VxBus 驱动开发：VxWorks 开发人员的完整指南

简介

设备驱动程序开发是嵌入式系统的核心。在业界领先的实时操作系统（RTOS）VxWorks 中，硬件驱动程序是使用 VxBus 框架实现的。

本指南将全面介绍 VxBus 驱动开发，涵盖从架构到实际实现的方方面面。无论您是 VxWorks 7 的新手，还是从旧版 BSP 风格迁移而来，本文都将帮助您掌握 VxBus，并构建高效、可维护的驱动程序。

为什么 VxBus 在 VxWorks 中如此重要

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在早期版本的 VxWorks 中，驱动程序通常被硬编码到 BSP（板级支持包）中。这种方法使得维护困难，并且在硬件发生变化时可移植性有限。

为了解决这个问题，Wind River 公司引入了 VxBus——一个标准化、可扩展和模块化的驱动程序框架。

VxBus 的优势：

• 🔌 模块化 – 驱动程序与 BSP 解耦。
• ⚡ 高效 – 设备发现和初始化是自动化的。
• 🔄 可重用 – 同一个驱动程序可以支持多个平台。
• 🛠️ 可维护 – 代码更清晰，降低了 BSP 的复杂性。
• 🌍 标准化 – 支持设备树（Device Tree），确保与行业标准对齐。

VxBus 架构概览

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VxBus 驱动模型借鉴了 Linux 等现代操作系统框架。它围绕着总线-驱动-设备的层次结构展开：

1. 总线（Bus） – 代表一种互连方式（例如，PCI、I²C、SPI、USB）。
2. 设备（Device） – 连接到总线的硬件实例，在**设备树（DTS）**中定义。
3. 驱动（Driver） – 管理设备的软件逻辑。

在启动时，VxBus 会执行以下步骤：

1. 读取设备树。
2. 枚举设备。
3. 将每个设备的 compatible 字符串与已注册的驱动程序进行匹配。
4. 调用驱动程序的 probe 和 attach 函数。

VxBus 驱动开发分步指南

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1. 在设备树中定义您的设备

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**设备树源文件（DTS）**是硬件描述的基石。例如，要定义一个 I²C GPIO 扩展器，可以这样做：

i2c@0x10000000 {
    compatible = "nxp,pca9535";
    reg = <0x10000000 0x1000>;
    interrupts = <10 0>;  // 适用的中断线
};

📌 提示： 尽可能使用供应商标准的 compatible 字符串。这可确保您的驱动程序具有可移植性，并与上游约定保持一致。

2. 实现驱动程序骨架

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一个 VxBus 驱动程序通常包含 probe、attach 和 detach 方法。

LOCAL STATUS myDriverProbe(VXB_DEV_ID pDev) {
    // 检查此驱动程序是否支持该设备
    return OK;
}

LOCAL STATUS myDriverAttach(VXB_DEV_ID pDev) {
    // 初始化寄存器、内存、中断等
    return OK;
}

LOCAL STATUS myDriverDetach(VXB_DEV_ID pDev) {
    // 释放资源，禁用中断
    return OK;
}

LOCAL VXB_DRV_METHOD myDriverMethods[] = {
    { VXB_DEVMETHOD_CALL(vxbDevProbe), myDriverProbe },
    { VXB_DEVMETHOD_CALL(vxbDevAttach), myDriverAttach },
    { VXB_DEVMETHOD_CALL(vxbDevDetach), myDriverDetach },
    VXB_DEVMETHOD_END
};

VXB_DRV myDriver = {
    { NULL },
    "myDriver",
    "示例 VxBus 驱动程序",
    VXB_BUSID_PLB,   // 总线类型
    0,
    sizeof(VXB_DEV_ID),
    myDriverMethods,
    NULL,
    NULL,
    NULL
};

VXB_DRV_DEF(myDriver);

3. 向 VxBus 注册驱动程序

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在系统初始化期间添加驱动程序：

IMPORT VXB_DRV myDriver;

void sysHwInit(void) {
    vxbDevRegister(&myDriver);
}

4. 处理中断

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许多设备都依赖中断来实现高效操作。在 VxBus 中，您可以像这样请求一条 IRQ 中断线：

LOCAL void myIsr(void * arg) {
    VXB_DEV_ID pDev = (VXB_DEV_ID) arg;
    // 处理中断
}

LOCAL STATUS myDriverAttach(VXB_DEV_ID pDev) {
    int irq = vxbIntConnect(pDev, 0, myIsr, pDev);
    if (irq != OK) {
        return ERROR;
    }
    vxbIntEnable(pDev, 0, myIsr, pDev);
    return OK;
}

5. DMA 和缓冲区管理

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对于网卡或存储控制器等高性能设备，直接内存访问（DMA）至关重要。

VxBus 提供了用于 DMA 安全内存分配的 API：

void * dmaBuf;
dmaBuf = cacheDmaMalloc(1024);
if (dmaBuf == NULL) {
    return ERROR;
}

📌 始终使用 cacheDmaMalloc() 或类似的 API 来确保缓存一致性。

6. 测试与调试

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用于驱动程序测试的常用 VxWorks 命令：

• -> devs – 列出所有已注册的设备。
• -> i2cShow / -> spiShow – 显示总线设备。
• -> d (0xADDRESS, 16) – 内存/寄存器值转储。

调试方法：

• 在早期开发阶段使用 printf。
• 启用 Wind River Workbench 或 WDB 调试器来设置断点。
• 添加 errnoGet() 检查以诊断错误。

实际案例：VxBus UART 驱动程序

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为了使 VxBus 驱动开发更具体，我们来创建一个简化的 UART 驱动程序。此示例假设有一个内存映射的 UART 设备，具有基本的发送（TX）和接收（RX）寄存器。

1. 设备树入口

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首先，在设备树中定义 UART：

uart0: serial@0x101f1000 {
    compatible = "simple,uart";
    reg = <0x101f1000 0x1000>;
    interrupts = <5 0>;
    clock-frequency = <48000000>;
};

这里：

• reg 定义了 UART 的基地址和大小。
• interrupts 指定了 IRQ 中断线。
• clock-frequency 提供了用于波特率计算的输入时钟频率。

2. 寄存器映射

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此示例假设 UART 具有以下寄存器：

3. 驱动程序实现

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#define UART_DR      0x00
#define UART_SR      0x04
#define UART_CR      0x08
#define UART_BAUD    0x0C

#define UART_SR_TX_READY  (1 << 0)
#define UART_SR_RX_READY  (1 << 1)
#define UART_CR_TX_EN     (1 << 0)
#define UART_CR_RX_EN     (1 << 1)

typedef struct {
    VXB_DEV_ID  dev;
    void * base;   // 映射的寄存器基地址
    int         irq;
} UART_DEV;

LOCAL void uartIsr(void * arg) {
    UART_DEV * pDrv = (UART_DEV *) arg;
    UINT32 sr = vxbRead32(pDrv->dev, (UINT32 *) (pDrv->base + UART_SR));

    if (sr & UART_SR_RX_READY) {
        char c = vxbRead8(pDrv->dev, (UINT8 *) (pDrv->base + UART_DR));
        printf("UART RX: %c\n", c);
    }
}

LOCAL STATUS uartProbe(VXB_DEV_ID pDev) {
    return OK; // 在此演示中始终声称支持
}

LOCAL STATUS uartAttach(VXB_DEV_ID pDev) {
    UART_DEV * pDrv = (UART_DEV *) vxbMemAlloc(sizeof(UART_DEV));
    if (!pDrv) return ERROR;

    pDrv->dev  = pDev;
    pDrv->base = (void *) vxbRegMap(pDev, 0, 0);
    pDrv->irq  = vxbIntConnect(pDev, 0, uartIsr, pDrv);

    // 启用 TX/RX
    vxbWrite32(pDev, (UINT32 *)(pDrv->base + UART_CR), UART_CR_TX_EN | UART_CR_RX_EN);

    // 配置波特率
    vxbWrite32(pDev, (UINT32 *)(pDrv->base + UART_BAUD), 48000000 / 115200);

    vxbDevSoftcSet(pDev, pDrv);
    return OK;
}

LOCAL STATUS uartDetach(VXB_DEV_ID pDev) {
    UART_DEV * pDrv = (UART_DEV *) vxbDevSoftcGet(pDev);
    if (!pDrv) return ERROR;

    vxbIntDisconnect(pDev, pDrv->irq, uartIsr, pDrv);
    vxbMemFree(pDrv);
    return OK;
}

LOCAL VXB_DRV_METHOD uartMethods[] = {
    { VXB_DEVMETHOD_CALL(vxbDevProbe),  uartProbe },
    { VXB_DEVMETHOD_CALL(vxbDevAttach), uartAttach },
    { VXB_DEVMETHOD_CALL(vxbDevDetach), uartDetach },
    VXB_DEVMETHOD_END
};

VXB_DRV uartDriver = {
    { NULL },
    "uartDriver",
    "简单 UART VxBus 驱动程序",
    VXB_BUSID_PLB,
    0,
    sizeof(UART_DEV),
    uartMethods,
    NULL,
    NULL,
    NULL
};

VXB_DRV_DEF(uartDriver);

4. 驱动程序注册

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将驱动程序添加到 BSP 初始化中：

IMPORT VXB_DRV uartDriver;

void sysHwInit(void) {
    vxbDevRegister(&uartDriver);
}

5. 测试 UART 驱动程序

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1. 启动系统并运行：

-> devs

您应该能看到 UART 设备被列出。

2. 通过写入 TX 寄存器发送数据：

UART_DEV * pDrv = (UART_DEV *) vxbDevSoftcGet(<device>);
vxbWrite8(pDrv->dev, (UINT8 *)(pDrv->base + UART_DR), 'A');

3. 当字符到达时，ISR 会将其打印到控制台。

VxBus 驱动开发的高级主题

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设备树叠加（Device Tree Overlays）

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无需重新构建 BSP，您可以通过应用 DTS 叠加来添加新的硬件支持——这非常适合原型设计。

电源管理

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现代 VxBus 驱动程序应支持挂起/恢复（suspend/resume）钩子，以应对对功耗敏感的设备。

多实例设备

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确保您的驱动程序能优雅地处理多个实例（例如，多个 I²C 控制器）。

错误恢复

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为瞬时故障（例如，总线错误、超时）实现重试逻辑。

VxBus 驱动程序的最佳实践

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✅ 保持驱动程序通用 – 避免硬编码特定于开发板的细节。 ✅ 使用标准 API – 遵循 VxBus 和 VxWorks 内核 API。 ✅ 记录接口 – 帮助未来的开发人员集成您的驱动程序。 ✅ 遵循模块化 – 分离硬件初始化、ISR 和数据处理。 ✅ 基准测试性能 – 在负载下测试延迟和吞吐量。

结论

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对于 VxWorks 工程师来说，使用 VxBus 开发驱动程序是一项必备技能。通过理解其架构、利用设备树并遵循最佳实践，您可以构建可移植、高效且面向未来的驱动程序。

从基本的驱动程序骨架到支持 DMA 的高级实现，掌握 VxBus 将为您构建稳定、高性能的嵌入式系统打开大门。