci_index，%26;amp;busnum，%26;amp;devfuncnum）！=PCI_SUCCESS）{

printf（“Can not find device”）；

exit（EXIT_FAILURE）;

}

//侦测设备中断

if（_CA_PCI_Read_Config_Byte（busnum，devfuncnum，offsetof（struct_pci_config_regs，Interrupt_Line），

1，%26;amp;irq）！=PCI_SUCCESS）{

printf（“Error reading interrupt”）；

exit（EXIT_FAILURE）;

}

//侦测设备I/O基地址

if_CA_PCI_Read_Config_DWord（busnum，devfuncnum，offsetof（struct_pci_config_regs，Base_），

1，（char *）%26;amp;address）！=PCI_SUCCESS）{

printf（“Error reading address”）；

exit（EXIT_FAILURE）;

}

io_base=PCI_IO_ADDR（adress）；

printf（“IO address：%x”，io_base）;

printf（“IRQ：”%x“，irq）;

exit（EXIT_SUCCESS）;

}

注意：各种设备的Base_Address_Regs［x］，x可能不尽相同，需要查看具体的硬件手册决定。

2 进入硬件

一旦获得了系统分配给某个硬件设备的资源信息，就可以同这个设备进行通信了。至于如何做取决于需要访问的硬件资源。

2.1 I/O资源

一个进程试图进行I/O操作，必须具有正确的权限等级。你必须是超及用户（root），在编译的时候加上适当参数T1，以确何该进程拥有访问I/O口的权限。若忽视这一点，该运行进程将获得一个口的权限。若忽视这一点，该运行进行将获得一个SIGSEGV信号，表示一个非法的内存引用，并结束进程运行。

现在就可以利用inp（）、inpd（）、inpw（），outp（），inpd（），inpw（0等函数，对I/O基地址（I/O base address）加上寄存器偏移量（offset）处的I/O进行操作了。例如：

outpw（baseaddress+offset_reg，0xdeadbeef）；

此外，对于一些设备，其I/O口是固定、众所皆知的，例如，一块VGA兼容的设备，并无上述所谓基地址。通过0x3c0、0x3d4、0x3d5，可以直接进入这些VGA的控制器。例如：

outp（0x3d4，0x11）;

outp（0x3d5，inp（0x3d5）%26;amp; ～0x80）；

2.2 存储映射资源

某些设备，可以通过一般的内存操作进入寄存器，这就需要获得内存基地址（memory base address）。为了能够获进入此类设备的寄存器，需要将其映射到驱动程序虚拟地址空间。QNX下的技术资料/etc/readme/technotes/shmem.txt描述了如何创建一个共享内存对象，然后将这个内存对象的一段内存映射到PCI卡中，以便能够进入这个PCI设备。（接着上面的代码）可以利用mmap（）：

char *mem_base;

if（PCI_IS_MEM（address））{ //判断内存基地址

int fd；

char *page_ptr；

fd=shm_open（”Physical“，O_RDWR，0777）;//创建一个共享内存对象

if（fd= =-1）{

perror（”Error shm_open：“）;

exit（EXIT_FAILURE）;

}

page_ptr=mmap（0，4096，PROT_READ|PROT_WRITE，

MAP_SHARED，fd，PCI_MEM_ADDR（address）%26;amp;～0xfff）；//将内存基地址映射

if（page_ptr= =（char *）

perror（”Error mmap：“）;

exit（EXIT_FAILURE）;

}

mem_base=page_ptr+（PCI_MEM_ADDR（address）%26;amp;0xfff）；

close（fd）；

}

printf（”MEM“ address：%lx”，PCI_MEM_ADDR（address））；

if（PCI_IS_MEM（address））

printf（“mapped at ： %lx”，mem_base）;

现在可以使用指针mem_base来进入设备寄存器了。例如：

mem_base［SHUTDOWN_REGISTER］=0x0xdeadbeef；

2.3 中断资源

超级用户（root）可以调用qnx_hint_attach（）将一个中断处理程序绑定到一个设备上。中断处理程序作为一个远程调用（far），在进程空间（Localdescriptor Table set）运行。该函数最后一个参数设置数据段。寄存器SS为一个特别的内核栈，这不同于数据段（DS）。因此，需要在中断处理程序及其调用的函数中关断栈检查。大部分系统库中的函数在编译的时候都关断了栈检查，然而，对于需要使用大量内存的函数可能并非如此。后者即是那些在中断处理程序中不可调用的函数，如printf（）、open（）。通过QNX具体函数在线资源的Safety→Interrupt handler项进行判断该函数是否可以调用。如果函数中包括任何自动（auto）变量，强烈建议将中断函数放在自身文件中，然后利用参数-zu选项编译之。这样能够告知编译器，使得SS！=DS。

任何被中断处理程序修改的变量需要指定为volatile关键字。中断处理程序的返回值必须为0；或某个有效的代码号（proxy pid），以此来触发一个代码从而发送一则消息。

下面总结一个中断处理程序编写时的注意点：

①只能和自己的硬件对话（如，清除设备的中断状态位），千万不要对8259中断控制器编程！

②使中断处理程序尽可能的短小。如果有很多的工作需要做，必须触发一个代理，并且它唤醒一个进程完成这些工作，以保证其它进程及低优先级的中断正常运行，提高系统的实时响应能力。

③中断处理程序不能调用含有内核调用的例程。

④中断处理程序必须是一个远程（far）调用函数。

⑤中断处理程序必须在自己的模块中。

⑥无论程序中其它模块是如何编译的，包含中断处理程序的模块必须是利用-zu和-s选项编译。（利用cc-zu-Wc-s）这些选项能够保证SS！=DS，并且关断栈检查。当然，也可使用：

#pragma off（check_stack）;

pid_t far handler_xxx（）{

return（proxy_xxx）;

}

#pragma on（check_stack）；

在试图编写执行一个中断处理程序前，务必仔细阅读在线文档。现在，可以参照硬件手册自由地对您的设备寄存器进行操作了。

结语

在HT-7U极向场电源控制系统中，我们在QNX4.25下开发了多种设备的驱动程序。这些程序工作稳定、性能优异、工作量小且易于控制。此外，QSSL公司的新版本QNX6.x下开发驱动更为方便，其原理同QNX4.25相似或者是对应的。

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