嵌入式系統/IO程式設計

如果嵌入式系統無法與外部世界通訊，它將毫無用處。為此，嵌入式系統需要採用I/O機制來接收外部資料，並將命令傳送回外部世界。很少有計算機科學課程會提及IO程式設計，儘管它是嵌入式系統程式設計的核心功能。因此，本章將作為I/O程式設計的速成課程，適用於有C語言背景的讀者，也適用於沒有C語言背景的讀者。

程式設計IO匯流排

在程式設計IO匯流排控制時，有5種主要的處理方法：主執行緒輪詢、多執行緒輪詢、中斷方法、中斷+執行緒方法以及使用DMA控制器。

主執行緒輪詢

在這種方法中，無論何時有輸出準備傳送，您都檢查匯流排是否空閒，然後傳送它。根據匯流排的工作方式，傳送它可能需要很長時間，在此期間您可能無法執行其他操作。輸入的工作原理類似：每隔一段時間，您檢查匯流排以檢視是否有輸入。

優點

• 易於理解

缺點

• 效率非常低，尤其是在需要手動將資料推送到總線上時（而不是透過DMA）。
• 如果您需要手動推送資料，那麼您將無法執行其他操作，這可能會導致即時硬體出現問題。
• 根據輪詢頻率和輸入頻率，您可能會因為處理速度不夠快而丟失資料。

一般來說，此係統僅應在IO僅在不頻繁的間隔內發生時，或者在有更重要的事情需要處理時可以將其推遲的情況下使用。如果您的系統支援多執行緒或中斷，您應該使用其他技術。

多執行緒輪詢

在這種方法中，我們啟動一個特殊的執行緒來進行輪詢。如果輪詢時沒有IO，它會將自己休眠預定義的時間。如果有IO，它會在IO執行緒上處理IO，從而允許主執行緒執行所需的操作。

優點

• 不會推遲主執行緒
• 允許您透過更改執行緒的優先順序來定義IO的重要性

缺點

• 效率仍然有點低
• 如果IO頻繁發生，您的輪詢間隔可能太小，無法讓您充分休眠，從而導致其他執行緒飢餓。
• 如果您的執行緒優先順序太低，或者作業系統執行緒過多，導致作業系統無法及時喚醒執行緒，則可能會丟失資料。
• 需要支援執行緒的作業系統

此技術非常適合您的系統支援執行緒，但不支援中斷或已用盡中斷。當需要頻繁的IO時，它並不適用- 如果間隔太小，作業系統可能無法正確休眠執行緒，並且您將新增每次輪詢兩個上下文切換的開銷。

中斷架構

（中斷架構使用中斷，我們將在本章嵌入式系統/中斷中詳細討論）。

在這種方法中，匯流排在IO準備就緒時向處理器發出中斷。然後處理器跳轉到一個特殊函式，並放棄它正在執行的其他操作。特殊函式（稱為中斷處理程式或中斷服務例程）處理所有IO，然後返回到它正在執行的操作。

優點

• 效率很高
• 非常簡單，只需要一個函式

缺點

• 如果處理IO需要很長時間，您可能會使其他操作飢餓。如果您的處理程式遮蔽中斷，這尤其危險，因為這會導致您錯過來自即時硬體的硬體中斷。
• 如果您的處理程式花費的時間太長，以至於在您處理現有輸入之前就緒了更多輸入，則可能會丟失資料。

只要處理IO是一個短暫的過程，此技術就很棒，例如，您只需要設定DMA。如果這是一個漫長的過程，請使用多執行緒輪詢或中斷與執行緒。

中斷和執行緒

我們在嵌入式系統/中斷中更詳細地討論了此技術。

在這種技術中，您使用中斷來檢測何時IO準備就緒。您不是直接處理IO，而是中斷向執行緒發出訊號，告知IO已準備就緒，並讓該執行緒處理IO。向執行緒發出訊號通常透過訊號量完成 - 訊號量初始化為佔用狀態。IO執行緒嘗試獲取訊號量，該操作會失敗，作業系統會將其休眠。當IO準備就緒時，中斷會觸發並釋放訊號量。然後執行緒會醒來，處理IO，然後再嘗試獲取訊號量並被重新休眠。

中斷向量指向的例程是“一級中斷處理程式”。作業系統隨後喚醒的處理其餘工作的執行緒是“二級中斷處理程式”。

優點

• 最低延遲 - 與所有其他中斷在該中斷完全處理之前被停用不同，中斷會在儘可能快的時間（在一級中斷處理程式結束時）重新啟用。
• 不會推遲主執行緒
• 允許您透過更改執行緒的優先順序來定義IO的重要性
• 效率很高 - 僅在需要時進行上下文切換，並且不會進行輪詢。
• 從架構上來說這是一個非常乾淨的解決方案，允許您在處理IO的方式上非常靈活。
• 二級中斷處理程式可以等待鎖被釋放 (嵌入式系統/鎖和臨界區).

缺點

• 需要支援執行緒的作業系統
• 最複雜的解決方案

此解決方案是最靈活的，也是效率最高的解決方案之一。它還最大限度地降低了使更重要的任務飢餓的風險。它可能是當今最常用的方法。

DMA (直接記憶體訪問) 控制器

在某些特殊情況下，例如，當必須將一組資料傳輸到通訊IO裝置時，可能存在DMA控制器，它可以自動檢測何時IO裝置準備接收更多資料，並傳輸該資料。此技術可以與許多其他技術一起使用，例如，當資料傳輸完成時可以使用中斷。

優點

• 這提供了最佳的效能，因為I/O可以與其他程式碼執行並行發生。

缺點

• 僅適用於有限範圍的問題
• 並非所有系統都具有DMA控制器。這在更基本的8位微控制器中尤其如此。
• 並行性質可能會使系統複雜化

Dos.h

Dos.h標頭檔案通常包含在許多C發行版中，尤其是在DOS和Windows系統上。此檔案包含有關許多不同例程的資訊，但最重要的是，它包含可用於從C程式直接提供埠輸出的inp() 和 outp() 函式的原型。但是，許多嵌入式系統在其庫中沒有Dos.h標頭檔案，也沒有任何預編譯的C例程來處理埠輸入和輸出。因此，本章的目的是教讀者如何“自己編寫”輸入和輸出例程。

<iohw.h> 介面

一些 C 編譯器發行版包含 <iohw.h> 介面。它允許編寫相對可移植的硬體裝置驅動程式程式碼。它用於實現標準 C++ <hardware> 介面。

x86 輸出例程

x86 指令集包含 2 條指令：in 和 out，這兩個函式都接受 2 個引數，一個埠號，然後是另一個引數來接收資料或傳送資料（取決於你使用哪條命令）。

我們可以使用 CDECL 呼叫約定在彙編中定義 2 個函式，這些函式可以與我們的 C 程式連結，並從我們的 C 程式中呼叫來處理埠輸出和輸入。

同步和非同步

資料可以同步或非同步傳輸。同步傳輸是指使用時鐘訊號傳送的傳輸。這樣接收器就能準確地知道每個位元的開始和結束位置。這樣，對噪聲和抖動的敏感性就會降低。此外，同步傳輸通常需要發射器和接收器之間進行廣泛的握手，以確保所有時序機制同步在一起。相反，非同步傳輸是在沒有時鐘訊號的情況下發送的，並且通常沒有太多握手。