單片機(jī)開發(fā)人員需要掌握的一項基本技能是，了解如何編寫驅(qū)動程序。在嵌入式系統(tǒng)中，通常有兩種類型的驅(qū)動程序：單片機(jī)外圍設(shè)備驅(qū)動程序和通過I2C，SPI或UART等接口連接的外部設(shè)備驅(qū)動程序。

如今，在許多情況下，單片機(jī)供應(yīng)商都提供了其芯片的示例驅(qū)動程序，這些驅(qū)動程序可以按原樣使用，或者可能需要進(jìn)行生產(chǎn)修改。外部驅(qū)動程序可能包含偽代碼，但是單片機(jī)開發(fā)人員幾乎總是自己編寫驅(qū)動程序。

針對這個問題，重要的是要意識到，我們有多種方法可以編寫驅(qū)動程序，并且編寫驅(qū)動程序的方式會極大地影響系統(tǒng)性能，能耗以及我們在開發(fā)產(chǎn)品時希望跟蹤的許多其他因素。在本文中，單片機(jī)開發(fā)工程師將探討幾種常見的單片機(jī)驅(qū)動程序設(shè)計模式，以及它們?nèi)绾斡绊憫?yīng)用程序代碼。

一、輪詢驅(qū)動程序

首先是開發(fā)驅(qū)動程序，用于對外圍設(shè)備進(jìn)行輪詢以查看其是否準(zhǔn)備發(fā)送或接收信息。輪詢驅(qū)動程序非常易于實現(xiàn)，因為它們通常只輪詢標(biāo)志而已。例如，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）驅(qū)動程序可能會啟動轉(zhuǎn)換序列，然后簡單地阻止處理器執(zhí)行并不斷檢查ADC完成標(biāo)志。這段代碼如下所示：

Adc_Start（）;
while（ADC_COMPLETE_FLAG == FALSE）;
AdcResults = Adc_ReadAll（）;
return AdcResults；

如上面的案例，代碼不斷輪詢ADC_COMPLETE_FLAG，大概將其映射到硬件位，以查看何時有數(shù)據(jù)可用。在將這樣的硬件測試稱為輪詢時，它會產(chǎn)生一些值得討論的特性。

首先，當(dāng)我們有一個使用輪詢的驅(qū)動程序時，在大多數(shù)實現(xiàn)中，該驅(qū)動程序?qū)⒊蔀樽枞?qū)動程序。這意味著一旦調(diào)用驅(qū)動程序，它將不會從驅(qū)動程序返回，直到獲得所需的結(jié)果為止。在其他實現(xiàn)中，我們只需讓驅(qū)動程序檢查一次結(jié)果然后返回即可。在這種情況下，應(yīng)用程序負(fù)責(zé)輪詢驅(qū)動程序，我們將認(rèn)為驅(qū)動程序是非阻塞的。從設(shè)計的角度來看，由開發(fā)人員決定應(yīng)在何處進(jìn)行輪詢。在驅(qū)動程序中可以減輕應(yīng)用程序的負(fù)擔(dān)，但是如果應(yīng)用程序這樣做，則可以靈活地執(zhí)行其他活動并以較低的速率輪詢驅(qū)動程序。

接下來，一般來說，輪詢非常容易實現(xiàn)。通常，開發(fā)人員所需要做的就是觀察寄存器中的幾位并監(jiān)視它們，以決定何時與設(shè)備進(jìn)行交互。最后，雖然易于實現(xiàn)，但通常認(rèn)為輪詢效率低下。其他技術(shù)（例如使用中斷）僅在需要執(zhí)行某些操作時才通知CPU，這會使輪詢效率非常低下。我經(jīng)常將民意調(diào)查與一個長途旅行中坐車的孩子不斷詢問“我們到了嗎？”聯(lián)系起來。輪詢不斷問：“你準(zhǔn)備好了嗎？現(xiàn)在怎么樣？現(xiàn)在？”。

這使我們可以使用中斷來實現(xiàn)更高效但稍微復(fù)雜的驅(qū)動程序。

二、中斷驅(qū)動程序

在驅(qū)動程序中使用中斷非常有用，因為它可以大大提高代碼執(zhí)行效率。中斷告訴處理器現(xiàn)在已經(jīng)準(zhǔn)備好驅(qū)動程序，而我們跳轉(zhuǎn)以處理該中斷，而不是不斷檢查是否該做某事。通常，我們可以使用兩種類型的中斷驅(qū)動程序機(jī)制：事件驅(qū)動程序和調(diào)度程序。當(dāng)外圍設(shè)備中發(fā)生需要處理的事件時，事件驅(qū)動的驅(qū)動程序?qū)⒂|發(fā)中斷。例如，我們可能有一個UART驅(qū)動程序，當(dāng)在緩沖區(qū)中接收到新字符時，該驅(qū)動程序?qū)⒂|發(fā)中斷。另一方面，我們可能有一個ADC驅(qū)動器，該驅(qū)動器使用計時器來安排訪問以開始采樣或處理接收到的數(shù)據(jù)。

使用中斷驅(qū)動的驅(qū)動程序雖然效率更高，但可能會增加設(shè)計的實現(xiàn)復(fù)雜性。首先，單片機(jī)開發(fā)人員需要啟用適當(dāng)?shù)闹袛嘁栽隍?qū)動程序中使用，例如接收，發(fā)送和緩沖區(qū)已滿。我通常發(fā)現(xiàn)，由于現(xiàn)代中斷控制器的復(fù)雜性，單片機(jī)開發(fā)人員很難使中斷起作用。它們通常需要在外圍設(shè)備級別的通用寄存器中設(shè)置中斷，然后有時甚至需要配置優(yōu)先級和其他設(shè)置。幾年前，我整理了有關(guān)配置中斷的分步指南，可以在此處下載。

接下來，使用中斷可能會導(dǎo)致需要遵循一些額外的因素。例如：

1.中斷時間短；

2.將共享變量聲明為volatile；

3.處理高優(yōu)先級項目，然后卸載到應(yīng)用程序進(jìn)行處理。

誰都不想在驅(qū)動程序中發(fā)生事件時，執(zhí)行數(shù)千行代碼的中斷。相反，應(yīng)該處理的是關(guān)鍵任務(wù)，例如從UART緩沖區(qū)中提取字符并將其放入應(yīng)用程序的循環(huán)緩沖區(qū)中。

最后，我們還需要擔(dān)心諸如中斷被禁用，中斷時序和運行速率，優(yōu)先級以及是否有可能錯過中斷之類的問題。盡管其中一些項目似乎不值得付出額外的復(fù)雜性，但執(zhí)行時間的改善卻是巨大的。例如，電池供電的設(shè)備可以進(jìn)入深度睡眠模式，僅喚醒后將字符存儲在緩沖區(qū)中，然后返回睡眠狀態(tài)。這樣做可以節(jié)省大量的電量。

在某些情況下，在驅(qū)動程序中使用中斷確實是處理外圍事件的最佳方法。例如，您可以編寫一個輪詢的I2C驅(qū)動程序，但編寫一個在傳輸序列中發(fā)生的不同事件（如ack，nack等）時中斷的驅(qū)動程序，則驅(qū)動程序?qū)⒏蓛簦。咝А?/p>

三、DMA驅(qū)動的驅(qū)動程序

有些驅(qū)動程序會通過I2S和SDIO等系統(tǒng)移動大量數(shù)據(jù)。在這些類型的接口上管理緩沖區(qū)可能需要CPU不斷采取措施。如果CPU落后或必須處理其他系統(tǒng)事件，則數(shù)據(jù)可能會丟失或延遲，這可能會給用戶帶來明顯的問題，例如音頻跳躍。與吞吐量相關(guān)的開發(fā)人員可以改用DMA控制器在單片機(jī)中為CPU移動數(shù)據(jù)。

這些驅(qū)動程序背后的想法是，DMA控制器可以通過以下方式在單片機(jī)周圍移動數(shù)據(jù)：

（1）外圍到內(nèi)存；

（2）內(nèi)存到內(nèi)存；

（3）內(nèi)存到外圍。

使用DMA的好處是，當(dāng)DMA通道為驅(qū)動程序移動數(shù)據(jù)時，CPU可以關(guān)閉其他操作，本質(zhì)上可以同時完成兩件事。

迫切需要在驅(qū)動程序中使用DMA控制器以減少執(zhí)行CPU的需要，但大多數(shù)單片機(jī)具有有限數(shù)量的可用DMA通道。因此，不能將每個驅(qū)動程序都編寫為使用DMA。取而代之的是，開發(fā)人員需要選擇帶寬受限的外圍設(shè)備，這些外圍設(shè)備將受益于DMA，例如外部存儲器，ADC和通信通道的接口。

在沒有I2S或SDIO的應(yīng)用程序中，開發(fā)人員可以使用DMA將傳入的UART字符移動到循環(huán)緩沖區(qū)中，一旦設(shè)置了特定限制，該緩沖區(qū)將被處理。可以通過輪詢應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)或通過DMA控制器設(shè)置中斷來監(jiān)視此限制。您可以想象，DMA驅(qū)動程序是驅(qū)動程序最有效的實現(xiàn)，但是根據(jù)開發(fā)人員的技術(shù)水平以及他們以前是否使用過DMA，實現(xiàn)起來也可能很復(fù)雜。但是，單片機(jī)開發(fā)人員可以嘗試在其驅(qū)動程序中使用DMA。

結(jié)論

在本文中，我們研究了嵌入式開發(fā)人員可以用來為單片機(jī)外圍設(shè)備和外部設(shè)備編寫驅(qū)動程序的三種主要技術(shù)。為了比較地總結(jié)這些技術(shù)，下表為我們討論的每種技術(shù)以及實現(xiàn)的相對復(fù)雜性和執(zhí)行效率。

通常，除非使用的外設(shè)速度很快（即幾Mbps），否則開發(fā)人員默認(rèn)情況下應(yīng)在輪詢實現(xiàn)上使用中斷驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)。DMA可以用于任何驅(qū)動程序，但是我通常為需要高吞吐量的接口（例如外部存儲器或通信接口）保留DMA通道。但是，怎么選擇在很大程度上取決于最終應(yīng)用程序。