一種自適應網關設備及服務器的硬件驅動方法

牛津文

摘 要：近年來，國產化芯片技術日趨成熟，應用領域不斷擴大，尤其是變電站自動化領域，越來越多的全國產化自動化設備投入使用。但與之前采用進口成熟芯片的硬件平臺驅動及接口不同，國產化硬件平臺在硬件架構、硬件驅動、接口實現方面存在較大差異，因此移植現有軟件平臺至國產化硬件平臺以及開發國產硬件平臺的驅動適配接口將是關鍵點及難點。本文提供一種自適應網關機及服務器的硬件驅動方法，有效解決電力監控系統自動化設備無法自動匹配不同硬件平臺驅動的問題。

關鍵詞：B+樹;驅動建模;動態匹配;接口固化

中圖分類號：TP316 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）06-0029-04

A Hardware Drive Method of Adaptive Gateway Device and Server

NIU Jinwen

（Xuji Group Co.， Ltd.，Xuchang Henan 461000）

Abstract： In recent years， localized chip technology has become increasingly mature， and the application field has been expanding， especially in the field of substation automation， more and more national production automation equipment has been put into use. However， unlike the previous hardware platform drivers and interfaces that used imported mature chips， the localized hardware platform has big differences in hardware architecture， hardware drivers， and interface implementation， therefore， transplanting the existing software platform to the domestic hardware platform and developing the driver adaptation interface of the domestic hardware platform will be the key and difficult points. This paper provided an adaptive gateway machine and server hardware drive method， which effectively solved the problem that the automation equipment of the power monitoring system could not automatically match the drive of different hardware platforms.

Keywords： B + tree;driver modeling;dynamic matching;interface solidification

網關機[1]及服務器等變電站自動化系統及設備是確保電網安全穩定運行的關鍵設備，目前，變電站監控系統[2]的核心芯片大量依靠進口，操作系統仍大量采用國外系統，存在巨大安全隱患。2019年以來，國產化系統及設備逐步得到推廣，有助于解決變電站電力監控系統的安全隱患。另外，在國產芯片及器件普遍使用的情形下，其與之前采用的成熟進口芯片的驅動及接口必然存在較大差異，因此移植現有軟件平臺至國產化硬件平臺，開發國產硬件平臺的驅動適配接口將是關鍵點及難點。

本文提出一種自適應網關機及服務器[3]的硬件驅動方法，該方法包括建立通用驅動接口動態庫，包含所有硬件的驅動接口程序;對所有硬件的驅動接口進行模型創建;對加載的硬件驅動接口模型與硬件的驅動接口程序進行動態匹配;成功匹配后，對動態匹配成功的接口程序進行固化，實現硬件驅動接口固化[4]。設備包括通用驅動接口動態庫系統，包含所有硬件的驅動接口程序;硬件驅動接口模型系統包括所有硬件的驅動接口模型;動態匹配[5]系統用于將加載的硬件驅動接口模型與硬件的驅動接口程序進行動態匹配;接口固化系統用于對動態匹配成功的接口程序進行固化，實現硬件驅動接口固化。本發明有效解決電力監控系統自動化設備無法自動匹配不同硬件平臺驅動的問題。

1 通用驅動接口機制

自適應硬件驅動的方法引入驅動建模、動態匹配、接口固化等機制，有效地解決電力監控系統自動化設備無法自動匹配不同硬件平臺驅動的問題，硬件驅動原理架構如圖1所示。

為實現網關機、服務器等自動化設備自適應不同硬件平臺驅動，首先需要統一、固化應用程序調用的硬件驅動接口[6]函數，因此要引入通用驅動接口動態庫，由應用程序進行動態鏈接[7]、靜態加載[8]，實現對下動態加載、對上統一接口的分層設計[9]理念。

針對不同硬件平臺的不同驅動接口預定義在通用硬件驅動接口程序中，并按照其功能類型、返回類型、參數類型等參數以B+樹[10]的形式存儲在內存中，提高硬件驅動接口動態匹配檢索效率。

然后，對于不同硬件平臺的驅動接口，根據自定義模型規則，以XML文件[11]的形式創建不同硬件驅動模型，模型內容包括接口功能、返回類型及返回值、參數個數、參數類型等驅動接口的詳細描述，實現不同型號硬件驅動的模型創建。

硬件驅動模型創建后，由通用硬件驅動接口程序讀取、解析硬件驅動模型文件，根據模型參數，如接口功能、返回類型、參數類型等參數檢索預定義驅動接口列表進行精確動態匹配。

匹配成功后，通用硬件驅動接口動態加載硬件驅動平臺動態庫至內存，根據驅動模型中的接口名稱，獲取相應接口地址賦值給動態匹配的預定義接口函數，達到接口固化的目的，最終實現不同硬件驅動平臺的自適應接口調用。

2 自適應硬件驅動流程

為解決不同硬件平臺提供的硬件驅動存在較大差異，并且更換硬件需要修改調用接口的應用程序以適應新硬件驅動的問題，引入通用驅動接口機制，為調用的應用程序提供固定的硬件驅動接口，實現通用、統一自適應硬件驅動接口功能，使得每一步實現都具備通用性、可移植性，具體流程如圖2所示。

從圖2可以看出，自適應硬件驅動方法的整體過程從通用驅動接口初始化預定義硬件驅動接口列表開始，即根據預定義接口功能、接口類型、參數類型等信息創建B+樹結構。接下來分別將硬件驅動模型與硬件驅動動態庫加載至內存，然后根據硬件驅動接口模型中的配置檢索B+樹進行動態匹配，此匹配方式為精確匹配，即所有驅動接口的所有參數匹配成功才判定為匹配成功。最后通過硬件驅動接口名稱與硬件驅動動態庫獲取實際接口指針地址賦值給精確匹配的預定義硬件驅動接口，完成跨平臺的自適應硬件驅動。

3 自適應硬件驅動實現方案

通用驅動接口初始化預定義硬件驅動接口結束后，要對硬件驅動接口進行模型創建，然后對預定義接口進行B+樹的創建，最后進行硬件驅動接口的動態匹配與固化，實現自適應的硬件平臺驅動接口實例化。

3.1 驅動建模機制

為解決通用驅動接口無法任意加載不同平臺的硬件驅動問題，本文采用動態加載方式，并引入硬件驅動建模機制，通過配置規則對不同的硬件驅動功能接口進行模型創建，實現不同類型硬件驅動的統一建模。模型配置文件如圖3所示。

如圖3所示，硬件驅動接口模型由XML文件配置生成，主要描述了硬件驅動接口功能類型、返回類型、參數類型等信息，并且可以同時配置多個硬件型號的驅動接口模型，但是通用驅動接口僅加載DRIVER_MODEL標簽中enable等于1的硬件型號模型。其中，DRIVER_MODEL標簽分別描述不同硬件平臺型號的使能參數enable，即此硬件平臺是否啟用;驅動名稱name為硬件驅動動態庫的全路徑名稱;硬件描述desc為硬件平臺型號信息。

FUNC標簽描述了驅動接口的功能類型tpye，即該接口函數實現的功能類型（自定義）;接口名稱name為函數定義名稱;參數個數paranum為接口函數傳入參數的數量;描述desc為驅動接口的功能描述。

RETURN標簽描述了驅動接口返回值類型type，其子標簽VALUE采用鍵-值對的方式描述了返回值的取值范圍，其中key等于1表示成功，等于2表示失敗，分別對應的val值為0和-1。

PARA標簽描述了驅動接口的參數類型，其子標簽VALUE同樣采用鍵-值對的方式描述了參數的取值范圍，key的取值根據不同的參數功能進行定義，比如，取值1表示點亮LED，取值2表示熄滅LED，以此對應val的取值內容。

3.2 硬件驅動接口B+樹結構

驅動接口的動態匹配主要根據模型參數對B+樹結構的接口列表進行檢索，B+樹具備查詢次數少、性能穩定、便于范圍查詢等優勢，因此很大程度上提升了動態匹配效率。驅動接口B+樹示意圖如圖4所示。

如圖4所示，通用驅動接口程序初始化時，首先根據預定義的所有硬件驅動接口和功能類型創建m階B+樹，m取值5，具體流程如下：B+樹為空樹，創建一個節點將記錄1插入其中，此時這個葉子結點也是根結點，插入操作結束;根據key值找到葉子結點，向這個葉子結點插入記錄，插入后，若當前結點key的個數不大于m-1，則插入結束，否則，要對節點進行分裂;由于此處按照類型序號依次插入，因此節點插入5時，要將葉子結點分裂成左右兩個葉子結點，左葉子結點包含前m/2個（2個）記錄，右結點包含剩下的記錄，將第m/2+1個（3個）記錄的key進位到父結點中，進位到父結點的key左孩子指針指向左結點，右孩子指針指向右結點。將當前結點的指針指向父結點;依據此規則，B+樹自下而上進行依次分裂，直至結束。

硬件驅動接口的功能類型越豐富，檢索及動態匹配的效率優勢越能夠體現出來。

3.3 硬件動態匹配機制

硬件驅動模型解析后，根據模型參數，檢索硬件驅動接口列表進行動態匹配，其間采用精準匹配模式，即列表中的最小葉子節點函數必須與模型中的所有參數完全一致才算匹配成功，否則匹配失敗。動態匹配的主要過程是根據模型參數對B+樹結構的接口列表進行檢索，B+樹具備查詢次數少、性能穩定、便于范圍查詢等優勢，因此很大程度上提升了動態匹配效率。動態匹配流程如圖5所示。

如圖5所示，動態匹配過程分為兩部分，第一部分根據解析硬件驅動模型獲取驅動接口類型范圍，然后遍歷預定義驅動接口B+樹檢索出對應節點信息;第二部分則根據解析硬件驅動模型獲取的驅動接口返回值類型、參數個數、參數類型，依次匹配節點信息，并最終定位到需要調用的接口函數進行接口固化。

由于硬件設備所承擔的業務不盡相同，硬件驅動接口的類型也有所差異，接口類型越豐富的硬件驅動，越能體現出動態匹配的效率優勢。

4 結論

本文提出一種自適應硬件驅動的方法，包括驅動建模、動態匹配、接口固化。驅動建模用于對不同硬件平臺提供的驅動程序進行模型創建，主要包括驅動名稱、接口功能、參數類型等信息，其間通過XML文件的形式對驅動程序及其提供的接口功能進行統一建模，以便通用接口程序進行正確解析并加載至內存;動態匹配用于通用接口程序解析模型后，根據接口功能、參數個數、參數類型等參數，依次與預定義的硬件驅動接口列表進行動態匹配，最終選擇匹配成功的接口函數作為調用的硬件驅動接口;接口固化用于根據硬件驅動程序與硬件驅動模型獲取接口地址，并將其固化至對應匹配成功的預定義驅動接口，完成不同廠家自適應硬件驅動接口的選擇，最終在不擴展通用驅動接口程序的基礎上，僅通過配置硬件驅動模型及更換硬件平臺提供的驅動程序完成應用程序在不同硬件之間的無縫切換。

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