轻量级设备驱动框架设计与实现

轻量级设备驱动框架设计与实现

一、设计目标与原则

1.1 设计目标

• 轻量化：最小化代码体积和资源占用
• 跨平台：支持多种操作系统和硬件平台
• 易扩展：方便添加新设备和功能
• 标准化：统一的设备操作接口

1.2 设计原则

• 模块化设计
• 线程安全
• 接口统一
• 错误处理完善

二、核心组件设计

2.1 设备管理器

struct list_head header = LIST_HEAD_INIT(header);

/* 设备查找 */
usr_device_t usr_device_find(const char *name)
{
    struct list_head *pos = NULL;
    taskENTER_CRITICAL();
    
    list_for_each(pos, &header) {
        usr_device_t dev = container_of(pos, struct usr_device, list);
        if(strncmp(dev->name, name, DEV_NAME_MAX) == 0) {
            taskEXIT_CRITICAL();
            return dev;
        }
    }
    
    taskEXIT_CRITICAL();
    return NULL;
}

2.2 设备注册机制

int usr_device_register(usr_device_t dev, const char *name)
{
    /* 检查设备名是否已存在 */
    if(usr_device_find(name) != NULL)
        return SL_ERROR;

    /* 初始化设备名称 */
    strncpy(dev->name, name, DEV_NAME_MAX);

    /* 初始化链表节点并添加到全局链表 */
    INIT_LIST_HEAD(&(dev->list));
    taskENTER_CRITICAL();
    list_add_tail(&dev->list, &header);
    taskEXIT_CRITICAL();

    return SL_EOK;
}

2.3 设备操作接口

/* 设备初始化 */
int usr_device_init(usr_device_t dev)
{
    if(device_init != NULL)
        return device_init(dev);
    return SL_EOK;
}

/* 设备读取操作 */
int usr_device_read(usr_device_t dev, int pos, void *buffer, int size)
{
    if(device_read != NULL)
        return device_read(dev, pos, buffer, size);
    return 0;
}

/* 设备写入操作 */
int usr_device_write(usr_device_t dev, int pos, const void *buffer, int size)
{
    if(device_write != NULL)
        return device_write(dev, pos, buffer, size);
    return 0;
}

/* 设备控制操作 */
int usr_device_control(usr_device_t dev, int cmd, void *args)
{
    if(device_control != NULL)
        return device_control(dev, cmd, args);
    return SL_ERROR;
}

三、回调机制实现

3.1 接收回调设置

int usr_device_set_rx_indicate(usr_device_t dev, 
    int (*rx_indicate)(usr_device_t dev, int size))
{
    taskENTER_CRITICAL();
    dev->rx_indicate = rx_indicate;
    taskEXIT_CRITICAL();
    return SL_EOK;
}

3.2 发送完成回调设置

int usr_device_set_tx_complete(usr_device_t dev,
    int (*tx_complete)(usr_device_t dev, void *buffer))
{
    taskENTER_CRITICAL();
    dev->tx_complete = tx_complete;
    taskEXIT_CRITICAL();
    return SL_EOK;
}

四、实际应用示例

4.1 串口设备实现

struct uart_device {
    struct usr_device parent;    /* 继承基类设备 */
    int port;                    /* 串口号 */
    int baudrate;                /* 波特率 */
    uint8_t *rx_buffer;          /* 接收缓冲区 */
    uint8_t *tx_buffer;          /* 发送缓冲区 */
    int rx_size;                 /* 接收缓冲区大小 */
    int tx_size;                 /* 发送缓冲区大小 */
};

/* 串口初始化实现 */
static int uart_init(usr_device_t dev)
{
    struct uart_device *uart = (struct uart_device *)dev;
    
    /* 分配缓冲区 */
    uart->rx_buffer = malloc(UART_BUFFER_SIZE);
    uart->tx_buffer = malloc(UART_BUFFER_SIZE);
    if (!uart->rx_buffer || !uart->tx_buffer)
        return SL_ERROR;
        
    /* 配置串口硬件 */
    return uart_hw_init(uart);
}

/* 串口读取实现 */
static int uart_read(usr_device_t dev, int pos, void *buffer, int size)
{
    struct uart_device *uart = (struct uart_device *)dev;
    return uart_hw_read(uart, buffer, size);
}

/* 串口写入实现 */
static int uart_write(usr_device_t dev, int pos, const void *buffer, int size)
{
    struct uart_device *uart = (struct uart_device *)dev;
    return uart_hw_write(uart, buffer, size);
}

4.2 使用示例

int main()
{
    struct uart_device uart;
    char buffer[128];
    
    /* 初始化串口设备 */
    memset(&uart, 0, sizeof(uart));
    uart.parent.init = uart_init;
    uart.parent.read = uart_read;
    uart.parent.write = uart_write;
    uart.port = 1;
    uart.baudrate = 115200;
    
    /* 注册设备 */
    if (usr_device_register(&uart.parent, "uart1") != SL_EOK) {
        printf("设备注册失败\n");
        return -1;
    }
    
    /* 初始化设备 */
    if (usr_device_init(&uart.parent) != SL_EOK) {
        printf("设备初始化失败\n");
        return -1;
    }
    
    /* 设置接收回调 */
    usr_device_set_rx_indicate(&uart.parent, uart_rx_callback);
    
    /* 读写操作 */
    usr_device_read(&uart.parent, 0, buffer, sizeof(buffer));
    usr_device_write(&uart.parent, 0, "Hello", 5);
    
    return 0;
}

五、错误处理与调试

5.1 错误码定义

#define SL_EOK      0    /* 成功 */
#define SL_ERROR   -1    /* 一般错误 */
#define SL_EBUSY   -2    /* 设备忙 */
#define SL_ETIMEOUT -3   /* 超时错误 */

5.2 调试接口

#ifdef DEBUG
#define DEV_DEBUG(fmt, args...)  printf("[DEV] "fmt, ##args)
#else
#define DEV_DEBUG(fmt, args...)
#endif

六、性能优化建议

1. 合理使用互斥锁，避免长时间持有
2. 优化设备查找算法
3. 使用合适的缓冲区大小
4. 实现设备休眠机制
5. 异步操作支持

七、注意事项

1. 设备名称唯一性检查
2. 资源释放和内存管理
3. 回调函数的线程安全性
4. 错误处理的完整性
5. 跨平台兼容性