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QNX操作系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊
摘要:介紹嵌入式操作系統(tǒng)QNX的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)、基于io-net的網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的組成;給出以以太網(wǎng)網(wǎng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)槔脑敿?xì)說明,包括初始化、從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接收數(shù)據(jù),向網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備信息的統(tǒng)計(jì)。QNX是業(yè)界公認(rèn)的X86平臺上最好的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)之一。它具有獨(dú)一無二的微內(nèi)核實(shí)時(shí)平臺,建立在微內(nèi)核和完全地址空間保護(hù)基礎(chǔ)之上,實(shí)時(shí)、穩(wěn)定、可靠,已經(jīng)完成到PowerPC、MIPS、ARM等內(nèi)核的移植,成為在國內(nèi)廣泛應(yīng)用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。本文簡單介紹QNX內(nèi)核和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),針對目前熱門的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境,討論QNX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)和編寫。
1 QNX內(nèi)核簡介
QNX的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)是它區(qū)別于其它操作系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)。目前嵌入式系統(tǒng)中,操作系統(tǒng)和應(yīng)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(nèi)存結(jié)構(gòu),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(hù);應(yīng)用程序可以自由訪問所有空間,效率較高,但是任何應(yīng)用程序指針錯(cuò)誤都可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)核崩潰。
大內(nèi)核內(nèi)存結(jié)構(gòu),如圖2所示,操作系統(tǒng)內(nèi)核和各種驅(qū)動(dòng)程序、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在同一個(gè)地址空間,應(yīng)用程序在單獨(dú)空間;內(nèi)核模塊同處于一個(gè)保護(hù)空間,運(yùn)行效率高,應(yīng)用程序無法直接訪問保護(hù)空間,系統(tǒng)穩(wěn)定性大大提高。缺點(diǎn)是,由于內(nèi)核模塊(例如網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng))處于保護(hù)空間,因此調(diào)試?yán)щy,任何驅(qū)動(dòng)程序的修改都要重新編譯內(nèi)核,無法做到驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)加載和卸載。
QNX的微內(nèi)核結(jié)構(gòu),如圖3所示,內(nèi)核獨(dú)立自處于一個(gè)被保護(hù)的地址空間;驅(qū)動(dòng)程序、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用程序處地程序空間中。
微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn):①驅(qū)動(dòng)程序、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、文件系統(tǒng)等操作系統(tǒng)模塊和內(nèi)核相互獨(dú)立,任何模塊的故障都不會(huì)導(dǎo)致內(nèi)核的崩潰;②驅(qū)動(dòng)程序、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序都處于程序空間,都調(diào)用相同的內(nèi)核API,開發(fā)與調(diào)試和應(yīng)用程序沒有區(qū)別;③操作系統(tǒng)功能模塊可以根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)地加載或卸載,不需要編譯內(nèi)核。在高可靠性要求的情況下,可以編寫監(jiān)視模塊,對可靠性要求高的模塊進(jìn)行監(jiān)視,必要的時(shí)候重新啟動(dòng)或重新加載而無須重啟系統(tǒng)。高可靠性的內(nèi)核結(jié)構(gòu)使QNX具備了高可靠性嵌入式操作系統(tǒng)的本質(zhì)特征。
在具有高可靠性內(nèi)核的基礎(chǔ)上,QNX的創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(gòu)體,保持了和UNIX的高度相似性,絕大多數(shù)UNIX或LINUX應(yīng)用程序可以在QNX下直接編譯生成。這意味著為數(shù)眾多的穩(wěn)定成熟的UNIX、LINUX應(yīng)用可以直接移植到QNX這個(gè)更加穩(wěn)定高效的實(shí)時(shí)嵌入式平臺上來。
2 QNX網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
QNZ網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)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(shè)備驅(qū)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(shè)備驅(qū)動(dòng)、TCP/IP協(xié)議棧分別對上層io-net模塊和應(yīng)用程序產(chǎn)生數(shù)據(jù),兩者都可以被看作數(shù)據(jù)源;同時(shí)它們也接受上層發(fā)來的數(shù)據(jù),又可以同時(shí)被看作數(shù)據(jù)的消費(fèi)者。過濾模塊對向上的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選,分協(xié)議進(jìn)行處理;對向下的數(shù)據(jù)則進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換,如進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換NAT。轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)不同協(xié)議幀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換,在以太網(wǎng)的工作環(huán)境下,它就負(fù)責(zé)對IP數(shù)據(jù)報(bào)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(tǒng)也在內(nèi)核外部空間運(yùn)行。應(yīng)用程序面對的是一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)接口,硬件相關(guān)的內(nèi)容被完全包裝在網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)內(nèi)。
QNX網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的三個(gè)子模塊按層次分開,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(shù)據(jù)和信息的流動(dòng)都必須經(jīng)由io-net調(diào)度與轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu),屏蔽了各個(gè)模塊間相互協(xié)調(diào)的復(fù)雜細(xì)節(jié),在很大程序上方便了模塊的編寫工作;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(shè)備驅(qū)動(dòng)程序都必須向io-net注冊,由它來加載,并接受io-net的配置和管理,用戶對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的查詢和管理也是通過io-net來實(shí)現(xiàn)的。
3 QNX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)
QNX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊處于網(wǎng)絡(luò)硬件和io-net模塊之間。驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)配置硬件使其正常工作,向io-net報(bào)告數(shù)據(jù)收發(fā)情況,接收和傳遞數(shù)據(jù),接受io-net的調(diào)度和管理。QNX網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序依照以上功能,分為初始化、接收發(fā)送數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備信息統(tǒng)計(jì)幾個(gè)功能塊。要使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備工作正常,驅(qū)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(tǒng)注冊自己,表明網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的存在和網(wǎng)絡(luò)通信能力,才能為系統(tǒng)和應(yīng)用程序所用。在初始化工作完成以后,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備就進(jìn)入了工作狀態(tài),收發(fā)數(shù)據(jù)。設(shè)備信息的統(tǒng)計(jì)也是由設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來完成的。
(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(shè)備,使其正常工作;另一個(gè)方面,是向io-net正確注冊驅(qū)動(dòng)模塊,表明自己的屬性,方便上層正確操作。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的初始化工作和硬件緊密相關(guān),這里就不一一描述。
驅(qū)動(dòng)模塊向io-net加載自己的時(shí)候,系統(tǒng)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(qū)動(dòng)的初始化函數(shù),io-net會(huì)直接調(diào)用這個(gè)函數(shù)。
②初始化函數(shù)向io-net注冊驅(qū)動(dòng)和相應(yīng)的函數(shù)。
③初始化函數(shù)告訴io-net和它的模塊自己的通信能力。
經(jīng)過以上流程以后,io-net中就建立起有關(guān)此驅(qū)動(dòng)程序的數(shù)據(jù)和函數(shù)調(diào)用列表。驅(qū)動(dòng)程序必須正確編寫初始化函數(shù),并將該函數(shù)正確鏈接至io_net_dll_entry。
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