嵌入式系统/IO编程

如果嵌入式系统无法与外部世界通信，它将毫无用处。为此，嵌入式系统需要采用I/O机制来接收外部数据，并将命令发送回外部世界。很少有计算机科学课程会提及IO编程，尽管它是嵌入式系统编程的核心功能。因此，本章将作为I/O编程的速成课程，适用于有C语言背景的读者，也适用于没有C语言背景的读者。

编程IO总线

在编程IO总线控制时，有5种主要的处理方法：主线程轮询、多线程轮询、中断方法、中断+线程方法以及使用DMA控制器。

主线程轮询

在这种方法中，无论何时有输出准备发送，您都检查总线是否空闲，然后发送它。根据总线的工作方式，发送它可能需要很长时间，在此期间您可能无法执行其他操作。输入的工作原理类似：每隔一段时间，您检查总线以查看是否有输入。

优点

• 易于理解

缺点

• 效率非常低，尤其是在需要手动将数据推送到总线上时（而不是通过DMA）。
• 如果您需要手动推送数据，那么您将无法执行其他操作，这可能会导致实时硬件出现问题。
• 根据轮询频率和输入频率，您可能会因为处理速度不够快而丢失数据。

一般来说，此系统仅应在IO仅在不频繁的间隔内发生时，或者在有更重要的事情需要处理时可以将其推迟的情况下使用。如果您的系统支持多线程或中断，您应该使用其他技术。

多线程轮询

在这种方法中，我们启动一个特殊的线程来进行轮询。如果轮询时没有IO，它会将自己休眠预定义的时间。如果有IO，它会在IO线程上处理IO，从而允许主线程执行所需的操作。

优点

• 不会推迟主线程
• 允许您通过更改线程的优先级来定义IO的重要性

缺点

• 效率仍然有点低
• 如果IO频繁发生，您的轮询间隔可能太小，无法让您充分休眠，从而导致其他线程饥饿。
• 如果您的线程优先级太低，或者操作系统线程过多，导致操作系统无法及时唤醒线程，则可能会丢失数据。
• 需要支持线程的操作系统

此技术非常适合您的系统支持线程，但不支持中断或已用尽中断。当需要频繁的IO时，它并不适用- 如果间隔太小，操作系统可能无法正确休眠线程，并且您将添加每次轮询两个上下文切换的开销。

中断架构

（中断架构使用中断，我们将在本章嵌入式系统/中断中详细讨论）。

在这种方法中，总线在IO准备就绪时向处理器发出中断。然后处理器跳转到一个特殊函数，并放弃它正在执行的其他操作。特殊函数（称为中断处理程序或中断服务例程）处理所有IO，然后返回到它正在执行的操作。

优点

• 效率很高
• 非常简单，只需要一个函数

缺点

• 如果处理IO需要很长时间，您可能会使其他操作饥饿。如果您的处理程序屏蔽中断，这尤其危险，因为这会导致您错过来自实时硬件的硬件中断。
• 如果您的处理程序花费的时间太长，以至于在您处理现有输入之前就绪了更多输入，则可能会丢失数据。

只要处理IO是一个短暂的过程，此技术就很棒，例如，您只需要设置DMA。如果这是一个漫长的过程，请使用多线程轮询或中断与线程。

中断和线程

我们在嵌入式系统/中断中更详细地讨论了此技术。

在这种技术中，您使用中断来检测何时IO准备就绪。您不是直接处理IO，而是中断向线程发出信号，告知IO已准备就绪，并让该线程处理IO。向线程发出信号通常通过信号量完成 - 信号量初始化为占用状态。IO线程尝试获取信号量，该操作会失败，操作系统会将其休眠。当IO准备就绪时，中断会触发并释放信号量。然后线程会醒来，处理IO，然后再尝试获取信号量并被重新休眠。

中断向量指向的例程是“一级中断处理程序”。操作系统随后唤醒的处理其余工作的线程是“二级中断处理程序”。

优点

• 最低延迟 - 与所有其他中断在该中断完全处理之前被禁用不同，中断会在尽可能快的时间（在一级中断处理程序结束时）重新启用。
• 不会推迟主线程
• 允许您通过更改线程的优先级来定义IO的重要性
• 效率很高 - 仅在需要时进行上下文切换，并且不会进行轮询。
• 从架构上来说这是一个非常干净的解决方案，允许您在处理IO的方式上非常灵活。
• 二级中断处理程序可以等待锁被释放 (嵌入式系统/锁和临界区).

缺点

• 需要支持线程的操作系统
• 最复杂的解决方案

此解决方案是最灵活的，也是效率最高的解决方案之一。它还最大限度地降低了使更重要的任务饥饿的风险。它可能是当今最常用的方法。

DMA (直接内存访问) 控制器

在某些特殊情况下，例如，当必须将一组数据传输到通信IO设备时，可能存在DMA控制器，它可以自动检测何时IO设备准备接收更多数据，并传输该数据。此技术可以与许多其他技术一起使用，例如，当数据传输完成时可以使用中断。

优点

• 这提供了最佳的性能，因为I/O可以与其他代码执行并行发生。

缺点

• 仅适用于有限范围的问题
• 并非所有系统都具有DMA控制器。这在更基本的8位微控制器中尤其如此。
• 并行性质可能会使系统复杂化

Dos.h

Dos.h头文件通常包含在许多C发行版中，尤其是在DOS和Windows系统上。此文件包含有关许多不同例程的信息，但最重要的是，它包含可用于从C程序直接提供端口输出的inp() 和 outp() 函数的原型。但是，许多嵌入式系统在其库中没有Dos.h头文件，也没有任何预编译的C例程来处理端口输入和输出。因此，本章的目的是教读者如何“自己编写”输入和输出例程。

<iohw.h> 接口

一些 C 编译器发行版包含 <iohw.h> 接口。它允许编写相对可移植的硬件设备驱动程序代码。它用于实现标准 C++ <hardware> 接口。

x86 输出例程

x86 指令集包含 2 条指令：in 和 out，这两个函数都接受 2 个参数，一个端口号，然后是另一个参数来接收数据或发送数据（取决于你使用哪条命令）。

我们可以使用 CDECL 调用约定在汇编中定义 2 个函数，这些函数可以与我们的 C 程序链接，并从我们的 C 程序中调用来处理端口输出和输入。

同步和异步

数据可以同步或异步传输。同步传输是指使用时钟信号发送的传输。这样接收器就能准确地知道每个比特的开始和结束位置。这样，对噪声和抖动的敏感性就会降低。此外，同步传输通常需要发射器和接收器之间进行广泛的握手，以确保所有时序机制同步在一起。相反，异步传输是在没有时钟信号的情况下发送的，并且通常没有太多握手。