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介紹嵌入式操作系統QNX的微內核結構、基于io-net的網(wǎng)絡(luò )子系統、網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)程序的組成；給出以以太網(wǎng)網(wǎng)設備驅動(dòng)程序為例的詳細說(shuō)明，包括初始化、從網(wǎng)絡(luò )設備接收數據，向網(wǎng)絡(luò )設備發(fā)送數據和網(wǎng)絡(luò )設備信息的統計。 QNX是業(yè)界公認的X86平臺上最好的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統之一。它具有獨一無(wú)二的微內核實(shí)時(shí)平臺，建立在微內核和完全地址空間保護基礎之上，實(shí)時(shí)、穩定、可靠，已經(jīng)完成到PowerPC、MIPS、ARM等內核的移植，成為在國內廣泛應用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統。本文簡(jiǎn)單介紹QNX內核和網(wǎng)絡(luò )結構的特點(diǎn)，針對目前熱門(mén)的網(wǎng)絡(luò )應用環(huán)境，討論QNX網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)程序的結構和編寫(xiě)。 1 QNX內核簡(jiǎn)介 QNX的微內核結構是它區別于其它操作系統的顯著(zhù)特點(diǎn)。目前嵌入式系統中，操作系統和應用程序之間的關(guān)系大概可以歸納為圖1～圖3所示的三種情況。 平板式內存結構，如圖1所示，所有的程序都使用同一個(gè)地址空間，不加保護；應用程序可以自由訪(fǎng)問(wèn)所有空間，效率較高，但是任何應用程序指針錯誤都可能會(huì )導致內核崩潰。 大內核內存結構，如圖2所示，操作系統內核和各種驅動(dòng)程序、網(wǎng)絡(luò )協(xié)議在同一個(gè)地址空間，應用程序在單獨空間；內核模塊同處于一個(gè)保護空間，運行效率高， 應用程序無(wú)法直接訪(fǎng)問(wèn)保護空間，系統穩定性大大提高。缺點(diǎn)是，由于內核模塊（例如網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng))處于保護空間，因此調試困難，任何驅動(dòng)程序的修改都要重新編譯內核，無(wú)法做到驅動(dòng)的動(dòng)態(tài)加載和卸載。 QNX的微內核結構，如圖3所示，內核獨立自處于一個(gè)被保護的地址空間；驅動(dòng)程序、網(wǎng)絡(luò )協(xié)議和應用程序處地程序空間中。 微內核結構的優(yōu)點(diǎn)：①驅動(dòng)程序、網(wǎng)絡(luò )協(xié)議、文件系統等操作系統模塊和內核相互獨立，任何模塊的故障都不會(huì )導致內核的崩潰；②驅動(dòng)程序、網(wǎng)絡(luò )協(xié)議、文件系統和應用程序都處于程序空間，都調用相同的內核API，開(kāi)發(fā)與調試和應用程序沒(méi)有區別；③操作系統功能模塊可以根據需要動(dòng)態(tài)地加載或卸載，不需要編譯內核。在高可靠性要求的情況下，可以編寫(xiě)監視模塊，對可靠性要求高的模塊進(jìn)行監視，必要的時(shí)候重新啟動(dòng)或重新加載而無(wú)須重啟系統。高可靠性的內核結構使QNX具備了高可靠性嵌入式操作系統的本質(zhì)特征。 在具有高可靠性?xún)群说幕A上，QNX的創(chuàng )新設計使它同樣具有很高的效率。QNX最為引人注目的地方是，它是UNIX的同胞異構體，保持了和UNIX的高度相似性，絕大多數UNIX或LINUX應用程序可以在QNX下直接編譯生成。這意味著(zhù)為數眾多的穩定成熟的UNIX、LINUX應用可以直接移植到QNX這個(gè)更加穩定高效的實(shí)時(shí)嵌入式平臺上來(lái)。 2 QNX網(wǎng)絡(luò )結構 QNZ網(wǎng)絡(luò )子系統由三個(gè)部分組成：網(wǎng)絡(luò )管理模塊（io-net）、網(wǎng)絡(luò )協(xié)議模塊（npm-qnet.so、npm-tcpip.so）、網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)模塊（devn-ne2000.so）。 模塊之間的層次關(guān)系如圖4所示。 圖4中的每個(gè)模塊各自具有不同的功能，但是它們具有一些相同的屬性。如：網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)、TCP/IP協(xié)議棧分別對上層io-net模塊和應用程序產(chǎn)生數據，兩者都可以被看作數據源；同時(shí)它們也接受上層發(fā)來(lái)的數據，又可以同時(shí)被看作數據的消費者。過(guò)濾模塊對向上的數據進(jìn)行篩選，分協(xié)議進(jìn)行處理；對向下的數據則進(jìn)行相應的轉換，如進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )地址轉換NAT。轉換模塊負責不同協(xié)議幀結構的轉換，在以太網(wǎng)的工作環(huán)境下，它就負責對IP數據報進(jìn)行以太網(wǎng)幀的封裝和解包。 和QNX其它服務(wù)進(jìn)程一樣，QNX的網(wǎng)絡(luò )子系統也在內核外部空間運行。應用程序面對的是一個(gè)統一的網(wǎng)絡(luò )接口，硬件相關(guān)的內容被完全包裝在網(wǎng)絡(luò )子系統內。 QNX網(wǎng)絡(luò )子系統的三個(gè)子模塊按層次分開(kāi)，io-net模塊處于中心，是QNX網(wǎng)絡(luò )的核心和重點(diǎn)，其它模塊都掛接在它上面。數據和信息的流動(dòng)都必須經(jīng)由io-net調度與轉發(fā)，所有其它模塊所面對的就是一個(gè)單一主體。這樣的中心交換結構，屏蔽了各個(gè)模塊間相互協(xié)調的復雜細節，在很大程序上方便了模塊的編寫(xiě)工作；同時(shí)，io-net還是QNX的網(wǎng)絡(luò )管理中心。任何網(wǎng)絡(luò )協(xié)議和網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)程序都必須向io-net注冊，由它來(lái)加載，并接受io-net的配置和管理，用戶(hù)對網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)的查詢(xún)和管理也是通過(guò)io-net來(lái)實(shí)現的。 3 QNX網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng) QNX網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)模塊處于網(wǎng)絡(luò )硬件和io-net模塊之間。驅動(dòng)模塊負責配置硬件使其正常工作，向io-net報告數據收發(fā)情況，接收和傳遞數據，接受io-net的調度和管理。QNX網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)程序依照以上功能，分為初始化、接收發(fā)送數據、網(wǎng)絡(luò )設備信息統計幾個(gè)功能塊。要使網(wǎng)絡(luò )設備工作正常，驅動(dòng)程序就要對它進(jìn)行一定的寄存器配置，同時(shí)，還要向QNX網(wǎng)絡(luò )子系統注冊自己，表明網(wǎng)絡(luò )設備的存在和網(wǎng)絡(luò )通信能力，才能為系統和應用程序所用。在初始化工作完成以后，網(wǎng)絡(luò )設備就進(jìn)入了工作狀態(tài)，收發(fā)數據。設備信息的統計也是由設備驅動(dòng)程序來(lái)完成的。 (1)初始化 初始化包括兩個(gè)方面，一方面是初始化網(wǎng)絡(luò )設備，使其正常工作；另一個(gè)方面，是向io-net正確注冊驅動(dòng)模塊，表明自己的屬性，方便上層正確操作。 網(wǎng)絡(luò )設備的初始化工作和硬件緊密相關(guān)，這里就不一一描述。 驅動(dòng)模塊向io-net加載自己的時(shí)候，系統遵循如下工作流程： ①io-net搜索全局的符合io_net_dll_entry。它定義了驅動(dòng)的初始化函數，io-net會(huì )直接調用這個(gè)函數。 ②初始化函數向io-net注冊驅動(dòng)和相應的函數。 ③初始化函數告訴io-net和它的模塊自己的通信能力。 經(jīng)過(guò)以上流程以后，io-net中就建立起有關(guān)此驅動(dòng)程序的數據和函數調用列表。驅動(dòng)程序必須正確編寫(xiě)初始化函數，并將該函數正確鏈接至io_net_dll_entry。 （2)從網(wǎng)絡(luò )設備接收數據 當有包到達網(wǎng)絡(luò )設備的時(shí)候，網(wǎng)絡(luò )設備就會(huì )用某種方式通知驅動(dòng)程序（例如中斷），此時(shí)，驅動(dòng)程序就要采取某種策略來(lái)處理到來(lái)的幀或數據。通常驅動(dòng)程序這時(shí)候需要做以下工作： ①通過(guò)DMA將包取回來(lái)； ②做相應的必要處理，如通知網(wǎng)絡(luò )設備釋放當前幀的緩存，配置寄存器讓網(wǎng)絡(luò )設備等待下一幀到來(lái)等； ③通過(guò)調用io-net的tx_up_start()函數把包傳遞給上層模塊。 當上層所有的模塊都完成對這個(gè)包的處理以后，io-net調用我們驅動(dòng)中的tx_done（）函數，它來(lái)做最后的處理工作。 tx_up_start（）函數是設備驅動(dòng)中比較關(guān)鍵的函數，下面簡(jiǎn)要部分一下這個(gè)函數的入口參數。 npkt_t*(*tx_up_start)(int registrant_hdl， nptk_t *npkt, int off, int framelen_sub, uint16_t cell, uint 16_t endpoint, uint16_t iface， void *done_hdl) 其中:int registrant_hdl--本驅動(dòng)在io-net中的句柄，注冊時(shí)由io-net生成； nptk_t *npkt --需要處理的包的指針； int off--底層協(xié)議包頭長(cháng)度，如以太網(wǎng)幀頭部長(cháng)度； int framelen_sub--尾部填充的長(cháng)度，對于以太網(wǎng)這個(gè)值為零； uint16_t cell、uint16_t endpoint--endpoint和cell是io-net在注冊的時(shí)候分配的用來(lái)區別不同的驅動(dòng)； uint16_t iface--接口號，可以讓同一個(gè)驅動(dòng)負現多個(gè)相同硬件； void *done_hdl--該指針指向tx_done（）函數需要的額外數據。 （3）向網(wǎng)絡(luò )設備發(fā)送數據 當上層模塊需要硬件傳送包的時(shí)候，會(huì )調用io-net管理器的rx_down()函數。 int(*rx_down)(npkt_t*npkt， void *func_hdl） rx_down函數入口參數中，npkt是指向需要傳送的數據的結構指針，func_hdl是相應驅動(dòng)模塊在io-net中的句柄。其中npt結構包含許多成員，其中的重要成員如表1所列。 表1 cell、endpoint、iface 需要處理該包的硬件標識 buffers 指向包的指針 tot_iov 包含數據包的所有I/O矢量 Framelen 所有數據的長(cháng)度，以字節為單位 驅動(dòng)模塊在接收到io-net的調用后，就要配置網(wǎng)絡(luò )設備，讓它完成數據的發(fā)送工作。網(wǎng)絡(luò )設備發(fā)送數據所需要的信息都會(huì )在相應的數據結構中，如net_buf_t結構中保存了等待傳送的數據包的鏈接列表，配置DMA所需的物理地址在net_iov_t中等。驅動(dòng)模塊要等待硬件完成這些包的傳送，并調用io-net的tx)done（）函數通知上層模塊驅動(dòng)程序已經(jīng)完成了數據的發(fā)送。 4 網(wǎng)絡(luò )設備信息的統計 應用程序或者用戶(hù)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )信息接口nicinfo工具來(lái)了解網(wǎng)絡(luò )工作狀態(tài)。信息的查詢(xún)都是通過(guò)io-net來(lái)進(jìn)行的。驅動(dòng)程序必須維護相應的狀態(tài)數據，方便io-net的查詢(xún)。網(wǎng)絡(luò )設備有一些共同的狀態(tài)屬性，如收到和發(fā)出的包的個(gè)數、發(fā)送錯誤的包的個(gè)數等，不同的網(wǎng)絡(luò )設備還會(huì )具有不同的屬性和狀態(tài)，這些都可以在驅動(dòng)程序中用數據結構詳細列明。 需要維護的數據結構中，主要的是Nic_t，它包括四個(gè)子結構； CustNicStats--網(wǎng)絡(luò )信息入口； EthernesStats_t--以太網(wǎng)狀態(tài)； GenStats_t--常用統計信息； NetStats_t--網(wǎng)絡(luò )信息（包含常用統計信息）。 以上是驅動(dòng)程序需要維護的數據。當用戶(hù)或應用程序要查詢(xún)這些信息的時(shí)候，它們就通過(guò)Nicinfo工具對/dev/io-net/en0調用devctl()函數來(lái)取得網(wǎng)絡(luò )信息。信息的取得是必須通過(guò)io-net來(lái)完成的，io-net對信息的查詢(xún)則是通過(guò)調用io_net_register_funs_t結構中所指向的函數來(lái)取得信息的。例： #include int generic_eth_devctl(void *hdl,int dcmd,void ＊data,size_t size,int ＊ret） { Nic_t ＊nic=(Nic_t ＊)hdl； int status; status=EOK; switch(dcmd){ case DCMD_IO_NET_NICINFO; memcpy(data,nic,min(size,sizeof(Nic_t))); break; default: status=ENOTSUP; break; } return(status）； } 結語(yǔ) 網(wǎng)絡(luò )設備的驅動(dòng)是網(wǎng)絡(luò )系統的最低層和最基礎的模塊，是如今嵌入式開(kāi)發(fā)中首先要解決的問(wèn)題之一。由于QNX具有微內核的特點(diǎn)，其網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)不需要內核調試，更適合初學(xué)者掌握。本文對QNX操作系統及網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)程序的介紹，可以幫助讀者對相關(guān)內容作初步了解。 |
