抽象 I/O设备模型

I/O设备模型框架

RT-Thread提供了一套简单的I/O设备模型框架。
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如图所示，它位于硬件和应用程序之间，共分成三层，从上到下分别是I/O设备管理层、设备驱动框架层、设备驱动层。

应用程序通过I/O设备管理接口获得正确的设备驱动，然后通过这个设备驱动与底层I/O硬件设备进行数据交互。

I/O设备管理层实现了对设备驱动程序的封装。
应用程序通过图中的“I/O设备管理层”提供的标准接口访问底层设备，设备驱动程序的升级、更替不会对上层应用产生影响。这种方式使得设备的硬件操作相关的代码能够独立于应用程序而存在，双方只需要关注各自的功能实现，从而降低了代码的耦合性、复杂性，提高了系统的可靠性。

设备驱动框架层是对同类硬件设备驱动的抽象，将不同厂家的同类硬件设备驱动中相同的部分抽取出来，将不同部分留出接口，由驱动程序实现。

设备驱动层是一组驱使硬件设备工作的程序，实现访问硬件设备的功能。它负责创建和注册I/O设备，对于操作逻辑简单的设备，可以不经过设备驱动框架层，直接将设备注册到I/O设备管理器中，使用序列图如下图所示，主要有以下2点：

设备驱动根据设备模型定义，创建出具备硬件访问能力的设备实例，将该设备通过rt_device_register()接口注册到I/O设备管理器中。
应用程序通过rt_device_find()接口查找到设备，然后使用I/O设备管理接口来访问硬件。

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对于另一些设备，如看门狗等，则会将创建的设备实例先注册到对应的设备驱动框架中，再由设备驱动框架向I/O设备管理器进行注册，主要有以下几点：

看门狗设备驱动根据看门狗设备模型定义，创建出具备硬件访问能力的看门狗设备实例，并将该看门狗设备通过rt_hw_watchdog_register()接口注册到看门狗设备驱动框架中。
看门狗设备驱动框架通过rt_device_register()接口将看门狗注册到I/O设备管理器中。
应用程序通过I/O设备管理接口来访问看门狗设备硬件。

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libraries->HAL_Drivers：是设备驱动程序层
rt-thread->components->drivers：设备驱动框架层

I/O设备模型

RT-Thread的设备模型是建立在内核对象模型基础之上的，**设备被认为是一类对象，**被纳入对象管理器的范畴。
每个设备对象都是由基对象派生而来，每个具体设备都可以继承其父类对象的属性，并派生出其私有属性。

struct rt_object
{
	char name[RT_NAME_MAX];
	rt_uint8_t type;
	rt_uint8_t flag;
	rt_list_t list;
};
typedef struct rt_object *rt_object_t;

struct rt_device
{
	struct rt_object parent; //内核对象基类
	enum rt_device_class_type type; //设备类型
	rt_uint16_t flag; //设备参数
	rt_uint16_t open_flag; //设备打开标志
	
	rt_uint8_t ref_count; //设备被引用次数
	rt_uint8_t                device_id;                /**< 0 - 255 */

    /* device call back */
    rt_err_t (*rx_indicate)(rt_device_t dev, rt_size_t size);
    rt_err_t (*tx_complete)(rt_device_t dev, void *buffer);

	/* common device interface */
    rt_err_t  (*init)   (rt_device_t dev);
    rt_err_t  (*open)   (rt_device_t dev, rt_uint16_t oflag);
    rt_err_t  (*close)  (rt_device_t dev);
    rt_size_t (*read)   (rt_device_t dev, rt_off_t pos, void *buffer, rt_size_t size);
    rt_size_t (*write)  (rt_device_t dev, rt_off_t pos, const void *buffer, rt_size_t size);
    rt_err_t  (*control)(rt_device_t dev, int cmd, void *args);
    void                     *user_data;                /**< device private data */
};

enum rt_device_class_type
{
    RT_Device_Class_Char = 0,                           /**< character device */
    RT_Device_Class_Block,                              /**< block device */
    RT_Device_Class_NetIf,                              /**< net interface */
    RT_Device_Class_MTD,                                /**< memory device */
    RT_Device_Class_CAN,                                /**< CAN device */
    RT_Device_Class_RTC,                                /**< RTC device */
    RT_Device_Class_Sound,                              /**< Sound device */
    RT_Device_Class_Graphic,                            /**< Graphic device */
    RT_Device_Class_I2CBUS,                             /**< I2C bus device */
    RT_Device_Class_USBDevice,                          /**< USB slave device */
    RT_Device_Class_USBHost,                            /**< USB host bus */
    RT_Device_Class_USBOTG,                             /**< USB OTG bus */
    RT_Device_Class_SPIBUS,                             /**< SPI bus device */
    RT_Device_Class_SPIDevice,                          /**< SPI device */
    RT_Device_Class_SDIO,                               /**< SDIO bus device */
    RT_Device_Class_PM,                                 /**< PM pseudo device */
    RT_Device_Class_Pipe,                               /**< Pipe device */
    RT_Device_Class_Portal,                             /**< Portal device */
    RT_Device_Class_Timer,                              /**< Timer device */
    RT_Device_Class_Miscellaneous,                      /**< Miscellaneous device */
    RT_Device_Class_Sensor,                             /**< Sensor device */
    RT_Device_Class_Touch,                              /**< Touch device */
    RT_Device_Class_PHY,                                /**< PHY device */
    RT_Device_Class_Security,                           /**< Security device */
    RT_Device_Class_Unknown                             /**< unknown device */
};

创建和注册I/O设备

驱动层负责创建设备实例，并注册到I/O设备管理器中，可以通过静态申明的方式创建设备实例，也可以用下面的接口进行动态创建：

rt_device_t rt_device_create(int type, int attach_size);

调用该接口时，系统会从动态堆内存中分配一个设备控制块，大小为struct rt_device和attach_size的和，设备的类型由参数type设定。
设备被创建后，需要实现它访问硬件的操作方法。

struct rt_device_ops
{
    /* common device interface */
    rt_err_t  (*init)   (rt_device_t dev);
    rt_err_t  (*open)   (rt_device_t dev, rt_uint16_t oflag);
    rt_err_t  (*close)  (rt_device_t dev);
    rt_size_t (*read)   (rt_device_t dev, rt_off_t pos, void *buffer, rt_size_t size);
    rt_size_t (*write)  (rt_device_t dev, rt_off_t pos, const void *buffer, rt_size_t size);
    rt_err_t  (*control)(rt_device_t dev, int cmd, void *args);
};

init：初始化设备。设备初始化完成后，设备控制块的flag会被置成已激活状态(RT_DEVICE_FLAG_ACTIVATED)。如果设备控制块中的flag标志已经设置成激活状态，那么再运行初始化接口时会立刻返回，而不会重新进行初始化。
open：有些设备并不是系统一启动就已经打开开始运行，或者设备需要进行数据收发，但如果上层应用还未准备好，设备也不应默认已经使能并开始接收数据。所以建议在写底层驱动程序时，在调用 open 接口时才使能设备。
close：关闭设备。在打开设备时，设备控制块会维护一个打开计数，在打开设备时进行+1操作，在关闭设备时进行-1操作，当计数器变为0时，才会进行真正的关闭操作。
read：从设备读取数据。pos是读取数据的偏移量，但有些设备并不一定需要偏移量，如串口设备，设备驱动应忽略这个参数。这个接口返回的类型是rt_size_t，即读到的字节数或块数目。正常情况下应该会返回参数中size的数值，如果返回零要设置对应的errno值。
write：向设备写入数据。参数 pos 是写入数据的偏移量。与读操作类似，对于块设备来说，pos 以及 size 都是以块设备的数据块大小为单位的。这个接口返回的类型是 rt_size_t，即真实写入数据的字节数或块数目。正常情况下应该会返回参数中 size 的数值，如果返回零请设置对应的 errno 值。
control：根据cmd命令控制设备。根据cmd命令控制设备。命令往往是由底层各类设备驱动自定义实现。例如参数 RT_DEVICE_CTRL_BLK_GETGEOME，意思是获取块设备的大小信息。

设备被创建后，需要注册到I/O设备管理器中，应用程序才能够访问，注册设备的函数如下所示：

rt_err_t rt_device_register(rt_device_t dev,
                            const char *name,
                            rt_uint16_t flags)
{
    if (dev == RT_NULL)
        return -RT_ERROR;

    if (rt_device_find(name) != RT_NULL)
        return -RT_ERROR;

    rt_object_init(&(dev->parent), RT_Object_Class_Device, name);
    dev->flag = flags;
    dev->ref_count = 0;
    dev->open_flag = 0;

#ifdef RT_USING_POSIX_DEVIO
    dev->fops = RT_NULL;
    rt_wqueue_init(&(dev->wait_queue));
#endif /* RT_USING_POSIX_DEVIO */

    return RT_EOK;
}
RTM_EXPORT(rt_device_register);