嵌入式面向对象 RT-Thread I/O 设备管理框架 设备驱动层

注：本文介绍性内容转载于《RT-Thread记录（十、全面认识 RT-Thread I/O 设备模型）》

注： 本次使用的开发板 ：

​ 兆易创新GD32F407VET6开发板

​ 雅特力科技AT32A403A开发板

一、RT-Thread 的 I/O设备管理

1.1 什么是 I/O 设备模型
1.2 I/O 设备模型框架解析
1.3 I/O 设备操作逻辑说明
1.4 I/O 设备模型框架用处

二、I/O 设备模型操作 API

2.1 I/O 设备控制块
2.2 创建 I/O 设备相关
2.3 访问 I/O 设备相关

三、新建 I/O 设备模型实例

3.1 设备驱动层编写
3.2 应用层测试

一、RT-Thread 的 I/O设备管理

我们先从基本概念说起，了解RT-Thread 对 I/O 设备的管理方式，以及 I/O 设备模型框架的用途：

1.1 什么是 I/O 设备模型

有些小伙伴在刚接触到这个概念的时候还不太明白， I/O 设备模型，IO口？IO口的模型？

注意这里的 I/O 指的是 Input/Output。I/O 设备，就是指的输入 / 输出设备。

所谓 I/O 设备模型，指的是 RT-Thread 把所有的 输入 / 输出设备当做一类对象，然后通过自己的一套体系对这类对象进行管理，这类 I/O 设备对象就可以认为是 I/O 设备模型。

RT-Thread 提供了一套模型框架用来对所有的输入/输出设备进行管理的，名叫 I/O 设备模型框架 ，其 位于硬件层和应用程序之间，包括IO设备管理层、设备驱动框架层和设备驱动层， 向上层层抽象，目标是针对各种不同的I/O设备提供给应用程序相同的接口,如下图：

内容太多，具体内容在 嵌入式面向对象学习 RT-Thread I/O 设备管理框架 设备驱动层

三、新建 I/O 设备模型实例

前面的大部分内容都是参考文章的东西，对于I/O 设备模型进行了大量的说明。接下来进行案例测试

RT-Thread 驱动都是在 drivers 目录下面：

我们在目录下新建一个文件，作为驱动示例：

我们写一个简单的基本框架：

1、创建一个设备；
使用 rt_device_create 创建一个设备，需要定义一个 rt_device_t 接口体接收设备设备句柄。

2、实现设备操作的函数：
实现设备对象中对于 设备操作的init，open，close,read,write,control等 函数。
3、注册设备到 I/O 设备管理器；
使用 rt_device_register 将设备注册到设备管理器。

在 drv_demo.c 中，我们实现如下代码：

其次，我们需要实现一下设备操作的函数：

最后，别忘了使用 INIT_BOARD_EXPORT 把设备初始化的代码加入板级硬件初始化：

设备模型实例代码：

#include <rtdevice.h>
#include <rtdbg.h>rt_err_t  demo_init(rt_device_t dev)
{rt_kprintf("demo_init ok!\n");return RT_EOK;
}
rt_err_t  demo_open(rt_device_t dev, rt_uint16_t oflag)
{rt_kprintf("demo_open ok!\n");return RT_EOK;
}
rt_err_t  demo_cloes(rt_device_t dev)
{rt_kprintf("demo_cloes ok!\n");return RT_EOK;
}rt_ssize_t demo_read(rt_device_t dev, rt_off_t pos, void *buffer, rt_size_t size)
{buffer = "this is device read example";rt_kprintf("read example: %s\n",buffer);return RT_EOK;
}
rt_ssize_t demo_write(rt_device_t dev, rt_off_t pos, const void *buffer, rt_size_t size)
{buffer = "this is device write example";rt_kprintf("write example: %s\n",buffer);return RT_EOK;
}
rt_err_t  demo_control(rt_device_t dev, int cmd, void *args)
{switch(cmd){case 0:rt_kprintf("this is demo_control example cmd-1!\n");	break;case 1:rt_kprintf("this is demo_control example  cmd-2!\n");	break;case 2:rt_kprintf("this is demo_control example  cmd-3!\n");	break;default:break;}
}int rt_drvdemo_init(void)
{rt_device_t demo_dev = RT_NULL;demo_dev = rt_device_create(RT_Device_Class_Char, 0);if(demo_dev == RT_NULL){LOG_E("demo device create failed...\n");return RT_ERROR;}demo_dev->init=demo_init;demo_dev->open=demo_open;demo_dev->close=demo_cloes;demo_dev->read = demo_read;demo_dev->write = demo_write;demo_dev->control =demo_control;rt_device_register(demo_dev,"drvdemo",RT_DEVICE_FLAG_RDWR);return 0;
}INIT_BOARD_EXPORT(rt_drvdemo_init);

上面我们完成的是 设备驱动层的 代码，接下来我们还需要简单演示一下，如果在应用层 使用这个 demo 设备。

我们根据上文所介绍的 访问 I/O 设备 进行对应操作，这里直接上图说明一下使用流程：

应用测试函数

rt_device_t dev = RT_NULL;void *read_buf;
void *write_buf;int main(void)
{dev = rt_device_find("drvdemo");rt_device_init(dev);rt_thread_mdelay(1000);rt_device_open(dev,RT_DEVICE_OFLAG_OPEN);rt_device_read(dev,0,read_buf,20);rt_device_write(dev,0,write_buf,20);rt_device_control(dev,0,RT_NULL);rt_device_close(dev);return RT_EOK;
}

看一下测试结果，我们实现的 3 个驱动函数都只有打印输出，所以我们可以通过打印信息查看是否正确执行的驱动函数的内容：

下面是在雅特力AT32开发板的测试结果。

（原本打算使用gd32去做实验的，但是从官方的MDK工程打开一直存在问题，然后就换了一块板子，进行测试，从这里可以发现，统一的API接口的好处，应用层无缝对接）

下面是在对于立创开发板GD32F407进行详细实验。

1. 下载rt-thread 源码
2. 寻找bsp-gd32工程，gd32有两个类型一个是arm,一个risc-v
3. 寻找立创开发板GD32F407模板工程 gd32f407v-lckfb
4. 使用env工具进行配置

5. 如果直接编译，会报一个错误bug，需要修改，解决方法是添加condvar.c文件即可。

6. 添加编写的drv_demo.c文件，完成设备驱动的添加

7. 编写应用层程序 测试

/** Copyright (c) 2006-2024, RT-Thread Development Team** SPDX-License-Identifier: Apache-2.0** Change Logs:* Date           Author       Notes* 2024-01-13     yuanzihao    first implementation*/#include <stdio.h>
#include <rtthread.h>
#include <rtdevice.h>
#include <board.h>/* defined the LED1 pin: PB2 */
#define LED_PIN GET_PIN(B, 2)
rt_device_t dev = RT_NULL;void *read_buf;
void *write_buf;
int main(void)
{int count = 1;dev = rt_device_find("drvdemo");rt_device_init(dev);rt_thread_mdelay(1000);rt_device_open(dev,RT_DEVICE_OFLAG_OPEN);rt_device_read(dev,0,read_buf,20);rt_device_write(dev,0,write_buf,20);rt_device_control(dev,1,RT_NULL);rt_device_close(dev);/* set LED1 pin mode to output */rt_pin_mode(LED_PIN, PIN_MODE_OUTPUT);while (count++){rt_pin_write(LED_PIN, PIN_HIGH);rt_thread_mdelay(500);//rt_kprintf("this is led_control on  [ok]!\n");	rt_pin_write(LED_PIN, PIN_LOW);rt_thread_mdelay(500);//rt_kprintf("this is led_control off [ok]!\n");	}return RT_EOK;
}

通过上面的测试，我们实现了一个简单的设备驱动的设计，虽然demo比较简单，但是经过这么一个过程可以让我们更加的理解 RT-Thread I/O 设备模型的工作方式和流程。

在这里，同时介绍一个开源项目mr-library。

mr-library 是一个开源项目，设备抽象层应该比RT-Thread更加轻量级，是一个学习设备框架，设备驱动，面向对象操作的好东西。

设备抽象层的开源库 mr-library

mr-library 框架是专为嵌入式系统设计的轻量级框架。充分考虑了嵌入式系统在资源和性能方面的需求。 通过提供标准化的设备管理接口，极大简化了嵌入式应用开发的难度，帮助开发者快速构建嵌入式应用程序。

框架为开发者提供了标准化的开启(open)、关闭(close)、控制(ioctl)、读(read)、写(write) 等接口。它将应用程序与底层硬件驱动进行解耦。应用程序无需了解驱动的实现细节。 当硬件发生改变时,只需要适配底层驱动,应用程序就可以无缝迁移到新硬件上。这大大提高了软件的可重用性和应对新硬件的可扩展性。

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关键特性

• 标准化的设备访问接口
• 应用程序和驱动开发解耦
• 简化底层驱动和应用程序开发
• 轻量易上手，资源占用低
• 模块化设计，各部分解耦合并独立开发，极低的硬件迁移成本
• 支持在裸机环境和操作系统环境下使用

主要组成

• 设备框架：提供设备访问标准接口
• 内存管理：动态内存管理
• 工具：链表、队列、平衡树等常用数据结构
• 各类功能组件

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标准化设备接口

设备的所有操作都可通过以下接口实现：

接口	描述
mr_dev_register	注册设备
mr_dev_open	打开设备
mr_dev_close	关闭设备
mr_dev_ioctl	控制设备
mr_dev_read	从设备读取数据
mr_dev_write	向设备写入数据

测试案例