基于嵌入式Linux 系統的高速設備驅動(dòng)程序實(shí)現

圖2 改進(jìn)的設備驅動(dòng)流程圖

2.2 驅動(dòng)程序的進(jìn)一步改進(jìn)

基于以上幾點(diǎn)，為了能夠在Linux中實(shí)現高速設備的數據通信，對驅動(dòng)程序結構作出進(jìn)一步改進(jìn)的設計。

在設備驅動(dòng)程序的實(shí)現上，采用生產(chǎn)者－消費者模型與循環(huán)緩存相結合的結構。將從硬件設備到核心態(tài)內存的DMA傳輸看作生產(chǎn)者，而從核心態(tài)內存搬移到用戶(hù)態(tài)的數據傳輸過(guò)程看作消費者；同時(shí)為DMA傳輸分配的核心態(tài)內存采用循環(huán)鏈的結構。

在驅動(dòng)程序中，將read()函數作為設備讀操作的主函數，實(shí)現消費者的功能。當read()每次被調用時(shí)，從DMA緩存鏈中讀取當前指針所指的內存數據，通過(guò)copy_to_user()函數,將數據傳出核心態(tài)，復制到用戶(hù)態(tài)內存，以便后續的數據處理。

而在驅動(dòng)程序中，Irq_service()函數實(shí)現生產(chǎn)者的功能，當有中斷產(chǎn)生后，系統進(jìn)入Irq_service()，表明一次DMA的傳輸結束，并且在Irq_service()中，設置下一次DMA傳輸的參數，包括DMA傳輸的數據大小、DMA傳輸的目標內存。之后，調用interrupt_sleep_on()函數，使得系統進(jìn)入進(jìn)程調度，等待下一次DMA的操作完成。一旦完成，就會(huì )產(chǎn)生中斷并重復以上的過(guò)程。因此，作為生產(chǎn)者的Irq_service()函數，只要初始化后，就會(huì )在中斷的觸發(fā)下不斷被調用。換句話(huà)說(shuō)，只要有數據到達硬件設備，就會(huì )不斷將其通過(guò)DMA的方式讀入到核心態(tài)的循環(huán)緩存中。我們可以將DMA緩存在允許的情況下，開(kāi)的大一些，因為當接收的數據呈現一種突發(fā)的狀態(tài)時(shí)，較小的緩沖池可能由于不能及時(shí)地將數據取走而溢出，造成數據的丟失。

與此同時(shí)，還有個(gè)問(wèn)題必須注意，即當read()函數將緩存池中的數據都搬完之后，仍然沒(méi)有DMA的輸入。此時(shí)，read()繼續讀取的話(huà)，顯然會(huì )造成數據的錯誤，因此采用信號量是必須的。當信號量表明，DMA的緩存已空時(shí)，若應用程序調用read()進(jìn)行讀數據的話(huà)，將不做任何操作，并返回已讀數據量為0。當信號量表明DMA的緩存為滿(mǎn)時(shí)，將DMA讀入的數據丟棄，并設置buff_full = 0。

除此以外，我們還必須對Linux驅動(dòng)進(jìn)行以下步驟的操作：設備的注冊和注銷(xiāo)、設備的打開(kāi)和釋放。通過(guò)register_chrdev()函數向系統注冊設備的設備號，在設備使用結束后，可以使用unregister_chrdev()從內核注銷(xiāo)設備，釋放主設備號。在設備注冊之后，由open()函數打開(kāi)設備，close()釋放設備。在驅動(dòng)的初始化中，需要對DMA進(jìn)行首次設置，以及緩存的分配。我們可以調用 get_free_pages()函數進(jìn)行內存頁(yè)面的分配，它會(huì )給DMA分配內存中連續的頁(yè)面，這對于DMA是必須的，因為DMA操作的物理地址是連續的。在內存分配之后，我們進(jìn)行中斷的配置，通過(guò)調用函數request_irq()。接著(zhù)調用request_dma() 函數對DMA進(jìn)行申請注冊。

最后，有一點(diǎn)不得不引起我們的重視，即DMA一致性問(wèn)題。DMA一致性的問(wèn)題是指當進(jìn)行數據DMA方式讀入時(shí)，由于沒(méi)有經(jīng)過(guò)CPU的處理，因此 CPU的CACHE會(huì )認為該地址的內存沒(méi)有被重寫(xiě)過(guò)，而實(shí)際該內存所存儲的數據已被改變；當CPU需要處理該內存的數據時(shí)，由于認為數據沒(méi)有改變，會(huì )直接調用CACHE內的數據，造成數據錯誤，一般表現為數據的重復。在實(shí)際操作中，我們可以通過(guò)禁用該內存的CACHE功能，來(lái)避免錯誤。在新版的Linux 內核中提供dma_alloc_coherent()和dma_free_coherent()函數進(jìn)行DMA一致性?xún)却娴姆峙洹?P>以上就是我們針對高速設備驅動(dòng)改進(jìn)的程序代碼結構。該驅動(dòng)程序結構通過(guò)將核心態(tài)的DMA操作與數據到拷貝以及用戶(hù)態(tài)上數據的處理獨立開(kāi)來(lái)，依靠信號量進(jìn)行相互的制約，可以有效的避免高速設備DMA操作的頻繁性和大數據量處理的較長(cháng)時(shí)間之間的矛盾。驅動(dòng)程序的流程如圖2所示。

3 應用實(shí)例

下面我們以視頻會(huì )議系統為例，介紹基于以上結構的高速設備驅動(dòng)程序的實(shí)現。

在視頻會(huì )議系統中，AT91RM9200通過(guò)SPI接口與TI DM642 DSP芯片的McBSP接口相連進(jìn)行圖像數據的傳輸。由于數據吞吐量很大，采用一般結構甚至是一般的DMA結構的驅動(dòng)程序都無(wú)法滿(mǎn)足數據的接收要求，造成數據無(wú)法實(shí)時(shí)的數據處理。我們針對該系統的特點(diǎn)，對驅動(dòng)程序按照以上結構作出改進(jìn)，不但大大減輕了ARM處理器的負荷，同時(shí)能夠有效的進(jìn)行大數據量的傳輸和處理。

表1 驅動(dòng)程序改進(jìn)前后對比表

在我們的系統中，由于SPI接口需要傳輸標清的視頻壓縮圖像，碼率一般為2Mbps，原結構的驅動(dòng)程序在碼率較高的情況下，會(huì )出現數據的丟失，而數據的丟失不但影響了當前幀的圖像的質(zhì)量，而且同時(shí)會(huì )造成后面多幀圖像的質(zhì)量嚴重下降，因而無(wú)法滿(mǎn)足這樣高數據率傳輸的需要。而經(jīng)過(guò)改進(jìn)的驅動(dòng)程序經(jīng)過(guò)測試，至少可以承受10Mbps碼率的數據傳輸，驗證證明該結構的驅動(dòng)程序可以完全勝任高速設備的數據傳輸且經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間測試，性能可靠。

4 結束語(yǔ)

本文的創(chuàng )新點(diǎn)是提出了一種基于A(yíng)RM芯片的高速數據傳輸的設備驅動(dòng)實(shí)現方案。首先對嵌入式Linux驅動(dòng)程序程序的傳統結構框架進(jìn)行了介紹。而在實(shí)際的應用中，為了能夠適應高速率的數據傳輸，針對ARM芯片以及Linux操作系統的特點(diǎn)，對設備驅動(dòng)程序進(jìn)行了改進(jìn)。最后，以視頻會(huì )議系統為例，對該結構的驅動(dòng)程序進(jìn)行實(shí)現、測試和驗證，可完全勝任高速設備的數據傳輸且性能可靠。不僅如此，該結構的設備驅動(dòng)程序同樣適合于嵌入式Linux系統的各種高速設備傳輸的應用。

參考文獻

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