【物联网智能网关11】流式驱动之用户驱动(MDK C++开发)

      微软体系的产品给人的感觉一直是易学易用，但是其执行性能却屡受诟病。所以一些对性能要求相对较高的硬件产品研发，一般都是采用linux体系的技术，或者是无操作系统开发，其开发语言也绝大数是C/C++（启动代码或中断部分的代码有时会用汇编代码实现）。但是对工控集成类的项目开发来说，由于项目开发周期比较短，对稳定性要求比较高，如果全部采用C/C++开发，不仅对开发人员的能力要求比较高，并且开发和调试的代价非常大。所以PC平台的，大都是用组态系统搭建，嵌入式系统则是采用嵌入式组态软件，其定制化的软件则采用WinCE等易用的嵌入式系统来开发了，但是对再小型的嵌入式系统，由于选择目前比较少，也只有选用传统的C/C++来开发了。

     2001年.NET Micro Framework的开始研发，其实就是基于比尔盖茨所谓的.NET战略，上至服务器大型系统，下至嵌入式领域的芯片都希望是.NET系统，都可以用C#等.NET开发语言进行开发。所以最开始.NET Micro Framework系统就是开发硬件产品的，MSN Direct产品、SideShow，还有一些高端遥控器，键盘，都是采用.NET Micro Framework系统开发（相关介绍，请参见《MSN Direct项目简介》），虽然用.NET Micro Framework系统开发比较容易，但是要达到同样的性能，必须要求系统的主频更快，RAM更大，这对批量生产的硬件产品来说，长远发展来看，不是一个好选择。

     我个人认为微软官方的.NET Micro Framework产品类开发的定位是错误的，这一点我可以看到微软在Windows领域的开发也是放弃了全用.NET托管代码实现的诉求，大部分底层或对性能要求很高的代码，依然采用原生C/C++实现（目前iOS和安卓系统的开发，基于性能的考虑，很多开发人员都开始用原生C/C++进行开发）。

     用.NET Micro Framework开发用户需求变化少，不需要二次开发接口的产品来说，是非常不适合的，特别是销售量数量非常大的产品，因为随着产品的销量不断增加，前期开发成本所占的成本比重将越来越小。但是对用户需求变化大，用户需要有二次开发，或者是销量比较少的产品来说，用.NET Micro Framework优势就比较明显了。特别是工控集成类的产品，.NET Micro Framework系统有天然的优势（这是我7年工控领域的工作经历深切感受到的）。

      PC领域的组态化技术已经非常成熟了，目前已经在向组态软件的第二代或第三代进行发展。但是在嵌入式领域，特别是低端MCU方面，这方面做得远远不够，我工作的定位就是致力于嵌入式领域组态化，并且我认为.NET Micro Framework系统是实现这个愿景的最好的一种技术支撑。

      .NET Micro Framework的平台的C#（或VB.NET）开发虽然开发比较简单，但是其执行性能却是一个必须面对的问题（2009年我在微软总部和MSN Direct开发人员交流的时候，他们对.NET Micro Framework的执行性能颇有微词）。

      我的解决方案就是：.NET Micro Framework必须尽可能的封装，C#语言执行的不是大段功能代码，而只是一些工艺流程代码即可，那些功能性的代码尽可能用C/C++实现。C#起到粘连串接的作用即可，这一点和网页开发中的脚本语言的角色非常类似。

      目前这类封装，必须是porting开发人员完成，是.NET Micro Framework TinyCLR的不可分的部分，普通用户是不能进行C/C++开发的。而我这篇文章所介绍的重点，就是为普通的开发用户，开启C/C++ 基于.NET Micro Framework编程之门。在《.NET Micro Framework动态调用C/C++底层代码》文章中我介绍了这种技术的实现原理，本篇文章就是基于应用的角度，介绍如果用MDK进行.NET Micro Framework用户驱动开发。

     在进行用户流式驱动开发介绍之前，我先比较一下C#和C++开发的性能，让大家有一个直观的感受。 

    上图C#代码如下：

    OutputPort io = new OutputPort((Cpu.Pin)GPIO_NAMES.PA6,false);

    while (true)

    {

        io.Write(true);

        io.Write(false);

    }

C++的代码如下（NativeSample下运行）

CPU_GPIO_EnableOutputPin(STM32F20x_GPIO_Driver::PA6,FALSE);

while(TRUE) 

{

     CPU_GPIO_SetPinState(STM32F20x_GPIO_Driver::PA6,FALSE); 

          CPU_GPIO_SetPinState(STM32F20x_GPIO_Driver::PA6,TRUE); 

}

     硬件平台采用紫藤207（STM32F207 主频120M），通过示波器检查PA6管脚。

     从示波器的显示结果来看，二者相差近60倍，所以说在C#层很难实现微秒级别的控制。

     另外我也比较了一下C#和C++的for循环的执行效率。

     代码很简单，就是：for(x=0;x<1000;x++);

执行次数	C#	C++	倍数
10	316us	-	-
100	2.5ms	3.5us	714
1000	24ms	33us	727
10000	-	333us	-

     C#层提供的Sleep延时也是毫秒级别的，我做了一个简单的测试，结果如下：

Sleep参数	0	1	10
执行时间	176-184 us	1.3ms	10.4ms

     注：由于底层时钟中断不断触发，Sleep的时间是不确定的。

     相信以上的测试结果，对大家的印象是深刻的。所以说，不考虑C#的封装优点，而是非要用C#和C++实现同样的功能，只能是让大家越来越远离.NET Micro Framework。

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     在《.NET Micro Framework动态调用C/C++底层代码》这篇文章中，我介绍g_GeneralStream_Function的时候，其支持的函数才15个，并且主要是GPIO和时钟类的函数，这次调整以后，已经扩展支持61个了，并且也可以传递初始化函数的字符串或整型变量参数了，新的g_GeneralStream_Function定义如下:

IGeneralStream_Function g_GeneralStream_Function  =

{       

      -1,

           NULL,

           //--

      &Notice_GenerateEvent,

           &lcd_printf,

           &debug_printf,  

           &HAL_Time_Sleep_MicroSeconds_InterruptEnabled,

           &Events_WaitForEvents,

           &disable_interrupts,

           &enable_interrupts,

           &private_malloc,

           &private_free,

           //mem

           &hal_snprintf,

           &hal_stricmp,

           &hal_strncmp_s,

           &hal_strlen_s,

           &memcpy,

           &memset,    

           //Flash

           &YFSoft_Flash_Erase,

           &YFSoft_Flash_Read,

           &YFSoft_Flash_Write,

           //GPIO

           &CPU_GPIO_DisablePin, 

           &CPU_GPIO_EnableInputPin, 

           &CPU_GPIO_EnableOutputPin,

           &CPU_GPIO_GetPinState, 

           &CPU_GPIO_SetPinState,

           //TIMER

           &CPU_TIMER_Initialize, 

           &CPU_TIMER_Uninitialize,

           &CPU_TIMER_Start,

           &CPU_TIMER_Stop,

           &CPU_TIMER_GetState,

           &CPU_TIMER_SetState,

           //USART

           &USART_Initialize,

           &USART_Uninitialize,

           &USART_Write,

           &USART_Read,

           &USART_Flush,

           &USART_BytesInBuffer,

           &USART_DiscardBuffer,

           //DA/AD

           &DA_Initialize,

           &DA_Write,

           &AD_Initialize,

           &AD_Read,

           //PWM

           &PWM_Initialize,

           &PWM_Uninitialize,

           &PWM_ApplyConfiguration,

           &PWM_Start,

           &PWM_Stop,

           &PWM_GetPinForChannel,

           //TinyGUI

           &LCD_ClearEx,

           &LCD_SetPixel,

           &LCD_GetPixel,

           &LCD_DrawLine,

           &LCD_DrawRectangle,

           &LCD_DrawEllipse,

           &LCD_DrawImage,

           &LCD_DrawImageEx,

           &LCD_DrawString,

           &LCD_DrawStringEx,

           &LCD_FillRectangle,

           &LCD_FillEllipse,

           &LCD_GetFrameBufferEx,

           &LCD_SuspendLayout,

           &LCD_ResumeLayout,

};

      有了这些函数支持，就可以在MDK中独立编写 MF的用户流驱动了。当然，你也可以不用这些函数，也可以调用MDK相关的库或STM32提供的库，直接通过寄存器对硬件进行操作（前提是和已有的功能不要冲突就行）。

     为了便于在MDK 4.x中开发用户流式驱动，我提供了yfmflib.h和grenralstream.h头文件，也提供了一个UserDriver.cpp模板，用户只要简单修改一下即可。 

     UserDriver.cpp模板中的代码如下：

//说明：代码空间 0x08010000 -  0x08020000  64K

//      内存空间 0x20002000 -  0x20004000   8K

#include "YFMFLib.h"

#include "GeneralStream.h"

#define UserDriver_Flag            "UserDriver"

#define UserDriver_Hander          1

const IGeneralStream_Function *MF=NULL;

int GeneralStream_Open1_UserDriver(LPCSTR config)  { return 0;}      //Open1永远也不会被调用

//int GeneralStream_Open2_UserDriver(int config)   { return 0;}

int GeneralStream_Close_UserDriver()  { return 0;}

int GeneralStream_IOControl1_UserDriver(int code, BYTE *inBuffer, int inCount, BYTE *outBuffer, int outCount){return -1;}

int GeneralStream_IOControl2_UserDriver(int code, int parameter){return -1;} 

int GeneralStream_Read_UserDriver(BYTE *buffer, int offset, int count){return -1;}

int GeneralStream_Write_UserDriver(BYTE *buffer, int offset, int count){return -1;}

 

int GeneralStream_Open2_UserDriver(int config)

{ 

  //获取系统函数的指针

  MF = (IGeneralStream_Function*)config;

 

  //C#下传的参数

  MF->lcd_printf("%d,%s\r\n",MF->iParam1,MF->sParam1);

  MF->debug_printf("%d,%s\r\n",MF->iParam1,MF->sParam1);

}

 

extern const IGeneralStream g_GeneralStream_UserDriver;

const IGeneralStream g_GeneralStream_UserDriver  =

{

         UserDriver_Flag,

         &GeneralStream_Open1_UserDriver,

         &GeneralStream_Open2_UserDriver,   

         &GeneralStream_Close_UserDriver,     

         &GeneralStream_IOControl1_UserDriver, 

         &GeneralStream_IOControl2_UserDriver, 

         &GeneralStream_Read_UserDriver,

         &GeneralStream_Write_UserDriver,     

};

     为了让大家印象深刻，我们以LCD1602的驱动为示例，进行用户驱动编写（我已经为其专门开发了一个流式驱动，以其为例只是便于说明，后续还将详细介绍LCD1602）。

     其实LCD1602的显示就是IO操作，其实理论上在C#层也可以实现，但是通过我以上的性能测试，估计大家会鲜有尝试了。LCD1602的驱动，通过上网搜索，无论是C51、STM32还是Arduino都提供了相关的源码，我们只要把相关的IO操作的函数，转换为我们MF的IO操作函数即可。

    主要代码如下：

void LCD1602_Write_byte(BYTE data)        

{

    MF->CPU_GPIO_SetPinState(LCD1602_E_Pin,TRUE);   

         MF->CPU_GPIO_SetPinState(LCD1602_D7_Pin,(data & 0x80)>0);

         MF->CPU_GPIO_SetPinState(LCD1602_D6_Pin,(data & 0x40)>0);

         MF->CPU_GPIO_SetPinState(LCD1602_D5_Pin,(data & 0x20)>0);

         MF->CPU_GPIO_SetPinState(LCD1602_D4_Pin,(data & 0x10)>0);

         MF->HAL_Time_Sleep_MicroSeconds_InterruptEnabled(1);

         MF->CPU_GPIO_SetPinState(LCD1602_E_Pin,FALSE);

        

         MF->HAL_Time_Sleep_MicroSeconds_InterruptEnabled(1);

         MF->CPU_GPIO_SetPinState(LCD1602_E_Pin,TRUE);

         MF->CPU_GPIO_SetPinState(LCD1602_D7_Pin,(data & 0x08)>0);

         MF->CPU_GPIO_SetPinState(LCD1602_D6_Pin,(data & 0x04)>0);

         MF->CPU_GPIO_SetPinState(LCD1602_D5_Pin,(data & 0x02)>0);

         MF->CPU_GPIO_SetPinState(LCD1602_D4_Pin,(data & 0x01)>0);

         MF->HAL_Time_Sleep_MicroSeconds_InterruptEnabled(1);

         MF->CPU_GPIO_SetPinState(LCD1602_E_Pin,FALSE);

}

 

void LCD1602_Write_Command(BYTE cmd)        

{

    MF->HAL_Time_Sleep_MicroSeconds_InterruptEnabled(100);

         MF->CPU_GPIO_SetPinState(LCD1602_RS_Pin,FALSE);

    LCD1602_Write_byte(cmd);

}

 

void LCD1602_Write_Data(BYTE data)        

{

    MF->HAL_Time_Sleep_MicroSeconds_InterruptEnabled(100);

         MF->CPU_GPIO_SetPinState(LCD1602_RS_Pin,TRUE);

    LCD1602_Write_byte(data);

}

 

void LCD1602_SetXY(BYTE x,BYTE y)//x:0~15,y:0~1

{

    if(y) LCD1602_Write_Command(0xc0+x);//第二行显示

    else  LCD1602_Write_Command(0x80+x);//第一行显示

}

 

void LCD1602_Write_Char(BYTE x,BYTE y,char data)

{

    LCD1602_SetXY( x, y); //写地址

    LCD1602_Write_Data(data);

}

 

void LCD1602_Print(BYTE x,BYTE y,char *s)

{

         if(x>15)x=15;

    LCD1602_SetXY( x, y ); //写地址  

    int i=0;

    while (*s && (x+i++)<16)             //写显示字符

    {

        LCD1602_Write_Data( *s++ );

    }       

}

 

void LCD1602_Init()

{

    MF->CPU_GPIO_SetPinState(LCD1602_RW_Pin,FALSE);  //只写

   

    MF->HAL_Time_Sleep_MicroSeconds_InterruptEnabled(100000);

         LCD1602_Write_Command(0x33);

         MF->HAL_Time_Sleep_MicroSeconds_InterruptEnabled(20000);

         LCD1602_Write_Command(0x32);

         MF->HAL_Time_Sleep_MicroSeconds_InterruptEnabled(20000);

 

    LCD1602_Write_Command(0x28);

         LCD1602_Write_Command(0x0C); //显示开

         LCD1602_Write_Command(0x01); //清屏

         MF->HAL_Time_Sleep_MicroSeconds_InterruptEnabled(20000);

}

     以上就是LCD驱动相关的代码，下面我们填写接口代码

int GeneralStream_Open2_UserDriver(int obj)

{ 

    //获取系统函数的指针

    MF = (IGeneralStream_Function*)obj;

   //--

  LPCSTR config = MF->sParam1;

    //不能有空格

    //    012345678901234567890123456789012345678901234567890123

    //格式RS=PC08,RW=PC09,E=PB06,D4=PB07,D5=PC00,D6=PC02,D7=PC03

    if(config[3]!='P' || config[11]!='P' || config[18]!='P' || config[26]!='P' || config[34]!='P' || config[42]!='P' || config[50]!='P')

    {

       return -1;

    }

 

    LCD1602_RS_Pin  =(GPIO_PIN)((config[4]-'A') * 16 + (config[5]-'0') * 10+ (config[6] - '0'));

  LCD1602_RW_Pin  =(GPIO_PIN)((config[12]-'A') * 16 + (config[13]-'0') * 10+ (config[14] - '0'));

    LCD1602_E_Pin  =(GPIO_PIN)((config[19]-'A') * 16 + (config[20]-'0') * 10+ (config[21] - '0'));

  LCD1602_D4_Pin  =(GPIO_PIN)((config[27]-'A') * 16 + (config[28]-'0') * 10+ (config[29] - '0'));

    LCD1602_D5_Pin  =(GPIO_PIN)((config[35]-'A') * 16 + (config[36]-'0') * 10+ (config[37] - '0'));

  LCD1602_D6_Pin   =(GPIO_PIN)((config[43]-'A') * 16 + (config[44]-'0') * 10+ (config[45] - '0'));

  LCD1602_D7_Pin   =(GPIO_PIN)((config[51]-'A') * 16 + (config[52]-'0') * 10+ (config[53] - '0'));

 

 MF->CPU_GPIO_EnableOutputPin(LCD1602_RS_Pin,FALSE);

  MF->CPU_GPIO_EnableOutputPin(LCD1602_RW_Pin,FALSE);

  MF->CPU_GPIO_EnableOutputPin(LCD1602_E_Pin,FALSE);

 MF->CPU_GPIO_EnableOutputPin(LCD1602_D4_Pin,FALSE);

  MF->CPU_GPIO_EnableOutputPin(LCD1602_D5_Pin,FALSE);

  MF->CPU_GPIO_EnableOutputPin(LCD1602_D6_Pin,FALSE);

 MF->CPU_GPIO_EnableOutputPin(LCD1602_D7_Pin,FALSE);

 

  LCD1602_Init(); //初始化液晶 

  return 0;

}

 int GeneralStream_Write_UserDriver(BYTE *buffer, int offset, int count)

{

    UINT8 x = (BYTE)((offset>>8) & 0xFF); 

  UINT8 y = (BYTE)(offset & 0xFF);

    buffer[count]=0;

   if(x>15 || y>1 ) return -1;

    LCD1602_Print(x,y,(char *)buffer);

   return 0;

}

    以上代码在MDK中直接编译，编译后的bin文件，经过转换适当转换，变为MF部署工具所支持的Hex文件，用MFDeploy或YFAccessFlash工具直接部署即可，如下图所示：  

    基于C++的代码我们已经完成，下一步我们开始写C#代码，以便调用我们写好的C++代码。

    代码如下：

using System;

using Microsoft.SPOT;

using Microsoft.SPOT.Hardware;

using YFSoft.IO;

 

namespace UserDriverTest

{

    public class Program

    {   

        public static void Main()

        {

            Debug.Print("UserDriver Test ...");

            LCD1602 lcd = new LCD1602();

 

            lcd.Print(0, 0, "Hello .NET MF!!!");

            lcd.Print(0, 1, "YFSoft 20120920");

 

            while (true)

            {

                System.Threading.Thread.Sleep(500);

            }

        }

    }

 

    //Width = 16 Height = 2

    public class LCD1602

    {

        GeneralStream gs = null;

        public LCD1602()

        {

            gs = new GeneralStream();

            int ret = 0;

            if ((ret = gs.Open("UserDriver", "RS=PC08,RW=PC09,E=PB06,D4=PB07,D5=PC00,D6=PC02,D7=PC03")) <= 0)

            {

                Debug.Print("ERR=" + ret.ToString());

                gs = null;

            }

        }

 

        public void Print(byte x, byte y, string s)

        {

            if (gs == null) return;

            byte[] temp = System.Text.UTF8Encoding.UTF8.GetBytes(s);

            byte[] buff = new byte[temp.Length + 1];

            Array.Copy(temp, buff, temp.Length);

            buff[buff.Length - 1] = 0;

            gs.Write(buff, x << 8 | y, temp.Length);

        }

    }

}

     代码执行后，其运行效果如下图所示：   

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MF简介：http://blog.csdn.net/yefanqiu/article/details/5711770

MF资料：http://www.sky-walker.com.cn/News.asp?Id=25