ARM9和Linux的DS18B20驅動(dòng)程序研究

本文介紹了Linux設備驅動(dòng)程序的類(lèi)型和文件操作接口函數，以及驅動(dòng)程序的基本開(kāi)發(fā)過(guò)程。以ARM9為平臺，基于Linux2.6.30開(kāi)發(fā)DS18B20的驅動(dòng)程序，以模塊的形式加載到內核，最后通過(guò)應用層調用驅動(dòng)程序，獲得溫度數據。


引言

隨著(zhù)嵌入式技術(shù)的發(fā)展，基于A(yíng)RM和Linux的嵌入式產(chǎn)品越來(lái)越多，DS18B20溫度采集傳感器在工業(yè)和生活上應用廣泛，研究開(kāi)發(fā)基于ARM9和Linux的DS18B20的驅動(dòng)程序可以滿(mǎn)足大部分溫度采集平臺的應用。

1 Linux設備驅動(dòng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程

Linux操作系統通過(guò)各種驅動(dòng)程序來(lái)操作硬件設備，它屏蔽了各種設備，設備驅動(dòng)程序是操作系統內核和硬件之間的接口。從應用程序來(lái)看，硬件只是一個(gè)設備文件，應用程序可以像操作普通文件一樣操作硬件設備。

1.1設備的分類(lèi)

Linux看待設備可區分為3種基本設備類(lèi)型，分別為字符設備、塊設備和網(wǎng)絡(luò )設備：

①字符設備：字符設備是一種可以當作一個(gè)字節流來(lái)存取的設備，相當于一個(gè)文件，字符設備驅動(dòng)通常實(shí)現open、close、read和write系統調用；②塊設備：如同字符設備，塊設備通過(guò)位于/dev目錄的文件系統結點(diǎn)來(lái)存取，塊設備驅動(dòng)程序主要通過(guò)傳輸固定大小的隨機數據來(lái)訪(fǎng)問(wèn)設備，塊設備驅動(dòng)程序是核心內存與其他存儲介質(zhì)之間的管道；③網(wǎng)絡(luò )設備：網(wǎng)絡(luò )接口和一個(gè)已經(jīng)掛載的塊設備類(lèi)似，網(wǎng)絡(luò )接口使用特定的內核數據結構注冊，與外界進(jìn)行數據交換時(shí)調用，與塊設備只響應來(lái)自?xún)群说恼埱蟛煌?，Linux內核的網(wǎng)絡(luò )子系統被設計成完全與協(xié)議無(wú)關(guān)，網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序異步地接收來(lái)自外界的數據包。

1.2字符設備開(kāi)發(fā)過(guò)程

本項目開(kāi)發(fā)的驅動(dòng)程序都是字符設備驅動(dòng)程序，因此簡(jiǎn)單介紹字符設備的開(kāi)發(fā)過(guò)程。

1.2.1重要的文件操作

接口函數file_operation file_operation是一個(gè)字符驅動(dòng)如何建立底層驅動(dòng)與應用程序連接的結構體，包含以下重要的函數接口：

①int（*open）（struct inode*，struct file*）：打開(kāi)設備操作。

②ssize_t（*read）（struct file*，char__user*，size_t，loff_t*）：從設備中獲取數據，非負返回值代表成功讀取的字節數。

③ssize_t（*write）（struct file*，const char__user*，size_t，loff_t*）：發(fā)送數據給設備，非負返回值代表成功寫(xiě)入的字節數。

④int（* ioctl）（struct inode*，struct file*，unsigned int，unsigned long）：系統調用提供了發(fā)出設備特定命令的方法。

1.2.2設備打開(kāi)與關(guān)閉

open方法在應用程序調用open（）系統調用時(shí)被調用，作用是打開(kāi)設備；release方法在應用程序調用close（）系統調用時(shí)被調用，作用是關(guān)閉設備。

1.2.3驅動(dòng)程序與應用程序交換

數據交換的方式最直接的方法是在struct file_operation中的read/write方法中與用戶(hù)空間的buffer進(jìn)行數據的交換：unsigned long copy_to_user（void__user*to，const void*from，unsigned long count）：從內核空間拷貝數據到用戶(hù)空間；unsigned long copy_from_user（void*to，const void__user*from，unsigned long count）：從用戶(hù)空間拷貝數據到內核空間；1.2.4設備控制ioctl設備控制接口如下：①應用程序調用接口：int ioctl（int fd，unsigned longcmd，…）：②設備驅動(dòng)的相應接口：int（*ioctl）（struct inode*inode，struct file*filp，unsigned int cmd，unsigned long arg）。

應用程序通過(guò)ioctl發(fā)送命令，從而調用驅動(dòng)接口的ioctl.因此，在Linux字符設備驅動(dòng)程序中主要實(shí)現open、read、write和ioctl函數分別對應Linux系統調用的open、read、write和ioctl來(lái)完成數據交互和設備操作。

2溫度傳感器驅動(dòng)軟件設計

DS18B20采用獨特的單總線(xiàn)接口方式，每只DS18B20都有一個(gè)唯一存儲在ROM中的64位編碼。最前面8位是單線(xiàn)系列編碼：28H，接著(zhù)的48位是一個(gè)唯一的序列號，最后8位是以上56位的CRC編碼。通過(guò)單線(xiàn)總線(xiàn)端口訪(fǎng)問(wèn)DS18B20的協(xié)議如下：①初始化；②發(fā)送ROM操作指令；③發(fā)送DS18B20功能指令。

主要功能指令，如表1所列。

根據DS18B20的讀寫(xiě)協(xié)議以及操作指令和功能指令，可以得出DS18B20的復位過(guò)程如圖1所示，寫(xiě)操作流程如圖2所示，讀操作流程如圖3所示。

根據DS18B20復位、讀寫(xiě)操作過(guò)程，利用Linux編寫(xiě)DS18B20驅動(dòng)程序。過(guò)程描述如下。

（1）復位操作流程

①設總線(xiàn)為輸出模式；②向總線(xiàn)發(fā)送一個(gè)上升沿，保持高電平100 ms；③向總線(xiàn)發(fā)送一個(gè)下降沿，保持低電平800 ms；④向總線(xiàn)發(fā)送一個(gè)上升沿，延時(shí)100 ms；⑤設總線(xiàn)為輸入模式；⑥判斷總線(xiàn)狀態(tài)，如果為低電平，則復位成功。

（2）寫(xiě)操作流程

①設總線(xiàn)為輸出模式，并設置8次循環(huán)；②向總線(xiàn)發(fā)送一個(gè)下降沿，保持低電平；③判斷寫(xiě)入數據是0還是1，如果是1，則向總線(xiàn)發(fā)送一個(gè)上升沿，保持高電平；如果是0，則保持總線(xiàn)低電平不變；④延時(shí)60 ms，設總線(xiàn)為高電平，再延時(shí)15 ms；⑤循環(huán)操作步驟②～④；⑥設總線(xiàn)為高電平。

（3）讀操作流程

①設循環(huán)次數為8；②設總線(xiàn)為輸出，向總線(xiàn)發(fā)送一個(gè)下降沿，保持低電平，并延時(shí)1 ms；③向總線(xiàn)發(fā)送一個(gè)上升沿，并設為輸入；④讀總線(xiàn)狀態(tài)，并保存為1位，并延時(shí)60 ms；⑤循環(huán)操作步驟②～④，讀取1個(gè)字節數據。

（4）溫度讀寫(xiě)過(guò)程

①循環(huán)判斷DS18B20直到復位，延時(shí)120ms；②寫(xiě)入CCH命令，跳過(guò)讀序列號過(guò)程；③寫(xiě)入44H命令，開(kāi)始溫度轉換，延時(shí)5 ms；④循環(huán)判斷DS18B20直到復位，延時(shí)200 ms；⑤寫(xiě)入CCH命令，跳過(guò)讀序列號過(guò)程；⑥寫(xiě)入BEH命令，讀取寄存器；⑦讀溫度整數部分；⑧讀溫度小數部分。

（5）驅動(dòng)程序編寫(xiě)

選定S3C2440一個(gè)GPIO引腳作為連接DS18B20的數據線(xiàn)，經(jīng)過(guò)查電路圖和S3C2440的芯片手冊，選擇GPF3為連接引腳；主要對GPF的控制寄存器GPFCON和數據寄存器GPFDAT進(jìn)行操作，GPF3主要對應GPFCON第6位和第7位，以及GPFDAT的第3位進(jìn)行操作；對GPFCON[7：6]設00為輸人，設01為輸出；GPFDAT[3]設為輸入時(shí)，相應的位即為引腳的狀態(tài)，設為輸出則可以對引腳進(jìn)行置1和置0操作；結合S3C2440的寄存器GPFCON和GPFDAT，以及DS18B20時(shí)序，可以利用C語(yǔ)言編寫(xiě)Linux下驅動(dòng)程序，本驅動(dòng)程序采用實(shí)現read接口函數的字符設備驅動(dòng)。

3部分代碼