基于ARM的W5100底层驱动设计

嵌入式操作系统的引入大大提高了嵌入式系统的功能，方便了嵌入式应用软件的设计，但同时也占用了宝贵的嵌入式资源。

嵌入式操作系统大多采用组件化、模块化的设计思想，以搭积木的方式通过互连构造软件，因而是可配置的。但是由于操作系统的多样性，不同操作系统提供的配置方式迥异且繁简不一。而由于硬件平台的多样性，即使是相同的操作系统，其应用配置也有差别。结果是，应用程序开发者必须熟悉不同的硬件平台和操作系统才能进行有效的应用开发，增加了应用开发的难度。特别是网络化嵌入式应用一般出现在比较大型的项目中，复杂度和难度大大增加。因此，提高网络化嵌入式应用产品质量、缩短开发周期、降低开发成本是开发人员面临的迫切要求。

1 开发模式方案选择

面向对象的方法、设计模式的思想是当前实现软件模块化、提高软件可复用性的最优方法。面向对象编程语言、组件和构架是被广泛认可的、用以降低软件成本并提高软件质量的技术。

面向对象的主要好处在于它强调模块性和可扩展性，将易变的实现细节封装在稳定的接口后面，增强了软件的可复用性。但是，在目前的嵌入式实时系统中采用面向对象的方法进行上层软件的设计还有很多困难。最主要的，就是底层实时操作系统没有提供有力支持，即使上层软件勉强采用了面向对象的方法，代码的模块化、可移植性、可复用性也难有提高。

因此，为了避免采用传统操作系统的开发模式带来复杂问题，本文采用一种自定义的裸机开发模式。该模式避免了不同操作系统平台改变带来复杂的问题。其创建项目过程没有复杂的裁剪，只有根据需要添加相关驱动和编写适当应用层代码。即使是硬件平台的改变，也只是根据硬件配置不同改变其条件编译而已。

2 自定义裸机开发模式

自定义开发模式下的应用软件体系结构如图１所示。该体系结构包含管理层、应用层、控件层、虚设备层和实设备层。其中管理层处于类似于操作系统中“内核”的地位，为其他层的管理者。

图1
自定义开发模式下的应用软件体系结构
跟PC机上的Windows应用软件类似，应用层是由一个或者多个窗口组成的，有可视窗口和不可视窗口。其中各个窗口中又包含一个或者多个控件。控件为窗口提供各种服务，由设备层提供支撑。在控件层和实设备层中间有一个虚设备层。
根据设备功能的复杂程度，虚设备分为简单的虚设备和复合虚设备。实设备分为简单的实设备和复合实设备。其中复合设备是由简单设备组合而成。
从类的关系看，虚设备层就是含有虚函数的基类，该函数一般没有实现，只是声明了接口，实设备层就是从该基类继承下来的，具体实现是由该实设备层来完成。由于接口的稳定性，这就保证了底层硬件改变时，应用层的程序几乎可以没有改变或者改变甚小。
3
自定义开发模式下的W5100驱动编写
3.1
接口电路说明
本驱动设计采用W5100串行SPI接口。SPI接口模式只需要4个引脚进行数据通信，分别为SCLK、/SS（SPI从模式选择输入引脚，低电平有效）、MOSI、MISO。W5100
的SPI_EN 引脚高电平表示SPI
使能，/RESET引脚低电平实现W5100芯片的复位。本项目选择的MCU芯片为LPC2138，其中W5100与LPC2138对应引脚连线如表1所列。
表1 LPC2138与W5100对应引脚连线说明

3.2 W5100驱动分析
本驱动开发环境为：CodeWarrior for ARM Developer Suite
V1.2。
在自定义开发模式中，前期编写好的驱动类有引脚类、SPI类、外部中断类，就是所谓简单设备。这些类及其头文件的具体介绍略——编者注。
在使用W5100前需要操作其/SS引脚，选中W5100芯片SPI从模式。初次配置或者重新配置Ｗ5100相关参数前，需要操作其/RESET引脚，让所有原来配置复位。配置W5100相关参数是通过SPI读写操作来完成的。
W5100从网络上接收了一个数据包后，会让其/INT引脚从高电平变为低电平。在本项目中，把该引脚跟LPC2138的外部中断1引脚相连，如果开启了外部中断１，那么就触发一个外部中断。该外部中断服务里面应当有实现LPC2138访问W5100，并读取W5100里面接收到的数据包的功能。LPC2138获取W5100里面的数据包，必须通过SPI读写操作的配合才能实现。
综合上面的分析，该W5100驱动应当是由引脚类、外部中断类、SPI操作类互相配合完成，因此W5100驱动是一个复合设备。
3.3
W5100实设备驱动编写
本驱动针对W5100采用UDP协议进行网络通信功能来编写。

首先所有实设备都必须从一个虚设备下继承下来。创建一个名为Ip_NetWork_Virtual_Device网络虚设备，其部分头文件略——编者注。
由于网络通信应用的芯片有多种，但是无论是哪种芯片，实现的功能都离不开网络包的读和写。因此在该虚类里的声明都是共用的功能。基类里面含有虚函数，就是声明了接口，但是没有具体的实现，具体的实现由其具体的实设备来完成。在继承中，如果基类和派生类中定义了同名的成员函数，当用基类指针指向公有派生类的对象后，可以使用虚函数来实现通过基类指针找到相应的派生类成员函数[11]。
W5100的实设备NetWork_W5100类的部分头文件略——编者注。
3.4
W5100实设备驱动说明
3.4.1 虚设备类指针
在W5100实设备头文件中有：
Spi_Virtual_Device*
SpiPort;
OutEint_Virtual_Device* IntDevice;
PinDevice_Virtual_Device *
W5100_Cs;
PinDevice_Virtual_Device *
W5100_RESET;
由于W5100实设备需要几个简单设备配合来完成其功能，因此设计W5100实设备驱动拥有这些简单设备的指针，可以看出这些指针是指向简单虚设备对象的指针。
声明为指向基类对象的指针，当它指向公有派生类对象时，可以利用它来直接访问派生类中从基类继承下来的成员，不能直接访问公有派生类中特定的成员。
采用面向对象中模式编程法则中的依赖反转法则：依赖抽象而不依赖具体[12]。
在main.cpp首先声明如下的实设备，如下：