嵌入式Linux下IC卡接口設計與驅動(dòng)開(kāi)發(fā)

摘要  L i n u x系統中，設備驅動(dòng)程序提供了設備和上層應用空間的標準抽象接口，使得硬件響應這個(gè)標準的內部編程接口；而用戶(hù)則可以通過(guò)一組標準化的系統調用對硬件設備進(jìn)行打開(kāi)、關(guān)閉、讀寫(xiě)、參數控制設置等特定的操作。本文首先介紹L i n u x下設備模塊的概念和基本分類(lèi)，然后介紹I c卡設備的硬件接口設計以及在L i n u x系統下如何應用字符設備開(kāi)發(fā)I c卡設備驅動(dòng)模塊。

關(guān)鍵詞  嵌入式Linux    設備驅動(dòng)  IC卡設備

 

引  言    

隨著(zhù)現代工業(yè)社會(huì )逐步向信息社會(huì )的過(guò)渡，信息將扮演愈來(lái)愈重要的角色，成為現代經(jīng)濟生活中的成功要素。IC卡作為卡基應用系統中的一種卡型，是利用安裝在卡中的集成電路(IC)來(lái)記錄和傳遞信息的；具有存儲量大、數據保密性好、抗干擾能力強、存儲可靠、讀寫(xiě)設備簡(jiǎn)單、操作速度快、脫機工作能力強等優(yōu)點(diǎn)，其應用范圍極為廣泛。

我們基于公用電話(huà)IC卡的應用，開(kāi)發(fā)了多媒體信息終端產(chǎn)品，在傳統公用IC卡電話(huà)功能的基礎上增加了上網(wǎng)、郵件、電子支付、信息瀏覽等各種多媒體功能，統一采用公用電話(huà)IC卡進(jìn)行收費。目前設計的IC卡讀寫(xiě)器和驅動(dòng)軟件已經(jīng)應用于我們的多媒體終端產(chǎn)品中。

 

1  嵌入式Linux下設備驅動(dòng)模塊簡(jiǎn)介    

Linux系統將設備分成三種類(lèi)型：字符設備、塊設備和網(wǎng)絡(luò )接口。三種類(lèi)型設備定義如下：    

字符設備：字符設備是指能夠像字節流(比如文件)一樣被訪(fǎng)問(wèn)的設備，如字符終端(／dev／con s01e)和串口(／dev／ttys0)以及類(lèi)似設備。字符設備對應文件系統中的節點(diǎn)，用戶(hù)則通過(guò)此文件節點(diǎn)訪(fǎng)問(wèn)和控制設備。    

塊設備：塊設備和字符設備一樣可以通過(guò)文件系統節點(diǎn)來(lái)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，Linux允許應用程序像字符設備那樣讀寫(xiě)塊設備。    

網(wǎng)絡(luò )接口：任何網(wǎng)絡(luò )設備都要經(jīng)過(guò)一個(gè)網(wǎng)絡(luò )接口，即一個(gè)能夠和其它主機交換數據的設備。通常接口是個(gè)硬件設備，但也可能是個(gè)純軟件設備，比如回環(huán)(100pback)接口。Linux訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )接口的方法是分配一個(gè)唯一的名字。    

Module是Linux內核的一大創(chuàng )新，其正規的叫法應該是Loadable Kernel Module，  即可安裝模塊?？砂惭b模塊實(shí)現了Linux操作系統的可擴展性。模塊運行在內核空間環(huán)境中，它的程序運行函數庫都是在內核空間定義，而不是在用戶(hù)函數庫空間。Linux模塊的最方便之處為可加載和卸載。Linux操作系統提供了系統調用in smod和rmmod可隨時(shí)將自己開(kāi)發(fā)的模塊進(jìn)行加載和卸載。    

根據Linux設備分類(lèi)，設備驅動(dòng)模塊也可大致分為字符模塊(char module)、塊模塊(block module)和網(wǎng)絡(luò )模塊(network module)三種。

 

2  IC卡設備觸點(diǎn)硬件電路介紹    

IC卡硬件觸點(diǎn)接口及信號如圖1所示。


C1：VCC電源電壓。

C2：RST復位信號。

C3：cLK時(shí)鐘信號。

C4：未用。

C5：GND。

C6：VPP編程電壓。

C7：I／O數據輸入／輸出口線(xiàn)。

C8：未用。

以上觸點(diǎn)中，VPP編程電壓觸點(diǎn)是廠(chǎng)家生產(chǎn)卡時(shí)編程所用，用戶(hù)卡讀寫(xiě)時(shí)沒(méi)有應用。所以準確地說(shuō)，只有五個(gè)觸點(diǎn)分別連接來(lái)自外部主控制器的五個(gè)控制信號。  設備復位后的后續操作可包括卡的地址設定操作、讀寫(xiě)操作、擦除操作。針對以上卡的各種操作皆有嚴格的信號控制時(shí)序，詳情可參照各種應用卡的DATASHEET。  IC卡作為卡基應用系統中的一種卡型，是利用安裝在卡中的集成電路(IC)來(lái)記錄和傳遞信息的，所以IC卡皆有特定的存儲位圖。具體存儲位圖針對應用領(lǐng)域的不同和標準的不同具有不同的位圖定義，詳細情況請參見(jiàn)自己開(kāi)發(fā)應用卡的DATASHEET資料。在驅動(dòng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，也只有完全清楚這些位圖定義后才能將所讀取的數據按照位圖定義協(xié)議進(jìn)行譯碼而得到自己最終需要的各種數據。 {{分頁(yè)}}

 

3  IC卡讀卡電路簡(jiǎn)介  

IC卡讀卡接口電路框圖如圖2所示。  


我們采用MPC823E作為主處理器。因為IC觸點(diǎn)工作電壓為5V，而主控制器的工作電壓為3.3V，所以在讀卡器中設計了中間電平轉化驅動(dòng)電路，同時(shí)增加了控制信號的驅動(dòng)能力。為了實(shí)時(shí)檢測插卡操作，在插卡器電路中設置一開(kāi)關(guān)電路，接主控制器的控制口線(xiàn)，用于檢測是否插卡。

 

4  IC卡設備驅動(dòng)模塊的實(shí)現詳解  

下面以我們采用的公用電話(huà)機通用的IC卡為例，通過(guò)已實(shí)現代碼來(lái)說(shuō)明整個(gè)IC卡設備驅動(dòng)模塊。

(1)數據結構的確定  

編輯頭文件ICDATA.H，確定在驅動(dòng)模塊程序中應用的公用數據結構。驅動(dòng)模塊的最終目的是讀取和寫(xiě)入卡數據處理，所以規范整齊的數據結構是必須的?？梢远x一個(gè)數據結構體來(lái)實(shí)現卡數據的存儲區域、數據地址索引、控制標志位等，如：

slruct ICDATA {

char*readbuffstrt；     //讀入數據緩沖區首指針

char*readbuffend；     //讀入數據緩沖區末指針  

char*writebuffstart；    //寫(xiě)入數據緩沖區首指針

char*writebuffend；     //寫(xiě)入數據緩沖區末指針

int readcount；         //讀入數據量

int writecount；        //寫(xiě)入數據量

char *readp；          //讀人數據當前指針

int readnum；          //已經(jīng)讀入量

char *writep；         //當前寫(xiě)入數據指針

int writenum；         //當前寫(xiě)入量

int newstate；          //卡當前狀態(tài)，O為無(wú)卡，1為有卡

int oldstate；           //卡的舊狀態(tài)

int statechange；        //卡狀態(tài)變化標志  

}；struct file_operations ic_fops={    

open：    icopen，    

read：    icread，    

write：    icwrite，    

poll：     icpoll，    }；

這樣在驅動(dòng)模塊中，只需要struct ICDATA iccdata；一條語(yǔ)句便可定義全部的卡處理數據結構定義；而ic_fops則定義了設備操作映射函數結構。從這個(gè)數據結構看，我們實(shí)現了IC卡設備的打開(kāi)、讀、寫(xiě)和監控函數。

(2)硬件接口控制線(xiàn)控制子函數

這些函數用作進(jìn)行卡復位、時(shí)鐘等信號的控制。static void setclkout(void){  

#define PB_DR26     ((ushort)0x0020)    

volatile immap_t*immap=(immap_t*)IMAP_ADDR；    

(void)immap；    

immap=>im_cpm.cp_pbpat &=～(PB_DR26)； 

immap->im_cpm.cp_pbdirl=PB_DR26；    }    

以上是以我們開(kāi)發(fā)的硬件系統平臺為例的硬件控制接口操作函數之一，用于控制IC卡的復位信號置1。針對不同硬件平臺，函數內部操作方法不盡相同。類(lèi)似的其它操作函數還有：    

static void setrstout(void)    

static void clearrst(void)    

static void setclk(void)    

static void setrst(void)    

static void clearclk(void)    

static void setsda(void)    

static void clearsda(void)    

static void setsdain(void)    

static void setsdaout(void)  {{分頁(yè)}}

(3)模塊初始化函數的實(shí)現  

static int_init

init_ic(void){

initicdata(&icdata)；

init waitqueue head(&icdev readq)；

init_waitqueue_head(&icdev．writeq)；

timer task．routine=(void(*)(void*))timer_do_tasklet：

timer task．data=(void *)&icdata；

mSxx_timersetup（）；

m8xx_timer_start（）；

result=register_chrdev(majorl，“IC”，&ic_fops)；

return 0：

}   

模塊初始化函數是模塊開(kāi)發(fā)過(guò)程中必不可少的處理函數，用于實(shí)現設備的初始化、中斷初始化及處理、設備注冊等。在上面函數中，首先應用initicdata(＆icdata)實(shí)現了卡數據的初始化，然后定義了隊列數據。再進(jìn)行了中斷處理函數的綁定、中斷申請以及中斷初始化。最后實(shí)現了IC卡字符設備的申請。設備名為IC。

(4)中斷處理

模塊采用了MPC823E的定時(shí)器中斷，在每個(gè)定時(shí)器中斷發(fā)生時(shí)對插卡狀況進(jìn)行檢測。如果檢測到插卡，則進(jìn)行讀卡操作；如果檢測到拔卡操作，則進(jìn)行卡數據的清零和卡狀態(tài)數據的更新。

程序中的中斷處理采用了timer_task任務(wù)隊列來(lái)實(shí)現中斷的后續處理。其處理函數為time r_do_tasklet。M8xx timer_setup()函數首先進(jìn)行MPC823E定時(shí)器的初始化和參數設定。然后應用語(yǔ)句CPm_in stall_handler rCPMVEC TIMER4，m8xx_timerinterrupt，(void*)0)；實(shí)現了中斷處理的資源申請和中斷處理函數m 8 x x_timer_interrupt()的綁定。

中斷處理函數中采用語(yǔ)句

queue_task(&timer_task，&tq_immediate)；

mark_bh(IMMEDIATE_BH)；

實(shí)現了任務(wù)隊列timer_task加入內核tq_immediate的任務(wù)隊列處理。內核在合適的時(shí)間會(huì )自動(dòng)調用timer_task的例行處理函數timer_do_taskletO進(jìn)行中斷的后續處理。    

在time r dO_ta sklet()處理函數中，有一條語(yǔ)句wake up interruptible(&icde v．writeq)與ic_poll函數中的D011_wait(flip，&icdev．writeq，wait)相對應。當中斷發(fā)生時(shí)，將等待時(shí)間隊列icdev．writeq激活；而poll_wait函數則針對此隊列進(jìn)行監控。一旦被激活，則可以傳遞給用戶(hù)插卡操作信息，在用戶(hù)應用軟件中可立即調用讀函數進(jìn)行讀卡操作。這樣就實(shí)現了對卡的實(shí)時(shí)操作監控。

(5)模塊注銷(xiāo)函數的實(shí)現

static void_exit

remove_ic(void){  

m8xx_timer_stop()；  

cpm_free_handler(CPMVEC_TIMERl)；  

unregister_chrdev(majorl，“IC”)；

}    

這個(gè)函數也是模塊驅動(dòng)開(kāi)發(fā)中必不可少的函數之一，用于模塊卸載時(shí)進(jìn)行資源的釋放，并注銷(xiāo)此模塊。如上函數所示，首先進(jìn)行了中斷的停止、釋放中斷資源，同時(shí)進(jìn)行了字符設備的注銷(xiāo)。

(6)設備讀、寫(xiě)、監控等子函數 

用來(lái)實(shí)現對卡的操作，主要是通過(guò)實(shí)現卡的各種操作時(shí)序。也即在ic_fop s結構體中定義的4個(gè)操作函數：icopen用于打開(kāi)卡設備，進(jìn)行一些數據的初始化操作；icread()用于插卡操作時(shí)讀取卡數據；icwrite()用于寫(xiě)卡；icpoll（）用于實(shí)現卡的實(shí)時(shí)監控。{{分頁(yè)}}    

綜上所述，卡驅動(dòng)模塊的基本實(shí)現原理是：申請中斷資源，當有插卡操作發(fā)生時(shí)，引發(fā)中斷，進(jìn)行讀卡操作。在拔卡操作時(shí)也能引發(fā)中斷，同時(shí)進(jìn)行相應數據處理。同時(shí)提供poll()函數接口，用戶(hù)可采用此函數對設備進(jìn)行監控，從而實(shí)現有卡操作發(fā)生時(shí)馬上進(jìn)行卡數據的更新。

注：驅動(dòng)程序源碼見(jiàn)本刊網(wǎng)站W(wǎng)WW．dpj．tom．cn。5  驅動(dòng)模塊開(kāi)發(fā)的編譯調試    以開(kāi)發(fā)平臺和編譯器為例編寫(xiě)簡(jiǎn)單的makefile文件為：

CC=ppc 8xx_gcc 

DD=．nostdinc．DMODULE-D_KERNEL_I／mykeme Finclude.Wall-Wstrict-prototypes-Wno-trigraphs-02-fomit-frame-pointer-fno-strict-aliasing-fno-common-I／mykernel／arch／ppc-fsigned-char-resort-float-pipe-ffixed-r2-Wno-uninitialized-mmultiple-mstring-fno-builtin-I／Opt／hardhat/devkit／ppc／8xx／target／usr／lib／gcc-lib／powerpc-hardhat-linux／3．2．1／include ie．o：ic．C  

$(CC)$(DD)-C ic．c 

install：    

make ic．o 

clean：    

rn*o    

執行命令make install，便可以實(shí)現驅動(dòng)模塊的動(dòng)態(tài)編譯。       

內核提供了兩個(gè)應用程序insmod和rmmod來(lái)實(shí)現內核模塊的動(dòng)態(tài)加載和去除。在模塊編譯當前目錄下執行命令

mknod/dev/charmodule c2540    

建立與此設備模塊對應的設備文件節點(diǎn)。c表示為字符設備，254表示主設備號，0表示子設備號。

執行命令insmod ic.o，可實(shí)現模塊動(dòng)態(tài)加載；而命令rmmod ic可實(shí)現模塊的動(dòng)態(tài)去除。

 

6  驅動(dòng)模塊的靜態(tài)編譯進(jìn)內核

①將模塊驅動(dòng)源文件拷貝進(jìn)/drivers/char/目錄下；

②修改/drivers/char/Makefile文件，添加obj-$(CONFIG_MYMODULE)+=ic.o

③在/drivers/char/config.in文件中添加config CONFIG_MYMODULE

bool “IC”CONFIG_MYMODULE

④進(jìn)入編譯內核目錄，執行make menuconfig。

在character devices 目錄下即可見(jiàn)到IC選項。選擇，然后執行編譯命令，即可編入內核或僅編譯模塊：

make mrproper

make menuconfig

make CROSS_COMPILE=ppc_8xx-gcc

make modules CROSS_COMPILE=ppc_8xx-gcc

即可只編譯內核。在源文件目錄下可見(jiàn)到ic.o。

 

7  總結

用基本的字符設備實(shí)現IC卡設備的驅動(dòng)模塊開(kāi)發(fā)。內核驅動(dòng)模塊的開(kāi)發(fā)是與硬件直接接觸的。針對硬件的不同，其內部處理方法也千變萬(wàn)化。對于內核模塊開(kāi)發(fā)，最有效的學(xué)習途徑和最好的學(xué)習文檔就是Linux的內核源代碼。同時(shí)，加入一些Linux的郵件開(kāi)發(fā)組也將獲益匪淺。