RT-Thread I/O 设备模型

1万 · 2020-10-21 09:39

RT-Thread 提供了一套简单的 I/O 设备模型框架，如下图所示，它位于硬件和应用程序之间，共分成三层，从上到下分别是 I/O 设备管理层、设备驱动框架层、设备驱动层.

1万 · 2020-10-21 09:39

应用程序通过 I/O 设备管理接口获得正确的设备驱动，然后通过这个设备驱动与底层 I/O 硬件设备进行数据（或控制）交互。

I/O 设备管理层实现了对设备驱动程序的封装。应用程序通过 I/O 设备层提供的标准接口访问底层设备，设备驱动程序的升级、更替不会对上层应用产生影响。这种方式使得设备的硬件操作相关的代码能够独立于应用程序而存在，双方只需关注各自的功能实现，从而降低了代码的耦合性、复杂性，提高了系统的可靠性。

设备驱动框架层是对同类硬件设备驱动的抽象，将不同厂家的同类硬件设备驱动中相同的部分抽取出来，将不同部分留出接口，由驱动程序实现。

1万 · 2020-10-21 09:40

设备驱动层是一组驱使硬件设备工作的程序，实现访问硬件设备的功能。它负责创建和注册 I/O 设备，对于操作逻辑简单的设备，可以不经过设备驱动框架层，直接将设备注册到 I/O 设备管理器中，使用序列图如下图所示，主要有以下 2 点：

设备驱动根据设备模型定义，创建出具备硬件访问能力的设备实例，将该设备通过 rt_device_register() 接口注册到 I/O 设备管理器中。
应用程序通过 rt_device_find() 接口查找到设备，然后使用 I/O 设备管理接口来访问硬件。
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1万 · 2020-10-21 09:44

对于另一些设备，如看门狗等，则会将创建的设备实例先注册到对应的设备驱动框架中，再由设备驱动框架向 I/O 设备管理器进行注册，主要有以下几点：

看门狗设备驱动程序根据看门狗设备模型定义，创建出具备硬件访问能力的看门狗设备实例，并将该看门狗设备通过 rt_hw_watchdog_register() 接口注册到看门狗设备驱动框架中。
看门狗设备驱动框架通过 rt_device_register() 接口将看门狗设备注册到 I/O 设备管理器中。
应用程序通过 I/O 设备管理接口来访问看门狗设备硬件。

看门狗设备使用序列图:

1万 · 2020-10-21 09:44

I/O 设备模型

RT-Thread 的设备模型是建立在内核对象模型基础之上的，设备被认为是一类对象，被纳入对象管理器的范畴。每个设备对象都是由基对象派生而来，每个具体设备都可以继承其父类对象的属性，并派生出其私有属性，下图是设备对象的继承和派生关系示意图。

1万 · 2020-10-21 09:45

设备对象具体定义如下所示：

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struct rt_device

{

    struct rt_object          parent;        /* 内核对象基类 */

    enum rt_device_class_type type;          /* 设备类型 */

    rt_uint16_t               flag;          /* 设备参数 */

    rt_uint16_t               open_flag;     /* 设备打开标志 */

    rt_uint8_t                ref_count;     /* 设备被引用次数 */

    rt_uint8_t                device_id;     /* 设备 ID,0 - 255 */



    /* 数据收发回调函数 */

    rt_err_t (*rx_indicate)(rt_device_t dev, rt_size_t size);

    rt_err_t (*tx_complete)(rt_device_t dev, void *buffer);



    const struct rt_device_ops *ops;    /* 设备操作方法 */



    /* 设备的私有数据 */

    void *user_data;

};

typedef struct rt_device *rt_device_t;

1万 · 2020-10-21 09:45

I/O 设备类型RT-Thread 支持多种 I/O 设备类型，主要设备类型如下所示：

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RT_Device_Class_Char             /* 字符设备       */

RT_Device_Class_Block            /* 块设备         */

RT_Device_Class_NetIf            /* 网络接口设备    */

RT_Device_Class_MTD              /* 内存设备       */

RT_Device_Class_RTC              /* RTC 设备        */

RT_Device_Class_Sound            /* 声音设备        */

RT_Device_Class_Graphic          /* 图形设备        */

RT_Device_Class_I2CBUS           /* I2C 总线设备     */

RT_Device_Class_USBDevice        /* USB device 设备  */

RT_Device_Class_USBHost          /* USB host 设备   */

RT_Device_Class_SPIBUS           /* SPI 总线设备     */

RT_Device_Class_SPIDevice        /* SPI 设备        */

RT_Device_Class_SDIO             /* SDIO 设备       */

RT_Device_Class_Miscellaneous    /* 杂类设备        */

1万 · 2020-10-21 09:46

其中字符设备、块设备是常用的设备类型，它们的分类依据是设备数据与系统之间的传输处理方式。字符模式设备允许非结构的数据传输，即通常数据传输采用串行的形式，每次一个字节。字符设备通常是一些简单设备，如串口、按键。
块设备每次传输一个数据块，例如每次传输 512 个字节数据。这个数据块是硬件强制性的，数据块可能使用某类数据接口或某些强制性的传输协议，否则就可能发生错误。因此，有时块设备驱动程序对读或写操作必须执行附加的工作，如下图所示：

1万 · 2020-10-21 09:46

当系统服务于一个具有大量数据的写操作时，设备驱动程序必须首先将数据划分为多个包，每个包采用设备指定的数据尺寸。而在实际过程中，最后一部分数据尺寸有可能小于正常的设备块尺寸。如上图中每个块使用单独的写请求写入到设备中，头 3 个直接进行写操作。但最后一个数据块尺寸小于设备块尺寸，设备驱动程序必须使用不同于前 3 个块的方式处理最后的数据块。通常情况下，设备驱动程序需要首先执行相对应的设备块的读操作，然后把写入数据覆盖到读出数据上，然后再把这个 “合成” 的数据块作为一整个块写回到设备中。例如上图中的块 4，驱动程序需要先把块 4 所对应的设备块读出来，然后将需要写入的数据覆盖至从设备块读出的数据上，使其合并成一个新的块，最后再写回到块设备中。

1万 · 2020-10-30 22:03

创建和注册 I/O 设备驱动层负责创建设备实例，并注册到 I/O 设备管理器中，可以通过静态申明的方式创建设备实例，也可以用下面的接口进行动态创建：

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rt_device_t rt_device_create(int type, int attach_size);

1万 · 2020-10-30 22:04

1万 · 2020-10-30 22:04

调用该接口时，系统会从动态堆内存中分配一个设备控制块，大小为 struct rt_device 和 attach_size 的和，设备的类型由参数 type 设定。设备被创建后，需要实现它访问硬件的操作方法。

1万 · 2020-10-30 22:05

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struct rt_device_ops

{

    /* 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);

};

1万 · 2020-10-30 22:06

init 初始化设备。设备初始化完成后，设备控制块的 flag 会被置成已激活状态 (RT_DEVICE_FLAG_ACTIVATED)。如果设备控制块中的 flag 标志已经设置成激活状态，那么再运行初始化接口时会立刻返回，而不会重新进行初始化。

1万 · 2020-10-30 22:06

open 打开设备。有些设备并不是系统一启动就已经打开开始运行，或者设备需要进行数据收发，但如果上层应用还未准备好，设备也不应默认已经使能并开始接收数据。所以建议在写底层驱动程序时，在调用 open 接口时才使能设备。

1万 · 2020-10-30 22:06

close 关闭设备。在打开设备时，设备控制块会维护一个打开计数，在打开设备时进行 + 1 操作，在关闭设备时进行 - 1 操作，当计数器变为 0 时，才会进行真正的关闭操作。

1万 · 2020-10-30 22:06

read 从设备读取数据。参数 pos 是读取数据的偏移量，但是有些设备并不一定需要指定偏移量，例如串口设备，设备驱动应忽略这个参数。而对于块设备来说，pos 以及 size 都是以块设备的数据块大小为单位的。例如块设备的数据块大小是 512，而参数中 pos = 10, size = 2，那么驱动应该返回设备中第 10 个块（从第 0 个块做为起始），共计 2 个块的数据。这个接口返回的类型是 rt_size_t，即读到的字节数或块数目。正常情况下应该会返回参数中 size 的数值，如果返回零请设置对应的 errno 值。

1万 · 2020-10-30 22:06

write 向设备写入数据。参数 pos 是写入数据的偏移量。与读操作类似，对于块设备来说，pos 以及 size 都是以块设备的数据块大小为单位的。这个接口返回的类型是 rt_size_t，即真实写入数据的字节数或块数目。正常情况下应该会返回参数中 size 的数值，如果返回零请设置对应的 errno 值。

1万 · 2020-10-30 22:06

control 根据 cmd 命令控制设备。命令往往是由底层各类设备驱动自定义实现。例如参数 RT_DEVICE_CTRL_BLK_GETGEOME，意思是获取块设备的大小信息。

只看该作者 · 2022-7-30 16:18

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