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【2024-RSOC】RT-Thread设备驱动框架(Day4)

发布于 2024-07-29 20:06:43 浏览：516 订阅该版

[tocm]

## RT-ThreadI/O设备框架概念

### 驱动开发问题思考

>不同厂家的MCU关于SPI接口API的设计都不一样,代码也不一样
>那么对于程序员来说，当需要更换某个模块的时候还要重新学一次代码这样就太麻烦了

![image-20240726205511622.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240729/df4274e63b6d09391a9eec7a68a5f52d.png.webp)

使用了SPI统一API将设备驱动跟SPi驱动分开
使得：
```
- 更换MCU只需要改变对应的对接驱动
- 重新驱动设备，只需要重新编写设备驱动相关的代码
- 同一API接口，学习成本低
- 分离后设备驱动可以入库，供公司其他项目使用，减少碎片化开发，防止反复造轮子
- 代码框架会变复杂，但是从上面的优点来看是值得的
```

RT-Thread尽量将代码进行合适的分离，达到代码复用的效果，于是就有了框架

### 框架演进

![image-20240726205933248.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240729/c6c66395e9baebcd86fe28cb974ccafe.png.webp)

![image-20240726210048366.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240729/e21d97f38d1c0bc60a7b7425783490f3.png.webp)

可以看到经过几次的改进，框架中出现了一个I/O层，这个东西将硬件跟上层开发分开来，使得我们开发可以更专注于某个层级

### 驱动框架分析

看完了框架图，再看下代码方面，下图则是专注于I/O以下部分的代码

所有的设备都可以用rt_device表示,只需要继承下来在对设备具体的功能进行编写就好了

![image-20240726210235619.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240729/5e0ff256ed015c698f91ed815cb06113.png.webp)

![image-20240727040428378.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240729/961469f6fa2ae020201719e2a05b4697.png.webp)

RT-Thread驱动框架层里面就已经写好了一些常用的驱动设备类比如说：
SPI I2C GPIO RTC WDG特定API
所以我们接下来先学习如何使用这些类
### I/O框架

下图是针对I/O框架在应用层的使用，为了跟上面的图区分开特地说下,防止搞乱了

![image-20240727033629596.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240729/936260de399785abc9ae41eb012f0722.png.webp)

I/O提供一套接口open write read control close
我们在使用的时候就按照这个顺序调用我们需要设备驱动就可以了

然后我们还需要了解一些概念
下图是RT-Thread支持的设备驱动类型

![image-20240727234610772.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240729/0a64a190a1776c9ec5e2e126ffe5ce7a.png.webp)

### 字符设备和块设备的特点与区别：

- 字符设备：提供连续的数据流，应用程序可以顺序读取，通常不支持随机存取。相反，
此类设备支持按字节/字符来读写数据。举例来说，键盘、串口、调制解调器都是典型的字符设备
- 块设备：应用程序可以随机访问设备数据，程序可自行确定读取数据的位置。硬盘、
软盘、CD-ROM驱动器和闪存都是典型的块设备，应用程序可以寻址磁盘上的任何位置，并由此读取数据。此外，数据的读写只能以块(通常是512B)的倍数进行。与字符设备不同，块设备并不支持基于字符的寻址。

总结一下，这两种类型的设备的根本区别在于它们是否可以被随机访问。字符设备只能顺序读取，块设备可以随机读取。

### 为什么要对设备分类

MSH可以重定向到任意的字符设备上，例如将lcd模拟成字符设备，就可以将打印输出到LCD上，或者是实现一套空字符设备，将msh重定向到这里。
Fatfs文件系统依赖块设备驱动，我们将SD卡读写实现成块设备，但是也可以用ram 来模拟块设备驱动，
不同的组件和应用会依赖不同的设备，对设备进行分类，可以做到对一类设备同样的控制

串口设备（RTDeviceClassChar） 
SDIO 网卡 （RT_Device_Class_SDIO)
CS43L22(音频codec）（RT_Device_Class_Sound) 
GPIO (RT Device Class Pin)
LCD屏幕（RT_Device_Class_Graphic）
录音驱动（RTDeviceClassSound）

## 代码实践

接下来简单实现一下创建自己的设备驱动

正如上面的框架图，创建设备驱动应该是要包括I/O层及往下的实现

作为应用层和硬件层的桥梁，我们要根据RT-Thread给我们提供的一套规范实现I/O 设备以及 I/O 设备管理接口

这样应用层才可以通过桥梁找到设备并使用他
#### 创建I/O 设备

注册一个名为dev的字符设备,相当于告诉RT-Thread我要建一座桥，桥在这里，大概的框架长什么样之类的

![image-20240728012100925.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240729/29412d9329483e0286b55870ae0fa0d9.png)

![image-20240728012304205.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240729/4e0609d19a7aa2b2791cb9edd8c692a7.png)

编写好创建的代码后就可以编译运行了，之后在终端输入rt_device_test就可以运行这段代码了
list device可以查看当前以及创建了的设备驱动

### 相关API

```
- rt_device_t rt_device_create(int type, int attach_size);
- void rt_device_destroy(rt_device_t device);
- rt_err_t rt_device_register(rt_device_t dev, const char* name,rt_uint8_t flags);
- rt_err_t rt_device_unregister(rt_device_t dev);

```

![image-20240728011916370.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240729/a98ed98db9c8451566093d6fbe3b1e35.png.webp)

### 创建I/O 设备管理接口

在写代码前，我们先来看下刚才创建的rt_device里面有什么

首先是一个基类对象，这里跟上面的框架分析里的类继承图是对应上的
然后是另一个比较重点的ops，设备操作方法
这个RT-Thread提供的一套I/O 设备管理接口规范，主要是让建好的桥梁可以跟应用层对接上

![image-20240728015557645.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240729/6fc5188284492b2c0125196e4960cd67.png.webp)

代表了设备的一些操作，可以看到他们都是函数指针，意味着我们要自己实现里面的函数并让这些指针指向实现的函数，这样应用层就可以使用了

![image-20240728015456142.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240729/6eee5e2d4793739a08d7740dcbb5f2e4.png)

![image-20240728020341553.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240729/e20cb4e6979c09d710721d72a01b4e96.png)

比如说，当应用层调用rt_device_init，其实就是调用了另一个函数init

## I2C总线

常见的I2C总线以传输速率的不同分为不同的模式：
低速模式：10Kbit/s
标准模式：100Kbit/s
快速模式：400Kbit/s
高速模式：3.4Mbit/s

I2C主要是用来跟一些如传感器、EEPROM、RTC之类的设备进行通信

下图是可以看到三根横线代表了Vdd，SDA，SCL，然后主控作为Master主机发送，Slave外部设备接收数据，Vdd可以暂时不管，一般来说就是一根3.3V的线

![image-20240728062306783.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240729/155adcb2a964efdc143e7c38404b7d6b.png)

接下来看下SDA和SCL线，这是主要负责I2C的

>起始位和结束位：
> > 起始位（S）：在SCL为高电平时，SDA由高电平变为低电平
> > 结束位（P）：在SCL为高电平时，SDA由低电平变为高电平

通过改变SDA和SCL的高低电平即可实现数据传输

![image-20240729025245236.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240729/a31c93d630e0aacc081bb91dfad5f9c3.png)

然后就是实现数据传输还要遵循I2C的传输协议

![image-20240728062321554.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240729/ff55602d620ebe32ae7b36336e596ca1.png)

从上面的主从机图来看，可以发现I2C总线上可能不单单挂着一个设备
那么跟设备通讯就需要从设备地址

所以一开始需要主设备发送从设备地址，然后从设备收到后知道是来找他的那么就返回一个ACK响应，并准备接收数据，然后主设备就发数据，发完后，从设备发个响应确认接收完毕，那么这次的的数据传输就结束了

应答和非应答需要的高低电平:
- 应答（ACK）：拉低SDA线，并在SCL为高电平期间保持SDA线为低电平
- 非应答（NOACK）：不要拉低SDA线（此时SDA线为高电平），并在SCL为高电平期间保持SDA线为高电平
### 代码实践

单独的文字理解起来比较模糊，还是敲下代码容易理解点

首先到menuconfig开启想要的I2C

![image-20240729190037227.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240729/f85d3c27c98b862e2732a9e2271147d4.png)

之后就可以通过rt_device_find找到这个驱动
```
#include <rtthread.h>

#include <rtdevice.h>

#define LOG_TAG "i2c.app"

#define LOG_LVL LOG_LVL_DBG

#include <ulog.h>

void i2c_sample(void)

{

struct rt_i2c_bus_device *i2c_bus;

struct rt_i2c_msg msgs;

rt_uint8_t buf[2];

i2c_bus=(struct rt_i2c_bus_device *)rt_device_find("i2c2");//查找I2C

if(i2c_bus==RT_NULL)

{
        LOG_E("can′t find %s device!\n","i2c2");
        return -1;
    }

buf[0]=0x6B;//要传输的数据

msgs.addr = 0x68;//传输地址

msgs.flags - RT_I2C_WR;

msgs.buf= buf;//将数组传给rt_i2c_msg

msgs.len =1;

if(rt_i2c_transfer(i2c_bus, &msgs, 1) == 1)

LOG_I("write success!");

else

LOG_E("write failed!");
}
MSH_CMD_EXPORT(i2c_sample, i2c_sample);
```

### 一些可能的问题

i2c总线死锁：

>I2C 主设备启动传输前，先控制 I2C 中的 SCL 时钟线产生 9 个时钟脉冲（针对8位数据的情况）这样I2C从设备就可以完成被挂起的读操作，从死锁状态中恢复过来。
## SPI总线

>SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种高速、全双工、同步通信总线，常用于短距离通讯，主要应用于 EEPROM、FLASH、实时时钟、AD 转换器、还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。

![image-20240729050143298.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240729/47adb762ca205fdacb646a85bb0e7aa6.png)

>在 RT-Thread 中，SPI 设备分为 “SPI 总线”和“ SPI 设备”两大类，SPI 总线对应 SPI 控制器，SPI 设备对应不同 CS 连接的从设备，使用前需要先注册 SPI 总线，再把从设备挂载到总线上。

![image-20240729050238237.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240729/9ce3cfee3d1459880adfa9867bcc5ac4.png)

### 代码实践

![image-20240729190856912.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240729/e806de5ed7c484eafb128980e235848a.png)

打开对应外设,然后测试下代码

```
#include <rtthread.h>

#include <rtdevice.h>

#include <drv_gpio.h>

#define LOG_TAG "i2c.app"

#define LOG_LVL LOG_LVL_DBG

#include <ulog.h>

static int spi_attach(void)
{
    return rt_hw_spi_device_attach("spi2","spi20",GET_PIN(B,12));
}

INIT_DEVICE_EXPORT(spi_attach);

static int spi_transfor_one_data(void){

rt_err_t ret=RT_EOK;

struct rt_spi_device* spi20=(struct rt_spi_device*)rt_device_find("spi20");

struct rt_spi_configuration cfg;

cfg.data_width =8;

cfg.mode=RT_SPI_MASTER|RT_SPI_MODE_0|RT_SPI_MSB;

cfg.max_hz=1*1000*1000;

rt_spi_configure(spi20,&cfg);

rt_uint8_t sendBuff =0xDA;

rt_uint8_t recvBuff=0xF1;

ret=rt_spi_transfer(spi20,&sendBuff,&recvBuff,1);

LOG_I("ret=%d\n",ret);
}

MSH_CMD_EXPoRT(spi_transfer_one_data,spi_transfer_one_data);
```

## 最后

spi跟i2c部分内容可能还不是很理解，所以暂时只做记录

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