了解和使用no-OS及平臺驅動程序

Mahesh Phalke

摘要：快速發展的技術需要軟件支持（固件驅動程序和代碼示例）來簡化設計導入過程。本文介紹如何利用no-OS（無操作系統）驅動程序和平臺驅動程序來構建ADI（亞德諾半導體）公司精密模數轉換器和數模轉換器的應用固件，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;模數轉換器;數模轉換器;no-OS

ADI公司提供基于no-OS驅動程序的嵌入式固件示例來支持精密轉換器。no-OS驅動程序負責器件配置、轉換器數據采集、執行校準等，而基于no-OS驅動程序的固件示例則便于將數據傳輸到主機進行顯示、存儲和進一步處理。

1??? no-OS和平臺驅動程序簡介

顧名思義，no-OS驅動程序設計用于通用（或無特定）操作系統。該名稱還意味著這些驅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）系統上。no-OS驅動程序旨在為給定精密轉換器的數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驅動程序使用器件的這些API接口訪問、配置、讀取、寫入數據，而無需知道寄存器地址（存儲器映射）及其內容。

no-OS驅動程序利用平臺驅動程序層來支持跨多個硬件/軟件平臺復用相同的no-OS驅動程序，使固件高度可移植。平臺驅動程序層的使用將no-OS驅動程序隔絕開來，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，因此no-OS驅動程序不需要修改就能跨多個平臺復用。

2??? 使用no-OS驅動程序

圖2顯示了no-OS驅動程序的典型代碼結構。

精密轉換器的no-OS驅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，用于初始化和移除器件、讀/寫器件寄存器、從器件讀取數據、獲取/設置器件特定參數等。

典型的no-OS驅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（如過采樣、增益、基準電壓等）的結構的聲明。

2）通過no-OS驅動程序的器件初始化/移除函數以及器件特定的初始化和驅動程序結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驅動程序代碼使用

1）使用器件特定地址、位掩碼、參數配置枚舉和結構

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

圖3中顯示的adxxxx_config結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字常量，用戶可以選擇。

adxxxx.c文件中定義的adxxxx_set_adc_config（）函數通過配置結構獲取用戶傳遞的配置/參數，并進一步調用adxxxx_spi_reg_write（）函數，通過數字接口（在上例中是SPI）將數據寫入ADXXXX_REG_CONFIG器件寄存器。

2）使用no-OS驅動程序結構和初始化函數初始化器件

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

器件驅動程序結構通過器件初始化函數adxxxx_init（）加載器件初始化參數。器件驅動程序結構是在運行時（動態）從堆空間中分配內存。器件驅動程序結構和器件初始化結構中聲明的參數幾乎完全相同。器件驅動程序結構是器件初始化結構的運行時版本。

以下步驟說明典型的器件初始化函數和初始化流程。

第1步：在應用程序中創建器件初始化結構的定義（或實例）（例如struct adxxxx_init_params），以初始化用戶特定的器件參數和平臺相關的驅動程序參數。參數在編譯期間定義。

注意：初始化結構中定義的參數因器件而異。

第2步：在應用程序代碼中創建器件驅動程序結構的指針實例（變量）。

用戶應用程序需要創建器件驅動程序結構的單個指針實例。將此實例傳遞給所有no-OS驅動程序API/函數以訪問器件特定參數。應用程序代碼中定義的此指針實例指向堆中動態分配的內存，這是通過no-OS驅動程序中定義的器件初始化函數（如adxxxx_init（））完成的。

第3步：調用器件初始化函數以初始化器件和其他平臺特定的外設。

no-OS驅動程序中定義的adxxxx_init（）函數用adxxx_init_param結構傳遞的用戶特定參數初始化器件。器件驅動程序結構的指針實例和器件初始化結構的實例作為兩個參數傳遞給此初始化函數。用戶應用程序代碼可以多次調用adxxxx_init（）函數，只要調用初始化函數之后再調用器件移除函數來平衡。

3）通過器件寄存器讀/寫函數訪問存儲器映射（寄存器內容）

用戶可以通過no-OS驅動程序器件特定的adxxx read/write（）函數訪問器件寄存器內容（例如產品ID、暫存區值、OSR等），如圖6所示。

大多數情況下，用戶不會直接使用寄存器訪問函數。器件特定的函數通過這些寄存器訪問函數（如adxxxx_spi_reg_read/write（））來調用。如果可能，建議使用器件配置和狀態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，因為這樣能確保器件驅動程序結構與器件中的配置保持同步。

4??? 平臺驅動程序

平臺驅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器件驅動程序或用戶應用程序代碼調用，使后者可以獨立于底層硬件和軟件平臺。平臺驅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，通用異步收發傳輸器）初始化和接收/發送、用戶特定的延遲、中斷等。

SPI平臺驅動程序模塊的典型文件結構如圖7所示。

5??? 使用平臺驅動程序

平臺驅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。

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

2）spi.cpp/.c：此文件包含spi.h文件中聲明的函數的實現，這些函數用于初始化特定平臺的SPI外設以及讀/寫數據。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/ 驅動程序結構來初始化SPI和讀/寫數據。

3）spi_extra.h：此文件包含其他器件結構或枚舉，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構的一部分添加。

6??? 移植平臺驅動程序

平臺驅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，通常需要創建平臺特定的.cpp/.c和_extra.h文件。平臺驅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，為將平臺驅動程序從一個平臺移植到另一個平臺，與調用供應商提供的HAL中存在的函數或API相關的平臺驅動程序代碼需要做一些細微改動。

圖12區分了基于Mbed的SPI平臺驅動程序和ADuCM410 SPI平臺驅動程序。ADI no-OS存儲庫和平臺驅動程序的GitHub源代碼鏈接可在ADI公司Wiki和GitHub頁面上找到。

7??? 為no-OS驅動程序做貢獻

ADI no-OS驅動程序已開源并托管在GitHub上。驅動程序不僅支持精密轉換器，也支持許多其他ADI產品，如加速度計、收發器、光電器件等。任何熟悉源代碼的人都可以為這些驅動程序做貢獻，方式是提交變更和創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環境中運行。許多示例項目是用硬件描述性語言（HDL）開發的，以便在Xilinx、Intel等公司開發的FPGA（Field Programmable Gate Array，現場可編程門陣列）以及由不同供應商開發的目標處理器上運行。