采用ARM+Linux 的儀器控制系統設計

0 引 言

　　嵌入式系統的開(kāi)發(fā)都有其特殊的應用場(chǎng)合與特定功能，而嵌入式Linux操作系統因其開(kāi)源和廣泛的處理器支持、易于移植而備受行業(yè)青睞。AT91RM9200是Atmel公司針對系統控制、通信領(lǐng)域推出的基于ARM920T內核的32位RISC微處理器，它具有小體積，低功耗，低成本及高性能等特點(diǎn)，其內部集成了SPI、串口、PIO、以太網(wǎng)、EBI、USB、MCI等多種接口。

　　在Linux系統中，應用層不可以直接操作硬件，需設計驅動(dòng)程序向下屏蔽硬件特性，實(shí)現硬件與用戶(hù)間的通信。系統平臺為在虛擬機中安裝Fedora 8，目標系統采用Linux 2．6．21．7內核，定制文件系統建立NFS根文件系統，使用雙網(wǎng)卡方式搭建成交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境，并使用超級終端或minicom作為控制臺。

　　l 設備驅動(dòng)程序設計

　　該控制系統框架如圖1所示。ARM通過(guò)USARTl接收外來(lái)的控制命令，通過(guò)SPI接口和通用PIO口與外部設備通信，達到控制作用。在Linux下，所有的設備以文件的形式來(lái)使用。其中Linux已經(jīng)提供了支持AT91RM9200的SPI驅動(dòng)，DBGU和UART驅動(dòng)，只要對其源代碼進(jìn)行一些修改并在編譯內核時(shí)將其選中就可以直接使用。所以主要集中在PIO口驅動(dòng)設計中，外部設備使用一個(gè)．PB29引腳(即IRQO)作為外部中斷信號提供給ARM，另外使用一些I／O引腳對外部設備進(jìn)行控制。

　　Linux設備分為3類(lèi)：字符設備、塊設備和網(wǎng)絡(luò )設備，該系統設計的是模塊化字符設備驅動(dòng)程序。Linux 2．6內核與Linux 2．4內核主要有3點(diǎn)不同：

　　(1)內核的API變化，增加了不少新功能；

　　(2)提供了sysfs用于描述設備樹(shù)；

　　(3)驅動(dòng)模塊從．o變?yōu)椋甼o。

　　1．1 驅動(dòng)程序重要數據結構

　　打開(kāi)的設備在內核內部由file結構標識，內核使用file_operaTIons結構訪(fǎng)問(wèn)驅動(dòng)程序的函數。file_opera_tions結構是一個(gè)定義在Linux／fs．h>中的函數指針數組。下面主要介紹常用的幾個(gè)成員：

　　在這些函數指針中，open和release用于設備的打開(kāi)和關(guān)閉，是每個(gè)驅動(dòng)程序必須實(shí)現的函數。其他函數根據實(shí)際需要來(lái)實(shí)現，在該項目中實(shí)現方式如下：

　　另一個(gè)重要數據結構是file結構體，主要包括以下成員：

　　它代表一個(gè)打開(kāi)的文件，只出現在內核空間，與用戶(hù)空間的file是不同的。在open操作時(shí)創(chuàng )建，然后傳遞給file_operations的其他函數指針，直到close。

　　第三個(gè)重要數據結構即inode，其成員包括：dev_ti_rdev和struet cdev*i_cdev，其中i_rdev中包含實(shí)際設備號，可以通過(guò)下面兩個(gè)宏函數獲取主從設備號：

　　初始化file_operations結構體后，要將其中定義的各個(gè)方法如open，release，write，read，ioctl等一一實(shí)現。其函數名即初始化這個(gè)file_operations結構體時(shí)各成員函數指針。當在用戶(hù)空間調用open時(shí)，內核空間的open方法即相應操作，其他方法同理。

　　1．2 驅動(dòng)初始化和卸載清理工作

　　驅動(dòng)加載需要進(jìn)行設備注冊等一系列初始化工作；并且在卸載驅動(dòng)時(shí)要釋放資源進(jìn)行一些清理工作以使其不影響內核。所以定義兩個(gè)函數static int devctl_init()和static void devctl_exit()，然后通過(guò)module_init(devctl_init)和module_exit(devctl_exit)來(lái)通知內核。為了維護Linux的開(kāi)源性，調用下面的宏來(lái)聲明：