實時操作系統VxWorks下電子盤驅動程序的開發

    在某些特定的工業應用領域，普通的操作系統並不適用，需要採用實時操作系統。目前，已有許多實時操作系統如：VxWorks、pSOS、QNX、Hard-Linux、WinCE等等，其中美國Wind River System 公司的VxWorks是公認的性能最出色的一種實時操作系統。這是一個運行在目標機上的高性能、可裁減的嵌入式實時操作系統。它的軟體開發平台是Tornado。
    本文以VxWorks操作系統為平台，以M-System公司的DOC2000(144M)為例，說明在VxWorks下如何驅動並使用電子盤設備。

1 系統結構
    DOC 系列的電子盤採用的都是TrueFFS(True Flash File System)。TrueFFS for Tornado II是Tornado II開發環境中的一個集成的快速快閃記憶體文件系統，它是使用一系列的嵌入式快閃記憶體設備來實現快速可靠的物理存儲的。通過VxWorks的TrueFFS模擬DOS文件系統下的硬碟驅動器，開發者可以使用標準的文件系統介面來產生和操作一個文件系統。這樣，在快閃記憶體設備上進行讀寫操作就與在DOS文件系統設備上是一樣的了。因此，對於電子盤驅動的介紹就需要分為上層操作系統的文件系統和底層的驅動器物理結構實現兩部分。

1.1 VxWorks中的文件系統
    VxWorks是一種功能強大而且比較複雜的嵌入式操作系統，包括了進程管理、存儲管理、設備管理、文件系統管理、網路協議及系統應用等幾個部分。VxWorks只佔用了很小的存儲空間，並可高度裁減，保證了系統能以較高的效率運行。
    VxWorks提供的快速文件系統適合於實時系統應用。它包括幾種支持使用塊設備(如磁碟)的本地文件系統。這些設備都使用一個標準的介面從而使得文件系統能夠被靈活地在設備驅動程序上移植。VxWorks也支持SCSI磁帶設備的本地文件系統。VxWorks支持四種文件系統：dosFs、rt11Fs、rawFs、tapeFs。
    VxWorks的I/O系統將普通數據文件、外部設備都統一作為文件處理。它們在用戶面前有相同的語法定義，使用相同的保護機制。這樣既簡化了系統設計又便於用戶使用。VxWorks I/O 體系結構甚至還支持在一個單獨的VxWorks系統上同時並存幾個不同的文件系統。VxWorks提供了一個快速靈活的與ANSI C 兼容的I/O 系統，包括：UNIX 標準的緩衝I/O、POSIX 標準的非同步I/O。VxWorks包括以下驅動程序：網路驅動、管道驅動、RAM 盤驅動、SCSI驅動、鍵盤驅動、顯示驅動、磁碟驅動、並口驅動。
    VxWorks的所有機制和功能都是基於“C子程序”這種簡單結構的，即：VxWorks的所有功能都是由C程序庫提供的。任何C程序都能夠從Tornado的命令和調試環境中互動式地調用；任何C程序都能夠作為VxWorks的一個任務從Tornado主機工具或者應用程序中產生，而且C程序能夠與中斷、看門狗定時器或輔助定時器相連。VxWorks的這種統一性使Tornado成為一種有效的開發系統。因為用戶不必再編寫特殊的代碼來與系統陷阱介面，也不需要進行特殊的處理來建立一個任務，更不需要編寫特殊的用戶介面程序或互動式的測試程序來測試新代碼，用戶只要編寫子程序就能夠完成所有這些工作。
    VxWorks的特性為編寫應用程序和設備驅動程序提供了極大的便利。在VxWorks下，設備驅動程序既可以嵌入內核隨系統一起啟動，也可以作為可載入模塊在系統啟動之後運行，無論採用哪一種方式編寫驅動程序，需要注意的一點就是：其使用不能依賴於還沒有啟動的功能模塊(例如c庫函數)或者未激活的設備。

1.2 電子盤
    電子盤的內部存儲介質Flash是近年來發展最快的一種存儲晶元，它具有EEPROM可擦寫的特點，又同時具有EPROM 廉價的特點，它是一種高性能、低功耗、電可擦除的存儲器件。電子盤由於上述特點，現已經廣泛應用於信息存儲、機頂盒、瘦客戶機、瘦主機、網路計算機、以及嵌入式計算機等很多系統。
    TrueFFS是M-System 公司開發出來的可用於電子盤設備的專利技術。TrueFFS的基本功能就是磁碟模擬。它提供像DOC一樣的塊設備的介面，從而方便了操作系統對電子盤設備的邏輯區的讀寫。通過TrueFFS可以對電子盤進行讀寫、分區、格式化等一系列操作。通過對操作系統的l/O控制的調用，就可以訪問TrueFFS的外部介面。電子盤設備的I/O控制並不局限於某一特定操作系統，所以可以兼容多種操作系統。通常，在操作系統下驅動電子盤有以下兩步：
①調用操作系統的GetDriverHandle()函數得到驅動器的句柄。它的返回值是一個能夠供I/O控制函數調用的TrueFFS驅動的描述符。這一步依賴於操作系統的文件系統。
②調用操作系統中文件系統的IOControl()函數。它將使TrueFFS具有其它文件系統的特性：
1)文件系統狀態。它的值可以指示操作指令是否成功的傳遞給了驅動器或者驅動器對於操作指令有無響應，但它並不能確認操作的結果或狀態。一個操作的結果或狀態是由輸入輸出控制包(IO Package)來傳遞的。它們使用的是TrueFFS的標準狀態碼，這些狀態碼可以在IO控制的頭文件以及一些驅動包文件中查到。
2)文件系統IO控制。它可以調用文件系統的擴展功能。
3)輸入輸出請求包。所有的TrueFFS擴展功能都使用下列輸入輸出請求包，它的定義格式如下：
typedef struct
{
FLHandle irHandle；
Unsigned irFlages；
FLSimplePath FAR1 *irPath；
Void FAR1 *irData；
Long irLength；
Long irCount；
}
    irHandle(句柄)主要用於確認一個操作究竟應該作用於哪一個分區。如果只有一個驅動器，那麼就不會出現衝突，則句柄的值可以設置為0。驅動器的句柄包含了物理驅動數(LSB 0-3)和分區數(LBB 4-7)。由於Binary Partition和Disk Partition的句柄都可以從0開始。所以，Binary Partition和Disk Partition總是通過不同的句柄來訪問，以免產生衝突。
    irFlags這個變數用來標識擴展功能的類型。每一個擴展功能都有一個枚舉類型的代碼標識。
    irData包含了一個指向fllOctlRecond記錄的指針。fllOctlRecond記錄包含了一些擴展功能的輸入輸出記錄的指針。
    DOC2000為M-System 公司DOC系列的第二代產品，它為32腳DIP封裝，具有體積小，封裝簡單的特點，通過將DOC2000插入DOC2000插槽，可以大量減少佔用的物理空間。
  
    如圖1所示，DOC2000由系統介面單元(System Interface)、系統引導模塊(Boot Block)、錯誤檢測與更正單元(EDC/ECC)，快閃記憶體控制單元(Flash Control)以及Flash存儲介質組成。其中系統介面單元為DOC2000提供一個類SRAM 介面，使之能通過CPU的本地匯流排、ISA匯流排、SRAM 匯流排、EEPROM 介面建立與操作系統的連接。DOC提供片選信號(CE#)、讀寫信號(WE#)、使能信號(OE#)以及13位寬的地址線(A[0:12])和8位寬的數據匯流排(D[0:7])。每個DOC佔用系統8K的地址空間，通過地址窗的滑動來訪問整個DOC空間。系統引導模塊用來響應PC機結構中BIOS擴展設備的搜索。當BIOS檢測到DOC2000為擴展設備時，它可以執行保存在系統引導模塊中的TrueFFS的驅動程序，通過系統調用TrueFFS格式轉換軟體，系統可以把DOC2000映射為普通的硬碟從而方便地進行讀寫。DOC2000的錯誤檢測和更正模塊用來提供數據錯誤的檢測、更正以及數據保護。Flash控制模塊主要用來完成TrueFFS地址與Flash介質地址之間的轉換、數據傳輸控制等功能。

2 電子盤設備驅動程序的基本結構流程
    在VxWorks下，設備驅動程序既可以嵌入內核隨系統一起啟動，也可以作為可載入模塊在系統啟動之後運行。
2.1可選載入方式
    可選載入方式驅動電子盤是一種比較常用的方式。它是把驅動程序製作成一個可獨立運行的應用程序，當需要的時候可以選擇載入到用戶程序集中。利用可選載入方式驅動電子盤的第一步是要確定電子盤所佔用的系統地址窗的範圍。一般主機板都給出了幾個可以選擇的範圍，通過跳線可以設置電子盤的地址窗的起始、結束地址。啟動VxWorks下TrueFFS驅動程序，根據實際的地址將地址窗參數配置好。第二步將TrueFFS映射成DOS文件系統。調用tffsMakeHandle()函數得到驅動器的描述符。將此描述符傳遞給驅動器句柄。然後定義一個塊設備的指針用於保存一個虛擬DOS文件系統分區的信息。調用tffsDevCreate()函數將剛才檢測到句柄的TrueFFS驅動器映射成DOS文件系統分區，並將該函數的返回值傳遞給定義好的塊設備指針。至此，就完成了TrueFFS到DOSFS的映射過程。完成DOSFS設備初始化后，在Tornado的Shell環境下運行devs命令就可以看到tffs設備已經在系統設備列表中了。第三步，讀寫電子盤上的文件。設置好要讀寫的文件的文件名、路徑。利用標準C++的文件系統函數就可以方便的讀寫文件了。

2.2嵌入系統方式
    嵌入系統方式比可選載入方式要複雜。它將驅動程序嵌入系統內核中，這樣電子盤可以在系統啟動的時候被驅動。這種方式主要應用於系統引導文件放在電子盤上的情況。嵌入系統方式又分為X86機的嵌入方式和其它(如PowerPC，MIPs等)嵌入方式。這裡以X86方式為例。
    第一步修改目標BSP目錄下的config.h文件，增加電子盤設備的定義，修改引導設備。第二步修改系統BSP目錄下的bootconfig.C文件，將電子盤的驅動程序加入。第三步修改系統BSP目錄下的usrconfig.h文件，調用電子盤的驅動程序。

3 設備驅動程序示例
    下面給出DOC2000的可選載入方式的驅動程序的框架代碼，嵌入系統方式下的DOC2000的驅動程序涉及VxWorks系統內核，這裡不作詳細敘述。

3.1定義頭文件、常量、全局變數
#include "fldrvvxw.h"
#include "dosFsLib.h"
long tfsAddresses[2]={0xd8000,0xdfff};
/*定義電子盤的地址窗範圍*/
int iSocket=0；
/*TrueFFS內部變數*/
int iDisk=0; /*電子盤數量(1個)*/
nt handle; /*驅動器句柄*/
nt flags=0;
/*將TrueFFS模擬成DOS FAT16的格式*/
BLK_DEV * tffs_blk_dev; /*塊設備指針*/
char FilePath[50]="/tffs0/test.txt"; /*文件路徑*/
File fp; /*文件指針*/

3.2 驅動電子盤並將TrueFFS映射為DOSFS
DOCDriver()
{
tfsSetup(1,tfsAddresses); /*TrueFFS驅動程序*/
handle= tfsMakeHandle(iSocket,iDisk);
/{得到驅動器的句柄{/
tfs_ blk_dev=tfsDevCreate(handle，flags)；
/*得到模擬DOSFS的塊設備信息*/
dosFsInit (20)；
/*初始化DOSFS的參數*/
dosFsDevInit ("/tfs0/",tffs_blk_dev,NULL)； /*初始化DOSFS設備*/
taskDelay(sysClkRateGet()/2); /*系統延時*/
}

3.3 電子盤文件的讀寫
FileReadWrite()
{
fp=fopen(FilePath,"r+");
…… /*相關文件操作*/
fclose(fp);
}