基于微处理器MCF5307定时器实现嵌入式系统驱动程序的开发设计

1 引言

嵌入式系统软件人员经常读取系统外设寄存器和控制寄存器，直接控制硬件，这样对软件开发者来说是一种繁复的事，而且嵌入式微处理器内部集成外设种类越来越多，如串口设备、时钟／定时器设备、IIC总线等，对嵌入式编程带来更多的困难。如果读写硬件的语句散布在整个应用程序中或者不同的功能模块可能会读写同一个硬件，那么当系统硬件发生变动时，应用程序就必须全盘重写。怎么避免这样的情况？一个好的方法就是按照尽量隐藏硬件的原则编制设备驱动程序。

在设计驱动程序中尽量隐藏硬件，有几个优点：①因为模块化，软件的总体结构更容易理解；②只要是与某一个外设相互作用，必然是通过他的驱动程序来起作用的，这样查找错误和故障就更容易些；③由硬件的变动导致的软件变化集中在设备驱动程序上，这样做有助于减少系统变动时改变软件设计工作量，尽量做到软件复用，缩短开发周期，这对提高产品竞争能力有实际意义。

2 编写设备驱动程序的方法和步骤

本文以摩托罗拉公司冷火系列（coldfire）嵌入式微处理器MCF5307定时器为例，讨论在用C＋＋语言编写嵌入式系统驱动程序时，如何做到尽量隐藏硬件的方法和步骤。

（1）覆盖设备的存储映像控制及状态设备寄存器数据结构

MCF5307的寄存器C语言描述文件是MCF5307．h，这个文件对MCF5307的系统寄存器和片上外设控制和状态寄存器以结构或联合的方式做了定义。在Timer．cpp添加MCF5307．h并在头文件文件中定义MCF5307＿IMM类型全局指针变量imm后就可以访问这些寄存器（使用timer1）。如下所示：

＃define MBAR＿ADDR

0x10000000

＃define VBR 0x0

MCF5307＿IMM

＊imm＝（MCF5307＿IMM＊）MBAR＿ADDR；

在timer类构造函数中对MCF5307定时器控制和状态寄存器作硬件初始化，使其产生周期为1 ms的节拍中断。

（2）跟踪目前硬件和设备驱动状态的一组变量

驱动程序开发过程的第二步是确定变量来跟踪硬件和设备驱动的状态。比如，要确定硬件是否已经初始化过或跟踪当前计数器的值。

设备的驱动不只创建一个软件设备，他们纯粹是逻辑设备，在基本外围硬件之上实现。容易设想从单独钟，正如在Windows下定时器编程一样。系统的定时器应该被设置以产生一个周期性的时钟节拍（tick），比如ms。设备驱动则保持创建的每个软件时钟的状态信息来管理一组不同长度的软件时钟。

（3）一个把硬件初始化到已知状态的例程

确定跟踪物理和逻辑设备的状态的变量后，接下来是实际与设备交互和控制函数。首先从设备初始化例程开始，把设备状态设定到一个已知的状态。然后就是启动定时器，并且在启动时设定类型（周期的，还是非周期的）、周期参数、删除定时器等。

（4）合起来为设备驱动用户提供API的一组例程

设备初始化后，开始给设备驱动添加其他的功能。

以定时器为例，创建一个软件时钟，启动时钟和管理时钟函数等具体的模块函数。这些函数的集合就可以为设备驱动应用程序提供一个统一的接口。

（5）中断服务例程

确定外设的中断服务例程入口地址以及安装中断向量。一些重要的后台工作要由中断服务例程来完成，合理的设置中断可以很好的利用CPU，提高CPU的运行效率。MCF5307的中断是由中断基址寄存器VBR和各个外设控制寄存器共同决定的。

3 在MCF5307上实现软件时钟

实现软件定时器的关键就是活动时钟链表的管理，要跟踪时钟状态，要记录时钟启动时刻及其周期或长度，用链表管理时钟，把时钟的启动时刻转换为剩余节拍数count和链表的位置关系。如图1所示，当一个软件时钟被启动时，初始化state，type和length，时钟被插入活动时钟链表。在时钟链表的时钟经过排序使得第一个到期的时钟处于表的顶端。每一个时钟有一个与其相关的count变量，这个值代表了所有列表前面的到期时该时钟剩余的时钟节拍数。在硬件产生的时钟节拍中断时——每毫秒一次——都要刷新活动时钟列表。

图1说明了活动时钟链表，每一个软件时钟都有他的长度和开始时间，一旦他们被插入列表，就对应count字段和排序。链表中可以看出第1个和第2个时钟同时启动。由于第2个比第1个长5 ms，因此他晚5个节拍到期。而第3个时钟是在第1个时钟的count＝1时插入的。

由于篇幅有限，其他的源程序简略。

4测试程序和运行结果

这段程序是在风河公司（windriver）diab 4．3g编译器下编译，并在SDS调试器下做调试运行，测试程序如下：

将程序编译、链接形成可执行代码，下载到目标板上调，运行正常，实现了软件定时器。就像Windows编程时设置定时器一样，用户可以同时启动若干定时器，而他们底层只是由一个硬件定时器在驱动。

从测试程序中可以看出，定时器编程形式上简单多了，应用程序不直接对设备寄存器读写，而且这个定时器驱动是整个程序惟一直接访问定时器单元的模块。实现了隐藏硬件的目的。

5结语

本文通过一个简单的MCF5307定时器驱动程序设计，表述了隐藏硬件的思想以及用于嵌入式驱动程序的编写的方法和步骤，可以推广到其他嵌入式系统驱动程序设计中。这样的驱动程序，方便程序员为嵌入式系统编写应用程序，同时可以为系统程序员提供必要的库例程，增加软件的可复用性，减少重复劳动。

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