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)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。

　　對于A(yíng)T91RM9200利用如下轉換函數獲取虛擬地址，其中宏AT91_VA_BASE_SYS是系統虛擬基地址：

　　讀寫(xiě)端口對于A(yíng)T91RM9200還可使用專(zhuān)門(mén)函數

　　int at9 1_set_gpio_value(unsigned pin，int value)，并包含頭文件asm-arm／arch-at91／gpio．h。一般端口的訪(fǎng)問(wèn)在驅動(dòng)模塊初始化時(shí)申請資源，在卸載時(shí)釋放資源，而對于I／O口的使能則在open方法中實(shí)現，相應的禁用在release方法中實(shí)現。

　　1．4 ioctl方法的實(shí)現

　　用戶(hù)可以通過(guò)ioctl方法向內核發(fā)送各種命令，必要時(shí)傳遞參數，下面展示一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)例。

　　1．5 中斷控制實(shí)現

　　當外部信號的到來(lái)時(shí)刻不可預測時(shí)，使用輪詢(xún)方式將使得效率極低，需要使用阻塞型中斷實(shí)現。即沒(méi)有中斷信號到來(lái)時(shí)阻塞讀進(jìn)程，使其處于睡眠狀態(tài)，當中斷到來(lái)喚醒讀進(jìn)程，執行預定處理操作。

　　首先，在open方法中使用request_irq()安裝中斷處理程序，在release方法中釋放。函數原型如下：

　　其中：參數irq為中斷號；handler為ISR指針；flags為與中斷管理有關(guān)的各選項字節掩碼；dev_name即設備名；dev_id為中斷信號線(xiàn)。

　　其次，ISR為申請中斷時(shí)使用的參數名，假設為irq0_handler，定義原型如下：

　　中斷阻塞即在其內部調用void wake_up_inter-rupTIble(wait_queue_head_t*queue)實(shí)現，然后返回IRQ_HANDLED；在read方法中調用wait_event_in-terruptible(queue，condition)來(lái)喚醒讀進(jìn)程，這樣，當用戶(hù)程序讀設備時(shí)，如果沒(méi)有中斷到來(lái)，讀進(jìn)程將進(jìn)入睡眠狀態(tài)，中斷發(fā)生被喚醒。

　　對于中斷信號IRQO，因是PB29復用，要配置為外設A[4]，同時(shí)還要配置中斷源類(lèi)型，函數分別在#in

　　2 編譯和調試

　　驅動(dòng)程序可靜態(tài)編譯進(jìn)內核，也可編譯成模塊動(dòng)態(tài)加載。為便于調試采用動(dòng)態(tài)模塊加載方式，Linux 2．6內核下驅動(dòng)編譯方式和Linux 2．4版明顯不同，其建立的Makefile只需簡(jiǎn)單地寫(xiě)入obj-m：=devctl．O(假設源文件為devctl．c)，然后執行命令：make-C／usr／lo-cal／arm／Linux-2．6．21．7 SUBDIRS="MYMPWDmodules"，注意內核源文件目錄因各自系統而異，然后將生成的．ko文件置于目標系統的／home目錄下，使用insmod加載模塊，并使用cat／proc／devices命令查看分配到的設備號，使用mknod創(chuàng )建設備節點(diǎn)，卸載模塊使用rmmod命令。

　　為方便調試，可以在適當使用printk打印信息，還可以通過(guò)點(diǎn)LED等以便于發(fā)現問(wèn)題。

　　3 結 語(yǔ)

　　通過(guò)對相關(guān)的Linux 2．6內核中驅動(dòng)源碼的深入研究與自我設計實(shí)踐，不斷調試，在此闡述的方法得到實(shí)際驗證，并已成功使用到某儀器的控制系統中。Linux博大精深，其開(kāi)源的特點(diǎn)必將吸引更多的開(kāi)發(fā)者投入其中，使其更好發(fā)展，應用于更多領(lǐng)域。