了解和使用no-OS及平臺驅(qū)動程序

Mahesh Phalke

摘要：快速發(fā)展的技術需要軟件支持（固件驅(qū)動程序和代碼示例）來簡化設計導入過程。本文介紹如何利用no-OS（無操作系統(tǒng)）驅(qū)動程序和平臺驅(qū)動程序來構建ADI（亞德諾半導體）公司精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器的應用固件，這些器件在速度、功耗、尺寸和分辨率方面提供高水平的性能。

關鍵詞：ADI;模數(shù)轉(zhuǎn)換器;數(shù)模轉(zhuǎn)換器;no-OS

ADI公司提供基于no-OS驅(qū)動程序的嵌入式固件示例來支持精密轉(zhuǎn)換器。no-OS驅(qū)動程序負責器件配置、轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行校準等，而基于no-OS驅(qū)動程序的固件示例則便于將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C進行顯示、存儲和進一步處理。

1??? no-OS和平臺驅(qū)動程序簡介

顧名思義，no-OS驅(qū)動程序設計用于通用（或無特定）操作系統(tǒng)。該名稱還意味著這些驅(qū)動程序可以用在沒有任何OS支持的裸機（BareMetal，亦稱裸金屬主機）系統(tǒng)上。no-OS驅(qū)動程序旨在為給定精密轉(zhuǎn)換器的數(shù)字接口訪問提供高級API（Application Programming Interface，應用程序接口），如圖1所示。no-OS驅(qū)動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（存儲器映射）及其內(nèi)容。

no-OS驅(qū)動程序利用平臺驅(qū)動程序?qū)觼碇С挚缍鄠€硬件/軟件平臺復用相同的no-OS驅(qū)動程序，使固件高度可移植。平臺驅(qū)動程序?qū)拥氖褂脤o-OS驅(qū)動程序隔絕開來，后者無需知道平臺特定接口（如SPI（Serial Peripheral Interface，串行外設接口）、IC（Inter-Integrated Circuit，集成電路總線）、GPIO（通用輸入輸出）等）的低級細節(jié)，因此no-OS驅(qū)動程序不需要修改就能跨多個平臺復用。

2??? 使用no-OS驅(qū)動程序

圖2顯示了no-OS驅(qū)動程序的典型代碼結(jié)構。

精密轉(zhuǎn)換器的no-OS驅(qū)動程序代碼通常包含在兩個以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、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/設置器件特定參數(shù)等。

典型的no-OS驅(qū)動程序圍繞一組常見功能來構建。

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、基準電壓等）的結(jié)構的聲明。

2）通過no-OS驅(qū)動程序的器件初始化/移除函數(shù)以及器件特定的初始化和驅(qū)動程序結(jié)構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)訪問器件存儲器映射或寄存器詳細信息，例如adxxxx_read_register（）或adxxxx_write_register（）。

3??? no-OS驅(qū)動程序代碼使用

1）使用器件特定地址、位掩碼、參數(shù)配置枚舉和結(jié)構

如前所述，adxxxx.h頭文件包含所有器件特定枚舉和結(jié)構的聲明，這些枚舉和結(jié)構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)構允許用戶選擇多路復用器通道并為其設置過采樣率。此結(jié)構的成員（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)構獲取用戶傳遞的配置/參數(shù)，并進一步調(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)動程序結(jié)構和初始化函數(shù)初始化器件

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

器件驅(qū)動程序結(jié)構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)動程序結(jié)構是在運行時（動態(tài)）從堆空間中分配內(nèi)存。器件驅(qū)動程序結(jié)構和器件初始化結(jié)構中聲明的參數(shù)幾乎完全相同。器件驅(qū)動程序結(jié)構是器件初始化結(jié)構的運行時版本。

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：在應用程序中創(chuàng)建器件初始化結(jié)構的定義（或?qū)嵗ɡ鐂truct adxxxx_init_params），以初始化用戶特定的器件參數(shù)和平臺相關的驅(qū)動程序參數(shù)。參數(shù)在編譯期間定義。

注意：初始化結(jié)構中定義的參數(shù)因器件而異。

第2步：在應用程序代碼中創(chuàng)建器件驅(qū)動程序結(jié)構的指針實例（變量）。

用戶應用程序需要創(chuàng)建器件驅(qū)動程序結(jié)構的單個指針實例。將此實例傳遞給所有no-OS驅(qū)動程序API/函數(shù)以訪問器件特定參數(shù)。應用程序代碼中定義的此指針實例指向堆中動態(tài)分配的內(nèi)存，這是通過no-OS驅(qū)動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特定的外設。

no-OS驅(qū)動程序中定義的adxxxx_init（）函數(shù)用adxxx_init_param結(jié)構傳遞的用戶特定參數(shù)初始化器件。器件驅(qū)動程序結(jié)構的指針實例和器件初始化結(jié)構的實例作為兩個參數(shù)傳遞給此初始化函數(shù)。用戶應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)訪問存儲器映射（寄存器內(nèi)容）

用戶可以通過no-OS驅(qū)動程序器件特定的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來訪問器件存儲器映射，而不要使用直接寄存器訪問函數(shù)，因為這樣能確保器件驅(qū)動程序結(jié)構與器件中的配置保持同步。

4??? 平臺驅(qū)動程序

平臺驅(qū)動程序是包裝平臺特定API的硬件抽象層（HAL）之一。它們由no-OS器件驅(qū)動程序或用戶應用程序代碼調(diào)用，使后者可以獨立于底層硬件和軟件平臺。平臺驅(qū)動程序包裝了平臺特定的低級硬件功能，例如SPI/IC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。

SPI平臺驅(qū)動程序模塊的典型文件結(jié)構如圖7所示。

5??? 使用平臺驅(qū)動程序

平臺驅(qū)動程序代碼通常包含在以C/C++編程語言編寫的三個源文件中。

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

初始化和器件結(jié)構中聲明的所有參數(shù)對任何平臺上的SPI接口都是通用的。器件初始化結(jié)構中使用的void *extra參數(shù)允許用戶傳遞額外的參數(shù)，這些參數(shù)可以是所用平臺特定的。SPI驅(qū)動程序結(jié)構和SPI初始化結(jié)構中聲明的參數(shù)幾乎完全相同。SPI驅(qū)動程序結(jié)構是SPI初始化結(jié)構的運行時版本。

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

圖9詳細說明了Mbed平臺的SPI接口，并顯示了如何使用這些接口和器件初始化/ 驅(qū)動程序結(jié)構來初始化SPI和讀/寫數(shù)據(jù)。

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

6??? 移植平臺驅(qū)動程序

平臺驅(qū)動程序可以從一個平臺（微控制器）移植到另一個平臺;若要移植，通常需要創(chuàng)建平臺特定的.cpp/.c和_extra.h文件。平臺驅(qū)動程序駐留在微控制器單元供應商提供的器件特定硬件抽象層（HAL）之上的一層。因此，為將平臺驅(qū)動程序從一個平臺移植到另一個平臺，與調(diào)用供應商提供的HAL中存在的函數(shù)或API相關的平臺驅(qū)動程序代碼需要做一些細微改動。

圖12區(qū)分了基于Mbed的SPI平臺驅(qū)動程序和ADuCM410 SPI平臺驅(qū)動程序。ADI no-OS存儲庫和平臺驅(qū)動程序的GitHub源代碼鏈接可在ADI公司W(wǎng)iki和GitHub頁面上找到。

7??? 為no-OS驅(qū)動程序做貢獻

ADI no-OS驅(qū)動程序已開源并托管在GitHub上。驅(qū)動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、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)動程序做貢獻，方式是提交變更和創(chuàng)建拉取請求來審核這些變更。

有許多示例項目可以在Linux和/或Windows環(huán)境中運行。許多示例項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（Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列）以及由不同供應商開發(fā)的目標處理器上運行。