裸机嵌入式系统的引脚配置器和数据库

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探索构建、编码和测试裸机嵌入式系统（~80MHz，~64kRAM）的许多引脚配置的最佳方法。 这段代码的一个方面（/层）我认为是一个微小的 databasecor 数据结构，而另一个方面我认为是通过使用数据库（通过 Set/Get）的薄抽象层来锻炼引脚（输出/输入）。

嵌入式裸机系统工具和技术似乎落后于其他计算领域。 因此，如果有的话，我想阅读其他人在这个主题上的经验。

主题 1：通过使用数据结构 (/database) 管理（/配置）一个位置（/模块）中的所有引脚。 在启动后，引脚不会经常改变“模式”，如果有的话。 拥有一个文件（/module）对我来说很有意义，其中所有 64-100 个引脚（嵌入式 ARM uC 常见）都配置有各自的 port_name、pin_number、pull_direction、speed、pin_mode（输入、输出或模拟）、pin_function （UART、ADC、DAC、比较器等......）。 最后，一个 pin_ID 可以作为每个 pin 的标识符，或者一个 pin 名称，如果你愿意的话。

主题 2：适用于嵌入式裸机应用程序的非常小的数据库。 通过数据库管理所有这些引脚。 例如，所有这些引脚在运行时的任何给定时刻也可以具有 pin_value。 我想从 (/to) 数据结构 (/database) 写入和读取这些 pin_value 更改。 在引脚配置和 pin_value 存储上扩展上述概念，我们将获得虚拟引脚。 虚拟引脚的行为类似于物理引脚。 它将具有 pin_ID、pin_mode 和 pin_value。 例如，我们有一个 uC，它查看信号的零交叉。 过零检测只能从零变为一并返回，即数字输入。 我们可以说这有一个 ZC_ID 的 pin_ID，INPUT_MODE 的 pin_mode 和值 CLASS_VIRTUAL_DIGITAL 的 pin_class 的新引脚类型。

主题 3：与数据库的接口 - 一个薄的抽象层。 我们应用程序的其他模块可以通过数据库访问物理或虚拟引脚值的变化。 我们的应用程序应该能够通过 pin_ID 的简单知识读取和写入物理或虚拟引脚。 例如：

Get_Value(uint32_t pin_ID, uint32_t 值)

Set_Value(uint32_t pin_ID, uint32_t 值)

然后底层代码决定这个 pin_ID 是对 gpio pin 还是对虚拟 pin 的简单写/读。 同样，在现代互联世界中，我需要读取和写入外部设备或服务器。 我想使用相同的数据库接口来做到这一点。 即服务器向 uC 模块发送带有更新值的消息，在那里数据库使用新值更新。 然后我们的应用程序可以从数据库中读取新值。

谢谢

Answer 1

在 GPIO 的特定情况下，最好的想法是尽可能少地使用抽象层。

您需要一个功能来设置端口或引脚，可能还需要一些时钟和引脚路由设置。 然而，端口访问最好直接通过直接写入数据寄存器来完成。 为什么？ 因为如果您制作这样的 HAL：

pin_t pin_allocate (port, pin);
void pin_set (pin_t* p);

其中pin_t是一些抽象的、不透明的类型，那么您可能会遇到非常微妙的重入错误，原因是应用程序程序员无法跟踪代码中发生的事情。

考虑这种情况：

// BAD DESIGN, don't do this

static pin_t* led;
statci pin_t* relay;

void main (void)
{
  led = pin_allocate(PORTA, 0);
  relay = pin_allocate(PORTA, 1);
  ...

  pin_set(led);  
}

...

void PORTA_ISR (void)
{
  pin_set(relay);
}

这段代码中有一个竞争条件错误，但它完全被抽象层隐藏了。

• 某些代码在用于驱动继电器的同一端口上分配了一个引脚。 即将设置LED。
• pin_set()可能存储端口寄存器的值并准备进行按位 OR。
• ISR 打击。 端口寄存器被写入设置继电器的值。
• 从子程序返回。 LED 写入端口寄存器完成，继电器输出清零。
• 这将表现为一种罕见的间歇性现象，即继电器无法设置，而是我们在线圈上遇到短暂的故障，太短而无法驱动它。
• 如果程序员最终犯了竞争条件错误，他们可能会开始调查对relay变量的访问。 但是该变量本身可能受到保护并且是线程安全的——问题出在 HAL 之下。

我已经多次看到上述情况，这是所有类别中最难找到的错误之一。 所以我的建议是不要在软件中过度设计它。

而是通过PCB 原理图跟踪引脚，这是规范性文件。 任何编写代码的人在决定使用某个引脚之前都必须查看原理图，而不仅仅是盯着自己的软件。 在开始编写任何代码之前，寻找与其他硬件的潜在冲突。

此外，GPIO 可能是实时关键的，抽象层意味着开销。

Answer 2

主题 1：通过使用数据结构管理（/配置）一个位置（/模块）中的所有引脚

这应该是完全可行的； 实际上，我（和我认为的其他程序员）正是这样做的：在系统初始化时，所有引脚都从其默认状态（输入）配置为带有上拉或输出的输入，或与某些特殊的内部硬件（如例如UART）。

主题2：适合嵌入式裸机应用的小型数据库。 通过数据库管理所有这些引脚。 例如，所有这些引脚在运行时的任何给定时刻也可以具有 pin_value。 我想从（/到）数据库写入和读取这些 pin_value 更改。 在引脚配置和 pin_value 存储上扩展上述概念，我们将获得虚拟引脚。

这也是可行的，实际上以非常简单的方式。 有时我在 ram 中使用单个整数，其中每一位都反映引脚的状态或其他状态。 中断处理程序更新这些位，前台进程查看它们。 对于输出，它是相同的，相反：前台写入这些位，中断使用这些位来修改实际引脚。 所以我最终得到了两个变量（input_statuses 和 output_statuses），例如，它们可以通过串行、蓝牙或以太网远程读写。

但是从这一点到一个数据库，还有很大的距离。 通常，嵌入式应用程序靠近硬件，没有太多的虚拟化，为了性能和低成本。 但谁知道你的要求是什么？ 也许您有大量预算、强大的处理器并且对速度的需求不大。

Answer 3

Arduino 使用一个简单的系统，该系统在非常初级的水平上工作 - 有点类似于您为主题 1 描述的路线，尽管完全在运行时（并且它不要求在单个位置配置引脚分配）。

https://github.com/arduino/ArduinoCore-samd/tree/master/variants

https://github.com/arduino/ArduinoCore-samd/blob/master/cores/arduino/wiring_digital.h

表g_APinDescription用作数据库， pinMode()和其他函数管理引脚分配。