解讀采用ARM+Linux 2.6 內核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)?ko。

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：

在初始化函數中，首先進(jìn)行設備的注冊。主設備號表示對應的驅動(dòng)程序，次設備號由內核使用，用于正確確定設備文件所指的設備?？梢詣?dòng)態(tài)申請或者靜態(tài)申請設備號。動(dòng)態(tài)申請使用下面的函數：

dev是一個(gè)只輸出的參數，它在函數成功完成時(shí)持有分配范圍的第一個(gè)數;firstminor是請求的第一個(gè)要用的次編號;count是請求的連續設備編號的總數;name為設備名，返回值小于0表示分配失敗。然后通過(guò)major=MMOR(dev)獲取主設備號。如果注冊不成功或者卸載驅動(dòng)時(shí)需要取消設備的注冊，使用下面的函數實(shí)現(其參數含義同上)：

對于字符型設備還要定義一個(gè)cdev結構體變量，并使用cdev_init()初始化，然后調用cdev_add()通知內核添加一個(gè)字符設備。同樣在卸載時(shí)要使用cdev_del()移除，否則用戶(hù)使用驅動(dòng)時(shí)，有時(shí)不能打開(kāi)設備。因為不使用cdev或者cdev在模塊卸載時(shí)不刪除會(huì )導致內核處在一個(gè)不穩定狀態(tài)，在用戶(hù)層可能無(wú)法打開(kāi)設備文件。 　1.3 I/O端口訪(fǎng)問(wèn)

在系統控制要求中，需要訪(fǎng)問(wèn)ARM的I/O端口，包括普通I/O口和復用為IRQO的PB29引腳，然而Linux中對I/O端12和I/0內存的讀寫(xiě)指令中使用的都是虛擬地址，所以在訪(fǎng)問(wèn)前要先將物理寄存器地址映射到I/O內存。有兩種方法實(shí)現地址映射，一種是使用ioremap為I/O內存區域分配虛擬地址，用iounmap取消，另一種是使用內核已經(jīng)定義好的虛擬地址。這里主要介紹第二種方式。