QNX操作系统及网络设备驱动模块

摘要：介绍嵌入式操作系统QNX的微内核结构、基于io-net的网络子系统、网络设备驱动程序的组成；给出以以太网网设备驱动程序为例的详细说明，包括初始化、从网络设备接收数据，向网络设备发送数据和网络设备信息的统计。 关键词：QNX 网络 驱动程序 QNX是业界公认的X86平台上最好的嵌入式实时操作系统之一。它具有独一无二的微内核实时平台，建立在微内核和完全地址空间保护基础之上，实时、稳定、可靠，已经完成到PowerPC、MIPS、ARM等内核的移植，成为在国内广泛应用的嵌入式实时操作系统。本文简单介绍QNX内核和网络结构的特点，针对目前热门的网络应用环境，讨论QNX网络设备驱动程序的结构和编写。 1 QNX内核简介 QNX的微内核结构是它区别于其它操作系统的显著特点。目前嵌入式系统中，操作系统和应用程序之间的关系大概可以归纳为图1～图3所示的三种情况。 平板式内存结构，如图1所示，所有的程序都使用同一个地址空间，不加保护；应用程序可以自由访问所有空间，效率较高，但是任何应用程序指针错误都可能会导致内核崩溃。 大内核内存结构，如图2所示，操作系统内核和各种驱动程序、网络协议在同一个地址空间，应用程序在单独空间；内核模块同处于一个保护空间，运行效率高， 应用程序无法直接访问保护空间，系统稳定性大大提高。缺点是，由于内核模块（例如网络驱动)处于保护空间，因此调试困难，任何驱动程序的修改都要重新编译内核，无法做到驱动的动态加载和卸载。 QNX的微内核结构，如图3所示，内核独立自处于一个被保护的地址空间；驱动程序、网络协议和应用程序处地程序空间中。 微内核结构的优点：①驱动程序、网络协议、文件系统等操作系统模块和内核相互独立，任何模块的故障都不会导致内核的崩溃；②驱动程序、网络协议、文件系统和应用程序都处于程序空间，都调用相同的内核API，开发与调试和应用程序没有区别；③操作系统功能模块可以根据需要动态地加载或卸载，不需要编译内核。在高可靠性要求的情况下，可以编写监视模块，对可靠性要求高的模块进行监视，必要的时候重新启动或重新加载而无须重启系统。高可靠性的内核结构使QNX具备了高可靠性嵌入式操作系统的本质特征。 在具有高可靠性内核的基础上，QNX的创新设计使它同样具有很高的效率。QNX最为引人注目的地方是，它是UNIX的同胞异构体，保持了和UNIX的高度相似性，绝大多数UNIX或LINUX应用程序可以在QNX下直接编译生成。这意味着为数众多的稳定成熟的UNIX、LINUX应用可以直接移植到QNX这个更加稳定高效的实时嵌入式平台上来。 2 QNX网络结构 QNZ网络子系统由三个部分组成：网络管理模块（io-net）、网络协议模块（npm-qnet.so、npm-tcpip.so）、网络设备驱动模块（devn-ne2000.so）。 模块之间的层次关系如图4所示。 图4中的每个模块各自具有不同的功能，但是它们具有一些相同的属性。如：网络设备驱动、TCP/IP协议栈分别对上层io-net模块和应用程序产生数据，两者都可以被看作数据源；同时它们也接受上层发来的数据，又可以同时被看作数据的消费者。过滤模块对向上的数据进行筛选，分协议进行处理；对向下的数据则进行相应的转换，如进行网络地址转换NAT。转换模块负责不同协议帧结构的转换，在以太网的工作环境下，它就负责对IP数据报进行以太网帧的封装和解包。 和QNX其它服务进程一样，QNX的网络子系统也在内核外部空间运行。应用程序面对的是一个统一的网络接口，硬件相关的内容被完全包装在网络子系统内。 QNX网络子系统的三个子模块按层次分开，io-net模块处于中心，是QNX网络的核心和重点，其它模块都挂接在它上面。数据和信息的流动都必须经由io-net调度与转发，所有其它模块所面对的就是一个单一主体。这样的中心交换结构，屏蔽了各个模块间相互协调的复杂细节，在很大程序上方便了模块的编写工作；同时，io-net还是QNX的网络管理中心。任何网络协议和网络设备驱动程序都必须向io-net注册，由它来加载，并接受io-net的配置和管理，用户对网络状态的查询和管理也是通过io-net来实现的。 3 QNX网络设备驱动 QNX网络设备驱动模块处于网络硬件和io-net模块之间。驱动模块负责配置硬件使其正常工作，向io-net报告数据收发情况，接收和传递数据，接受io-net的调度和管理。QNX网络设备驱动程序依照以上功能，分为初始化、接收发送数据、网络设备信息统计几个功能块。要使网络设备工作正常，驱动程序就要对它进行一定的寄存器配置，同时，还要向QNX网络子系统注册自己，表明网络设备的存在和网络通信能力，才能为系统和应用程序所用。在初始化工作完成以后，网络设备就进入了工作状态，收发数据。设备信息的统计也是由设备驱动程序来完成的。 (1)初始化 初始化包括两个方面，一方面是初始化网络设备，使其正常工作；另一个方面，是向io-net正确注册驱动模块，表明自己的属性，方便上层正确操作。 网络设备的初始化工作和硬件紧密相关，这里就不一一描述。 驱动模块向io-net加载自己的时候，系统遵循如下工作流程： ①io-net搜索全局的符合io_net_dll_entry。它定义了驱动的初始化函数，io-net会直接调用这个函数。 ②初始化函数向io-net注册驱动和相应的函数。 ③初始化函数告诉io-net和它的模块自己的通信能力。 经过以上流程以后，io-net中就建立起有关此驱动程序的数据和函数调用列表。驱动程序必须正确编写初始化函数，并将该函数正确链接至io_net_dll_entry。 （2)从网络设备接收数据 当有包到达网络设备的时候，网络设备就会用某种方式通知驱动程序（例如中断），此时，驱动程序就要采取某种策略来处理到来的帧或数据。通常驱动程序这时候需要做以下工作： ①通过DMA将包取回来； ②做相应的必要处理，如通知网络设备释放当前帧的缓存，配置寄存器让网络设备等待下一帧到来等； ③通过调用io-net的tx_up_start()函数把包传递给上层模块。 当上层所有的模块都完成对这个包的处理以后，io-net调用我们驱动中的tx_done（）函数，它来做最后的处理工作。 tx_up_start（）函数是设备驱动中比较关键的函数，下面简要部分一下这个函数的入口参数。 npkt_t*(*tx_up_start)(int registrant_hdl， nptk_t *npkt, int off, int framelen_sub, uint16_t cell, uint 16_t endpoint, uint16_t iface， void *done_hdl) 其中:int registrant_hdl--本驱动在io-net中的句柄，注册时由io-net生成； nptk_t *npkt --需要处理的包的指针； int off--底层协议包头长度，如以太网帧头部长度； int framelen_sub--尾部填充的长度，对于以太网这个值为零； uint16_t cell、uint16_t endpoint--endpoint和cell是io-net在注册的时候分配的用来区别不同的驱动； uint16_t iface--接口号，可以让同一个驱动负现多个相同硬件； void *done_hdl--该指针指向tx_done（）函数需要的额外数据。 （3）向网络设备发送数据 当上层模块需要硬件传送包的时候，会调用io-net管理器的rx_down()函数。 int(*rx_down)(npkt_t*npkt， void *func_hdl） rx_down函数入口参数中，npkt是指向需要传送的数据的结构指针，func_hdl是相应驱动模块在io-net中的句柄。其中npt结构包含许多成员，其中的重要成员如表1所列。 表1 cell、endpoint、iface 需要处理该包的硬件标识 buffers 指向包的指针 tot_iov 包含数据包的所有I/O矢量 Framelen 所有数据的长度，以字节为单位 驱动模块在接收到io-net的调用后，就要配置网络设备，让它完成数据的发送工作。网络设备发送数据所需要的信息都会在相应的数据结构中，如net_buf_t结构中保存了等待传送的数据包的链接列表，配置DMA所需的物理地址在net_iov_t中等。驱动模块要等待硬件完成这些包的传送，并调用io-net的tx)done（）函数通知上层模块驱动程序已经完成了数据的发送。 4 网络设备信息的统计 应用程序或者用户可以通过网络信息接口nicinfo工具来了解网络工作状态。信息的查询都是通过io-net来进行的。驱动程序必须维护相应的状态数据，方便io-net的查询。网络设备有一些共同的状态属性，如收到和发出的包的个数、发送错误的包的个数等，不同的网络设备还会具有不同的属性和状态，这些都可以在驱动程序中用数据结构详细列明。 需要维护的数据结构中，主要的是Nic_t，它包括四个子结构； CustNicStats--网络信息入口； EthernesStats_t--以太网状态； GenStats_t--常用统计信息； NetStats_t--网络信息（包含常用统计信息）。 以上是驱动程序需要维护的数据。当用户或应用程序要查询这些信息的时候，它们就通过Nicinfo工具对/dev/io-net/en0调用devctl()函数来取得网络信息。信息的取得是必须通过io-net来完成的，io-net对信息的查询则是通过调用io_net_register_funs_t结构中所指向的函数来取得信息的。例： #include int generic_eth_devctl(void *hdl,int dcmd,void ＊data,size_t size,int ＊ret） { Nic_t ＊nic=(Nic_t ＊)hdl； int status; status=EOK; switch(dcmd){ case DCMD_IO_NET_NICINFO; memcpy(data,nic,min(size,sizeof(Nic_t))); break; default: status=ENOTSUP; break; } return(status）； } 结语 网络设备的驱动是网络系统的最低层和最基础的模块，是如今嵌入式开发中首先要解决的问题之一。由于QNX具有微内核的特点，其网络设备驱动程序的开发不需要内核调试，更适合初学者掌握。本文对QNX操作系统及网络设备驱动程序的介绍，可以帮助读者对相关内容作初步了解。