LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)設備驅動(dòng)設計與實(shí)現

　　1  引言

　　新設備及新的接口規范等的不斷出現，使得操作系統的設備驅動(dòng)部分的開(kāi)發(fā)工作層出不窮。我們在基于嵌入式Linux智能控制器的開(kāi)發(fā)中，首先遇到了LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)設備的驅動(dòng)程序問(wèn)題。于是我們對Linux的驅動(dòng)程序實(shí)現機制進(jìn)行了深入研究，并開(kāi)發(fā)了LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)設備的驅動(dòng)程序。

　　2  關(guān)于LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)

　　現場(chǎng)總線(xiàn)是一種工業(yè)數據總線(xiàn)，是連接智能現場(chǎng)設備和自動(dòng)化系統的高可靠的數字式、雙向傳輸的通信技術(shù)，可方便地構成全數字化的分布式現場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò )。對于防護工程這種工程軸線(xiàn)長(cháng)、監控測點(diǎn)分散的系統，特別適合采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)構成工程的分布式智能化控制系統。

　　在各種現場(chǎng)總線(xiàn)中，LonWorks總線(xiàn)技術(shù)以其在技術(shù)先進(jìn)性、可靠性、開(kāi)放性、拓撲結構靈活性等方面獨特的優(yōu)勢，為集散式監控系統提供了很強的實(shí)現手段。使其特別適合于建筑的樓宇自動(dòng)化系統。根據防護工程是一種特殊的地下建筑工程以及其布局特點(diǎn)，特別適合采用LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)實(shí)現其內部設備的自動(dòng)化監控。

　　網(wǎng)絡(luò )接口卡是主計算機與LonWorks網(wǎng)絡(luò )的接口，使計算機能夠完成與LonWorks節點(diǎn)之間的數據交換。在我們設計的智能控制器中，采用專(zhuān)門(mén)的嵌入式LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)接口卡作為嵌入式CPU與Lon- Works現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )之間的接口設備。

　　2.1  LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)卡的原理

　　了解LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)卡的工作原理，對編寫(xiě)驅動(dòng)程序是必要的，故我們首先給出其工作原理，并對此作一些必要的解釋。圖1是嵌入式LonWorks網(wǎng)卡的硬件電路方框圖。

　　                      圖1 ISA網(wǎng)卡的硬件電路方框圖

　　過(guò)去實(shí)現微控制器與ISA總線(xiàn)的接口一般使用8155、8255，電路復雜，調試困難，在本網(wǎng)卡的設計中，使用可編程邏輯陣列(CPLD)來(lái)實(shí)現與ISA總線(xiàn)的接口邏輯，只用一個(gè)芯片就完成了所有功能，大大簡(jiǎn)化了網(wǎng)卡的電路。

　　2.2  LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)卡的工作過(guò)程

　　計算機與微控制器之間數據交換接口的應用程序框圖如圖2、3所示。在程序框圖中，主要實(shí)現了計算機與微控制器之間讀寫(xiě)數據、置標志位和清除標志位的功能。CPLD內部實(shí)現了存儲數據和標志位的寄存器。

　　                                   圖2  主機寫(xiě)數據程序框圖

　　                                圖3 從機接收數據程序框圖

　　3  LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)卡設備驅動(dòng)實(shí)現

　　我們在Linux平臺上開(kāi)發(fā)和設計了LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)卡的軟件。軟件部分由應用程序和設備驅動(dòng)程序兩部分構成，這里首先主要討論的是設備驅動(dòng)程序部分。在Linux平臺上實(shí)現對硬件的驅動(dòng)支持可以有兩種方式:一種是直接在用戶(hù)空間來(lái)實(shí)現;另一種是使用Linux內核中提供的機制來(lái)實(shí)現?？紤]到用戶(hù)空間驅動(dòng)程序的局限性，比如為了訪(fǎng)問(wèn)特權指令(I/O指令)必須做一些影響系統安全的設置等等，我們在開(kāi)發(fā)中采用了第二種方式。

　　3.1  Linux的可加載模塊機制

　　Linux內核提供了兩種機制來(lái)開(kāi)發(fā)設備驅動(dòng)程序:一種是直接把驅動(dòng)程序鏈接到內核中:另一種則是通過(guò)稱(chēng)為L(cháng)inux可加載模塊的機制來(lái)開(kāi)發(fā)可動(dòng)態(tài)加載和卸載的驅動(dòng)模塊。而第一種方式可以在后一種方式成功后，采用與內核一起提供的配置工具和接口來(lái)完成。所以，我們只研究可加載模塊機制。

　　Linux作為單核結構其效率比較高，但是系統靈活性不足，為了平衡這兩者的關(guān)系，它提供了可動(dòng)態(tài)加載機制。利用這種機制我們可以開(kāi)發(fā)Linux內核模塊，并且可以動(dòng)態(tài)的對它加載和卸載。Linux下的設備驅動(dòng)程序一般都支持這種方式，且模塊被加載到內核后，它就可以任意的利用核心提供的各種資源和服務(wù)了。為了讓模塊利用核心提供的資源，Linux內核維護了一張所有內核資源的符號表(在接下來(lái)的部分我們稱(chēng)它為內核資源符號表)，用于在模塊載入時(shí)解決對相應資源的引用問(wèn)題。并且，Linux允許模塊的堆棧操作，由此一個(gè)模塊可以使用其他模塊所提供的資源。也就是說(shuō):一個(gè)模塊對另一個(gè)模塊的資源的使用與其對內核資源的使用非常相似，不同的只是這些服務(wù)的資源從屬于另一個(gè)模塊而已。每當一個(gè)模塊被加載Linux就會(huì )有一個(gè)修改內核資源符號表的過(guò)程，將該模塊所提供的服務(wù)和資源加入進(jìn)去，這樣另一個(gè)模塊載入時(shí)，如果需要就可以引用這個(gè)模塊的資源了。而卸載一個(gè)模塊時(shí)，就要知道當前模塊是否正在被使用。如果沒(méi)有被使用，在卸載時(shí)要能夠通知該模塊它將被卸載，以便由它自己釋放已被它占用的系統資源。然后，Linux還要從內核資源符號表中刪除所有該模塊提供的資源和服務(wù)。

　　從上面的原理分析可知，內核模塊編寫(xiě)時(shí)應該具有兩個(gè)主要的接口函數:init_module()用于在模塊加載時(shí)由加載模塊的工具調用，以便于注冊一些必要的服務(wù)和申請一些資源。cleanup_module()用于在模塊卸載時(shí)由刪除模塊的工具來(lái)調用，清除掉由init_module()所做的工作，從而使內核模塊可以安全的卸載。其中對init_module()調用的一種工具是在根用戶(hù)執行insmod命令來(lái)加載模塊時(shí)執行。而對于cleanup_module()的調用是在根用戶(hù)使用rmmod命令來(lái)卸載模塊時(shí)執行。

　　3.2  Linux下設備驅動(dòng)程序

　　系統調用是操作系統內核和應用程序之間的接口，設備驅動(dòng)程序是操作系統內核和機器硬件之間的接口。設備驅動(dòng)程序為應用程序屏蔽了硬件的細節，這樣在應用程序看來(lái)，硬件設備只是一個(gè)設備文件，可以通過(guò)相應的系統調用象操作普通文件一樣對硬件設備進(jìn)行操作。

　　(1) Linux設備分類(lèi)

　　Linux系統的設備分為字符設備(char device)，塊設備(block device)和網(wǎng)絡(luò )設備(network device)三種。字符設備是指存取時(shí)沒(méi)有緩存的設備，如系統的串口設備/dev/cua0, /dev/cual。塊設備的讀寫(xiě)則都有緩存來(lái)支持，只能以塊為單位進(jìn)行讀寫(xiě)，并且塊設備必須能夠隨機存取(random access)，即不管塊處于設備的什么地方都可以對它進(jìn)行讀寫(xiě)，字符設備則沒(méi)有這個(gè)要求。塊設備主要包括硬盤(pán)軟盤(pán)設備，CD-ROM等。網(wǎng)絡(luò )設備在Linux里做專(zhuān)門(mén)的處理。Linux的網(wǎng)絡(luò )系統主要是基于BSD unix的socket機制。