牛津文

摘 要：近年來，國(guó)產(chǎn)化芯片技術(shù)日趨成熟，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，尤其是變電站自動(dòng)化領(lǐng)域，越來越多的全國(guó)產(chǎn)化自動(dòng)化設(shè)備投入使用。但與之前采用進(jìn)口成熟芯片的硬件平臺(tái)驅(qū)動(dòng)及接口不同，國(guó)產(chǎn)化硬件平臺(tái)在硬件架構(gòu)、硬件驅(qū)動(dòng)、接口實(shí)現(xiàn)方面存在較大差異，因此移植現(xiàn)有軟件平臺(tái)至國(guó)產(chǎn)化硬件平臺(tái)以及開發(fā)國(guó)產(chǎn)硬件平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)適配接口將是關(guān)鍵點(diǎn)及難點(diǎn)。本文提供一種自適應(yīng)網(wǎng)關(guān)機(jī)及服務(wù)器的硬件驅(qū)動(dòng)方法，有效解決電力監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備無法自動(dòng)匹配不同硬件平臺(tái)驅(qū)動(dòng)的問題。

關(guān)鍵詞：B+樹;驅(qū)動(dòng)建模;動(dòng)態(tài)匹配;接口固化

中圖分類號(hào)：TP316 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）06-0029-04

A Hardware Drive Method of Adaptive Gateway Device and Server

NIU Jinwen

（Xuji Group Co.， Ltd.，Xuchang Henan 461000）

Abstract： In recent years， localized chip technology has become increasingly mature， and the application field has been expanding， especially in the field of substation automation， more and more national production automation equipment has been put into use. However， unlike the previous hardware platform drivers and interfaces that used imported mature chips， the localized hardware platform has big differences in hardware architecture， hardware drivers， and interface implementation， therefore， transplanting the existing software platform to the domestic hardware platform and developing the driver adaptation interface of the domestic hardware platform will be the key and difficult points. This paper provided an adaptive gateway machine and server hardware drive method， which effectively solved the problem that the automation equipment of the power monitoring system could not automatically match the drive of different hardware platforms.

Keywords： B + tree;driver modeling;dynamic matching;interface solidification

網(wǎng)關(guān)機(jī)[1]及服務(wù)器等變電站自動(dòng)化系統(tǒng)及設(shè)備是確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，目前，變電站監(jiān)控系統(tǒng)[2]的核心芯片大量依靠進(jìn)口，操作系統(tǒng)仍大量采用國(guó)外系統(tǒng)，存在巨大安全隱患。2019年以來，國(guó)產(chǎn)化系統(tǒng)及設(shè)備逐步得到推廣，有助于解決變電站電力監(jiān)控系統(tǒng)的安全隱患。另外，在國(guó)產(chǎn)芯片及器件普遍使用的情形下，其與之前采用的成熟進(jìn)口芯片的驅(qū)動(dòng)及接口必然存在較大差異，因此移植現(xiàn)有軟件平臺(tái)至國(guó)產(chǎn)化硬件平臺(tái)，開發(fā)國(guó)產(chǎn)硬件平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)適配接口將是關(guān)鍵點(diǎn)及難點(diǎn)。

本文提出一種自適應(yīng)網(wǎng)關(guān)機(jī)及服務(wù)器[3]的硬件驅(qū)動(dòng)方法，該方法包括建立通用驅(qū)動(dòng)接口動(dòng)態(tài)庫(kù)，包含所有硬件的驅(qū)動(dòng)接口程序;對(duì)所有硬件的驅(qū)動(dòng)接口進(jìn)行模型創(chuàng)建;對(duì)加載的硬件驅(qū)動(dòng)接口模型與硬件的驅(qū)動(dòng)接口程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)匹配;成功匹配后，對(duì)動(dòng)態(tài)匹配成功的接口程序進(jìn)行固化，實(shí)現(xiàn)硬件驅(qū)動(dòng)接口固化[4]。設(shè)備包括通用驅(qū)動(dòng)接口動(dòng)態(tài)庫(kù)系統(tǒng)，包含所有硬件的驅(qū)動(dòng)接口程序;硬件驅(qū)動(dòng)接口模型系統(tǒng)包括所有硬件的驅(qū)動(dòng)接口模型;動(dòng)態(tài)匹配[5]系統(tǒng)用于將加載的硬件驅(qū)動(dòng)接口模型與硬件的驅(qū)動(dòng)接口程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)匹配;接口固化系統(tǒng)用于對(duì)動(dòng)態(tài)匹配成功的接口程序進(jìn)行固化，實(shí)現(xiàn)硬件驅(qū)動(dòng)接口固化。本發(fā)明有效解決電力監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備無法自動(dòng)匹配不同硬件平臺(tái)驅(qū)動(dòng)的問題。

1 通用驅(qū)動(dòng)接口機(jī)制

自適應(yīng)硬件驅(qū)動(dòng)的方法引入驅(qū)動(dòng)建模、動(dòng)態(tài)匹配、接口固化等機(jī)制，有效地解決電力監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備無法自動(dòng)匹配不同硬件平臺(tái)驅(qū)動(dòng)的問題，硬件驅(qū)動(dòng)原理架構(gòu)如圖1所示。

為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)機(jī)、服務(wù)器等自動(dòng)化設(shè)備自適應(yīng)不同硬件平臺(tái)驅(qū)動(dòng)，首先需要統(tǒng)一、固化應(yīng)用程序調(diào)用的硬件驅(qū)動(dòng)接口[6]函數(shù)，因此要引入通用驅(qū)動(dòng)接口動(dòng)態(tài)庫(kù)，由應(yīng)用程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)鏈接[7]、靜態(tài)加載[8]，實(shí)現(xiàn)對(duì)下動(dòng)態(tài)加載、對(duì)上統(tǒng)一接口的分層設(shè)計(jì)[9]理念。

針對(duì)不同硬件平臺(tái)的不同驅(qū)動(dòng)接口預(yù)定義在通用硬件驅(qū)動(dòng)接口程序中，并按照其功能類型、返回類型、參數(shù)類型等參數(shù)以B+樹[10]的形式存儲(chǔ)在內(nèi)存中，提高硬件驅(qū)動(dòng)接口動(dòng)態(tài)匹配檢索效率。

然后，對(duì)于不同硬件平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)接口，根據(jù)自定義模型規(guī)則，以XML文件[11]的形式創(chuàng)建不同硬件驅(qū)動(dòng)模型，模型內(nèi)容包括接口功能、返回類型及返回值、參數(shù)個(gè)數(shù)、參數(shù)類型等驅(qū)動(dòng)接口的詳細(xì)描述，實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)硬件驅(qū)動(dòng)的模型創(chuàng)建。

硬件驅(qū)動(dòng)模型創(chuàng)建后，由通用硬件驅(qū)動(dòng)接口程序讀取、解析硬件驅(qū)動(dòng)模型文件，根據(jù)模型參數(shù)，如接口功能、返回類型、參數(shù)類型等參數(shù)檢索預(yù)定義驅(qū)動(dòng)接口列表進(jìn)行精確動(dòng)態(tài)匹配。

匹配成功后，通用硬件驅(qū)動(dòng)接口動(dòng)態(tài)加載硬件驅(qū)動(dòng)平臺(tái)動(dòng)態(tài)庫(kù)至內(nèi)存，根據(jù)驅(qū)動(dòng)模型中的接口名稱，獲取相應(yīng)接口地址賦值給動(dòng)態(tài)匹配的預(yù)定義接口函數(shù)，達(dá)到接口固化的目的，最終實(shí)現(xiàn)不同硬件驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的自適應(yīng)接口調(diào)用。

2 自適應(yīng)硬件驅(qū)動(dòng)流程

為解決不同硬件平臺(tái)提供的硬件驅(qū)動(dòng)存在較大差異，并且更換硬件需要修改調(diào)用接口的應(yīng)用程序以適應(yīng)新硬件驅(qū)動(dòng)的問題，引入通用驅(qū)動(dòng)接口機(jī)制，為調(diào)用的應(yīng)用程序提供固定的硬件驅(qū)動(dòng)接口，實(shí)現(xiàn)通用、統(tǒng)一自適應(yīng)硬件驅(qū)動(dòng)接口功能，使得每一步實(shí)現(xiàn)都具備通用性、可移植性，具體流程如圖2所示。

從圖2可以看出，自適應(yīng)硬件驅(qū)動(dòng)方法的整體過程從通用驅(qū)動(dòng)接口初始化預(yù)定義硬件驅(qū)動(dòng)接口列表開始，即根據(jù)預(yù)定義接口功能、接口類型、參數(shù)類型等信息創(chuàng)建B+樹結(jié)構(gòu)。接下來分別將硬件驅(qū)動(dòng)模型與硬件驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)庫(kù)加載至內(nèi)存，然后根據(jù)硬件驅(qū)動(dòng)接口模型中的配置檢索B+樹進(jìn)行動(dòng)態(tài)匹配，此匹配方式為精確匹配，即所有驅(qū)動(dòng)接口的所有參數(shù)匹配成功才判定為匹配成功。最后通過硬件驅(qū)動(dòng)接口名稱與硬件驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)庫(kù)獲取實(shí)際接口指針地址賦值給精確匹配的預(yù)定義硬件驅(qū)動(dòng)接口，完成跨平臺(tái)的自適應(yīng)硬件驅(qū)動(dòng)。

3 自適應(yīng)硬件驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方案

通用驅(qū)動(dòng)接口初始化預(yù)定義硬件驅(qū)動(dòng)接口結(jié)束后，要對(duì)硬件驅(qū)動(dòng)接口進(jìn)行模型創(chuàng)建，然后對(duì)預(yù)定義接口進(jìn)行B+樹的創(chuàng)建，最后進(jìn)行硬件驅(qū)動(dòng)接口的動(dòng)態(tài)匹配與固化，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的硬件平臺(tái)驅(qū)動(dòng)接口實(shí)例化。

3.1 驅(qū)動(dòng)建模機(jī)制

為解決通用驅(qū)動(dòng)接口無法任意加載不同平臺(tái)的硬件驅(qū)動(dòng)問題，本文采用動(dòng)態(tài)加載方式，并引入硬件驅(qū)動(dòng)建模機(jī)制，通過配置規(guī)則對(duì)不同的硬件驅(qū)動(dòng)功能接口進(jìn)行模型創(chuàng)建，實(shí)現(xiàn)不同類型硬件驅(qū)動(dòng)的統(tǒng)一建模。模型配置文件如圖3所示。

如圖3所示，硬件驅(qū)動(dòng)接口模型由XML文件配置生成，主要描述了硬件驅(qū)動(dòng)接口功能類型、返回類型、參數(shù)類型等信息，并且可以同時(shí)配置多個(gè)硬件型號(hào)的驅(qū)動(dòng)接口模型，但是通用驅(qū)動(dòng)接口僅加載DRIVER_MODEL標(biāo)簽中enable等于1的硬件型號(hào)模型。其中，DRIVER_MODEL標(biāo)簽分別描述不同硬件平臺(tái)型號(hào)的使能參數(shù)enable，即此硬件平臺(tái)是否啟用;驅(qū)動(dòng)名稱name為硬件驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)庫(kù)的全路徑名稱;硬件描述desc為硬件平臺(tái)型號(hào)信息。

FUNC標(biāo)簽描述了驅(qū)動(dòng)接口的功能類型tpye，即該接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)的功能類型（自定義）;接口名稱name為函數(shù)定義名稱;參數(shù)個(gè)數(shù)paranum為接口函數(shù)傳入?yún)?shù)的數(shù)量;描述desc為驅(qū)動(dòng)接口的功能描述。

RETURN標(biāo)簽描述了驅(qū)動(dòng)接口返回值類型type，其子標(biāo)簽VALUE采用鍵-值對(duì)的方式描述了返回值的取值范圍，其中key等于1表示成功，等于2表示失敗，分別對(duì)應(yīng)的val值為0和-1。

PARA標(biāo)簽描述了驅(qū)動(dòng)接口的參數(shù)類型，其子標(biāo)簽VALUE同樣采用鍵-值對(duì)的方式描述了參數(shù)的取值范圍，key的取值根據(jù)不同的參數(shù)功能進(jìn)行定義，比如，取值1表示點(diǎn)亮LED，取值2表示熄滅LED，以此對(duì)應(yīng)val的取值內(nèi)容。

3.2 硬件驅(qū)動(dòng)接口B+樹結(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)接口的動(dòng)態(tài)匹配主要根據(jù)模型參數(shù)對(duì)B+樹結(jié)構(gòu)的接口列表進(jìn)行檢索，B+樹具備查詢次數(shù)少、性能穩(wěn)定、便于范圍查詢等優(yōu)勢(shì)，因此很大程度上提升了動(dòng)態(tài)匹配效率。驅(qū)動(dòng)接口B+樹示意圖如圖4所示。

如圖4所示，通用驅(qū)動(dòng)接口程序初始化時(shí)，首先根據(jù)預(yù)定義的所有硬件驅(qū)動(dòng)接口和功能類型創(chuàng)建m階B+樹，m取值5，具體流程如下：B+樹為空樹，創(chuàng)建一個(gè)節(jié)點(diǎn)將記錄1插入其中，此時(shí)這個(gè)葉子結(jié)點(diǎn)也是根結(jié)點(diǎn)，插入操作結(jié)束;根據(jù)key值找到葉子結(jié)點(diǎn)，向這個(gè)葉子結(jié)點(diǎn)插入記錄，插入后，若當(dāng)前結(jié)點(diǎn)key的個(gè)數(shù)不大于m-1，則插入結(jié)束，否則，要對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分裂;由于此處按照類型序號(hào)依次插入，因此節(jié)點(diǎn)插入5時(shí)，要將葉子結(jié)點(diǎn)分裂成左右兩個(gè)葉子結(jié)點(diǎn)，左葉子結(jié)點(diǎn)包含前m/2個(gè)（2個(gè)）記錄，右結(jié)點(diǎn)包含剩下的記錄，將第m/2+1個(gè)（3個(gè)）記錄的key進(jìn)位到父結(jié)點(diǎn)中，進(jìn)位到父結(jié)點(diǎn)的key左孩子指針指向左結(jié)點(diǎn)，右孩子指針指向右結(jié)點(diǎn)。將當(dāng)前結(jié)點(diǎn)的指針指向父結(jié)點(diǎn);依據(jù)此規(guī)則，B+樹自下而上進(jìn)行依次分裂，直至結(jié)束。

硬件驅(qū)動(dòng)接口的功能類型越豐富，檢索及動(dòng)態(tài)匹配的效率優(yōu)勢(shì)越能夠體現(xiàn)出來。

3.3 硬件動(dòng)態(tài)匹配機(jī)制

硬件驅(qū)動(dòng)模型解析后，根據(jù)模型參數(shù)，檢索硬件驅(qū)動(dòng)接口列表進(jìn)行動(dòng)態(tài)匹配，其間采用精準(zhǔn)匹配模式，即列表中的最小葉子節(jié)點(diǎn)函數(shù)必須與模型中的所有參數(shù)完全一致才算匹配成功，否則匹配失敗。動(dòng)態(tài)匹配的主要過程是根據(jù)模型參數(shù)對(duì)B+樹結(jié)構(gòu)的接口列表進(jìn)行檢索，B+樹具備查詢次數(shù)少、性能穩(wěn)定、便于范圍查詢等優(yōu)勢(shì)，因此很大程度上提升了動(dòng)態(tài)匹配效率。動(dòng)態(tài)匹配流程如圖5所示。

如圖5所示，動(dòng)態(tài)匹配過程分為兩部分，第一部分根據(jù)解析硬件驅(qū)動(dòng)模型獲取驅(qū)動(dòng)接口類型范圍，然后遍歷預(yù)定義驅(qū)動(dòng)接口B+樹檢索出對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)信息;第二部分則根據(jù)解析硬件驅(qū)動(dòng)模型獲取的驅(qū)動(dòng)接口返回值類型、參數(shù)個(gè)數(shù)、參數(shù)類型，依次匹配節(jié)點(diǎn)信息，并最終定位到需要調(diào)用的接口函數(shù)進(jìn)行接口固化。

由于硬件設(shè)備所承擔(dān)的業(yè)務(wù)不盡相同，硬件驅(qū)動(dòng)接口的類型也有所差異，接口類型越豐富的硬件驅(qū)動(dòng)，越能體現(xiàn)出動(dòng)態(tài)匹配的效率優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

本文提出一種自適應(yīng)硬件驅(qū)動(dòng)的方法，包括驅(qū)動(dòng)建模、動(dòng)態(tài)匹配、接口固化。驅(qū)動(dòng)建模用于對(duì)不同硬件平臺(tái)提供的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行模型創(chuàng)建，主要包括驅(qū)動(dòng)名稱、接口功能、參數(shù)類型等信息，其間通過XML文件的形式對(duì)驅(qū)動(dòng)程序及其提供的接口功能進(jìn)行統(tǒng)一建模，以便通用接口程序進(jìn)行正確解析并加載至內(nèi)存;動(dòng)態(tài)匹配用于通用接口程序解析模型后，根據(jù)接口功能、參數(shù)個(gè)數(shù)、參數(shù)類型等參數(shù)，依次與預(yù)定義的硬件驅(qū)動(dòng)接口列表進(jìn)行動(dòng)態(tài)匹配，最終選擇匹配成功的接口函數(shù)作為調(diào)用的硬件驅(qū)動(dòng)接口;接口固化用于根據(jù)硬件驅(qū)動(dòng)程序與硬件驅(qū)動(dòng)模型獲取接口地址，并將其固化至對(duì)應(yīng)匹配成功的預(yù)定義驅(qū)動(dòng)接口，完成不同廠家自適應(yīng)硬件驅(qū)動(dòng)接口的選擇，最終在不擴(kuò)展通用驅(qū)動(dòng)接口程序的基礎(chǔ)上，僅通過配置硬件驅(qū)動(dòng)模型及更換硬件平臺(tái)提供的驅(qū)動(dòng)程序完成應(yīng)用程序在不同硬件之間的無縫切換。

參考文獻(xiàn)：

[1]李世群，顧穎，郭飛，等.智能變電站數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)遙測(cè)處理優(yōu)化研究[J].電工電氣，2020（11）：72-74.

[2]高翔，周健，周紅，等.IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)在南橋變電站監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006（16）：105-107.

[3]余勁，黃皓，諸渝，等.DBox：宏內(nèi)核下各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的高性能安全盒[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2020（4）：724-739.

[4]曹慧，程宏斌，汪洋，等.FPGA多重配置在LED顯示控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].液晶與顯示，2020（5）：51-58.

[5]水為漣，王成亮，楊慶勝，等.基于動(dòng)態(tài)均衡原理的并聯(lián)VSG參數(shù)匹配方法[J].電力電子技術(shù)，2020（8）：28-30.

[6]郝強(qiáng).基于硬件仿真器的PCIe接口驗(yàn)證方法的研究和實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2020（8）：83-85.

[7]苗維誠(chéng)，朱文婕.基于動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].太原學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020（1）：87-90.

[8]李璜華，李凌，趙宇，等.一種包解析器硬件配置描述語言及其編譯結(jié)構(gòu)[J].軟件學(xué)報(bào)，2020（8）：7-30.

[9]李天成，陳天星，楊創(chuàng)，等.基于分層技術(shù)的居家智能系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[J].電腦編程技巧與維護(hù)，2020（3）：125-127.

[10]張小陸.基于B+樹的電力大數(shù)據(jù)混合索引設(shè)計(jì)分析[J].電子設(shè)計(jì)工程，2020（22）：13-16.

[11]王森林，喻杰奎，趙建宜，等.基于XML技術(shù)的光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].信息技術(shù)，2020（4）：96-99.