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QNX操作系統及網絡設備驅動模塊
摘要：介紹嵌入式操作系統QNX的微內核結構、基于io-net的網絡子系統、網絡設備驅動程序的組成；給出以以太網網設備驅動程序為例的詳細說明，包括初始化、從網絡設備接收數據，向網絡設備發送數據和網絡設備信息的統計。QNX是業界公認的X86平臺上最好的嵌入式實時操作系統之一。它具有獨一無二的微內核實時平臺，建立在微內核和完全地址空間保護基礎之上，實時、穩定、可靠，已經完成到PowerPC、MIPS、ARM等內核的移植，成為在國內廣泛應用的嵌入式實時操作系統。本文簡單介紹QNX內核和網絡結構的特點，針對目前熱門的網絡應用環境，討論QNX網絡設備驅動程序的結構和編寫。
1 QNX內核簡介
QNX的微內核結構是它區別于其它操作系統的顯著特點。目前嵌入式系統中，操作系統和應用程序之間的關系大概可以歸納為圖1～圖3所示的三種情況。
平板式內存結構，如圖1所示，所有的程序都使用同一個地址空間，不加保護；應用程序可以自由訪問所有空間，效率較高，但是任何應用程序指針錯誤都可能會導致內核崩潰。
大內核內存結構，如圖2所示，操作系統內核和各種驅動程序、網絡協議在同一個地址空間，應用程序在單獨空間；內核模塊同處于一個保護空間，運行效率高，
應用程序無法直接訪問保護空間，系統穩定性大大提高。缺點是，由于內核模塊（例如網絡驅動)處于保護空間，因此調試困難，任何驅動程序的修改都要重新編譯內核，無法做到驅動的動態加載和卸載。
QNX的微內核結構，如圖3所示，內核獨立自處于一個被保護的地址空間；驅動程序、網絡協議和應用程序處地程序空間中。
微內核結構的優點：①驅動程序、網絡協議、文件系統等操作系統模塊和內核相互獨立，任何模塊的故障都不會導致內核的崩潰；②驅動程序、網絡協議、文件系統和應用程序都處于程序空間，都調用相同的內核API，開發與調試和應用程序沒有區別；③操作系統功能模塊可以根據需要動態地加載或卸載，不需要編譯內核。在高可靠性要求的情況下，可以編寫監視模塊，對可靠性要求高的模塊進行監視，必要的時候重新啟動或重新加載而無須重啟系統。高可靠性的內核結構使QNX具備了高可靠性嵌入式操作系統的本質特征。
在具有高可靠性內核的基礎上，QNX的創新設計使它同樣具有很高的效率。QNX最為引人注目的地方是，它是UNIX的同胞異構體，保持了和UNIX的高度相似性，絕大多數UNIX或LINUX應用程序可以在QNX下直接編譯生成。這意味著為數眾多的穩定成熟的UNIX、LINUX應用可以直接移植到QNX這個更加穩定高效的實時嵌入式平臺上來。
2 QNX網絡結構
QNZ網絡子系統由三個部分組成：網絡管理模塊（io-net）、網絡協議模塊（npm-qnet.so、npm-tcpip.so）、網絡設備驅動模塊（devn-ne2000.so）。
模塊之間的層次關系如圖4所示。
圖4中的每個模塊各自具有不同的功能，但是它們具有一些相同的屬性。如：網絡設備驅動、TCP/IP協議棧分別對上層io-net模塊和應用程序產生數據，兩者都可以被看作數據源；同時它們也接受上層發來的數據，又可以同時被看作數據的消費者。過濾模塊對向上的數據進行篩選，分協議進行處理；對向下的數據則進行相應的轉換，如進行網絡地址轉換NAT。轉換模塊負責不同協議幀結構的轉換，在以太網的工作環境下，它就負責對IP數據報進行以太網幀的封裝和解包。
和QNX其它服務進程一樣，QNX的網絡子系統也在內核外部空間運行。應用程序面對的是一個統一的網絡接口，硬件相關的內容被完全包裝在網絡子系統內。
QNX網絡子系統的三個子模塊按層次分開，io-net模塊處于中心，是QNX網絡的核心和重點，其它模塊都掛接在它上面。數據和信息的流動都必須經由io-net調度與轉發，所有其它模塊所面對的就是一個單一主體。這樣的中心交換結構，屏蔽了各個模塊間相互協調的復雜細節，在很大程序上方便了模塊的編寫工作；同時，io-net還是QNX的網絡管理中心。任何網絡協議和網絡設備驅動程序都必須向io-net注冊，由它來加載，并接受io-net的配置和管理，用戶對網絡狀態的查詢和管理也是通過io-net來實現的。
3 QNX網絡設備驅動
QNX網絡設備驅動模塊處于網絡硬件和io-net模塊之間。驅動模塊負責配置硬件使其正常工作，向io-net報告數據收發情況，接收和傳遞數據，接受io-net的調度和管理。QNX網絡設備驅動程序依照以上功能，分為初始化、接收發送數據、網絡設備信息統計幾個功能塊。要使網絡設備工作正常，驅動程序就要對它進行一定的寄存器配置，同時，還要向QNX網絡子系統注冊自己，表明網絡設備的存在和網絡通信能力，才能為系統和應用程序所用。在初始化工作完成以后，網絡設備就進入了工作狀態，收發數據。設備信息的統計也是由設備驅動程序來完成的。
(1)初始化
初始化包括兩個方面，一方面是初始化網絡設備，使其正常工作；另一個方面，是向io-net正確注冊驅動模塊，表明自己的屬性，方便上層正確操作。
網絡設備的初始化工作和硬件緊密相關，這里就不一一描述。
驅動模塊向io-net加載自己的時候，系統遵循如下工作流程：
①io-net搜索全局的符合io_net_dll_entry。它定義了驅動的初始化函數，io-net會直接調用這個函數。
②初始化函數向io-net注冊驅動和相應的函數。
③初始化函數告訴io-net和它的模塊自己的通信能力。
經過以上流程以后，io-net中就建立起有關此驅動程序的數據和函數調用列表。驅動程序必須正確編寫初始化函數，并將該函數正確鏈接至io_net_dll_entry。
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