ARM+Linux 的儀器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式分析

0 引 言

嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)都有其特殊的應(yīng)用場(chǎng)合與特定功能，而嵌入式Linux操作系統(tǒng)因其開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(duì)系統(tǒng)控制、通信領(lǐng)域推出的基于ARM920T內(nèi)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(nèi)部集成了SPI、串口、PIO、以太網(wǎng)、EBI、USB、MCI等多種接口。

在Linux系統(tǒng)中，應(yīng)用層不可以直接操作硬件，需設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序向下屏蔽硬件特性，實(shí)現(xiàn)硬件與用戶間的通信。系統(tǒng)平臺(tái)為在虛擬機(jī)中安裝Fedora 8，目標(biāo)系統(tǒng)采用Linux 2.6.21.7內(nèi)核，定制文件系統(tǒng)建立NFS根文件系統(tǒng)，使用雙網(wǎng)卡方式搭建成交叉開發(fā)環(huán)境，并使用超級(jí)終端或minicom作為控制臺(tái)。

l 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)框架如圖1所示。ARM通過USARTl接收外來的控制命令，通過SPI接口和通用PIO口與外部設(shè)備通信，達(dá)到控制作用。在Linux下，所有的設(shè)備以文件的形式來使用。其中Linux已經(jīng)提供了支持AT91RM9200的SPI驅(qū)動(dòng)，DBGU和UART驅(qū)動(dòng)，只要對(duì)其源代碼進(jìn)行一些修改并在編譯內(nèi)核時(shí)將其選中就可以直接使用。所以主要集中在PIO口驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中，外部設(shè)備使用一個(gè).PB29引腳(即IRQO)作為外部中斷信號(hào)提供給ARM，另外使用一些I/O引腳對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行控制。

Linux設(shè)備分為3類：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是模塊化字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。Linux 2.6內(nèi)核與Linux 2.4內(nèi)核主要有3點(diǎn)不同：

(1)內(nèi)核的API變化，增加了不少新功能;

(2)提供了sysfs用于描述設(shè)備樹;

(3)驅(qū)動(dòng)模塊從.o變?yōu)?ko。

1.1 驅(qū)動(dòng)程序重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

打開的設(shè)備在內(nèi)核內(nèi)部由file結(jié)構(gòu)標(biāo)識(shí)，內(nèi)核使用file_operaTIons結(jié)構(gòu)訪問驅(qū)動(dòng)程序的函數(shù)。file_opera_tions結(jié)構(gòu)是一個(gè)定義在 中的函數(shù)指針數(shù)組。下面主要介紹常用的幾個(gè)成員：

在這些函數(shù)指針中，open和release用于設(shè)備的打開和關(guān)閉，是每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序必須實(shí)現(xiàn)的函數(shù)。其他函數(shù)根據(jù)實(shí)際需要來實(shí)現(xiàn)，在該項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)方式如下：

另一個(gè)重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是file結(jié)構(gòu)體，主要包括以下成員：

它代表一個(gè)打開的文件，只出現(xiàn)在內(nèi)核空間，與用戶空間的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(shù)指針，直到close。

第三個(gè)重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(shè)備號(hào)，可以通過下面兩個(gè)宏函數(shù)獲取主從設(shè)備號(hào)：

初始化file_operations結(jié)構(gòu)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(xiàn)。其函數(shù)名即初始化這個(gè)file_operations結(jié)構(gòu)體時(shí)各成員函數(shù)指針。當(dāng)在用戶空間調(diào)用open時(shí)，內(nèi)核空間的open方法即相應(yīng)操作，其他方法同理。

1.2 驅(qū)動(dòng)初始化和卸載清理工作

驅(qū)動(dòng)加載需要進(jìn)行設(shè)備注冊(cè)等一系列初始化工作;并且在卸載驅(qū)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(nèi)核。所以定義兩個(gè)函數(shù)static int devctl_init()和static void devctl_exit()，然后通過module_init(devctl_init)和module_exit(devctl_exit)來通知內(nèi)核。為了維護(hù)Linux的開源性，調(diào)用下面的宏來聲明：

在初始化函數(shù)中，首先進(jìn)行設(shè)備的注冊(cè)。主設(shè)備號(hào)表示對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，次設(shè)備號(hào)由內(nèi)核使用，用于正確確定設(shè)備文件所指的設(shè)備。可以動(dòng)態(tài)申請(qǐng)或者靜態(tài)申請(qǐng)?jiān)O(shè)備號(hào)。動(dòng)態(tài)申請(qǐng)使用下面的函數(shù)：

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

對(duì)于字符型設(shè)備還要定義一個(gè)cdev結(jié)構(gòu)體變量，并使用cdev_init()初始化，然后調(diào)用cdev_add()通知內(nèi)核添加一個(gè)字符設(shè)備。同樣在卸載時(shí)要使用cdev_del()移除，否則用戶使用驅(qū)動(dòng)時(shí)，有時(shí)不能打開設(shè)備。因?yàn)椴皇褂胏dev或者cdev在模塊卸載時(shí)不刪除會(huì)導(dǎo)致內(nèi)核處在一個(gè)不穩(wěn)定狀態(tài)，在用戶層可能無法打開設(shè)備文件。 　1.3 I/O端口訪問

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

對(duì)于AT91RM9200利用如下轉(zhuǎn)換函數(shù)獲取虛擬地址，其中宏AT91_VA_BASE_SYS是系統(tǒng)虛擬基地址：

讀寫端口對(duì)于AT91RM9200還可使用專門函數(shù)

int at9 1_set_gpio_value(unsigned pin，int value)，并包含頭文件asm-arm/arch-at91/gpio.h。一般端口的訪問在驅(qū)動(dòng)模塊初始化時(shí)申請(qǐng)資源，在卸載時(shí)釋放資源，而對(duì)于I/O口的使能則在open方法中實(shí)現(xiàn)，相應(yīng)的禁用在release方法中實(shí)現(xiàn)。

1.3 ioctl方法的實(shí)現(xiàn)

用戶可以通過ioctl方法向內(nèi)核發(fā)送各種命令，必要時(shí)傳遞參數(shù)，下面展示一個(gè)簡單實(shí)例。

1.4中斷控制實(shí)現(xiàn)

當(dāng)外部信號(hào)的到來時(shí)刻不可預(yù)測(cè)時(shí)，使用輪詢方式將使得效率極低，需要使用阻塞型中斷實(shí)現(xiàn)。即沒有中斷信號(hào)到來時(shí)阻塞讀進(jìn)程，使其處于睡眠狀態(tài)，當(dāng)中斷到來喚醒讀進(jìn)程，執(zhí)行預(yù)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(shù)原型如下：

其中：參數(shù)irq為中斷號(hào);handler為ISR指針;flags為與中斷管理有關(guān)的各選項(xiàng)字節(jié)掩碼;dev_name即設(shè)備名;dev_id為中斷信號(hào)線。

其次，ISR為申請(qǐng)中斷時(shí)使用的參數(shù)名，假設(shè)為irq0_handler，定義原型如下：

中斷阻塞即在其內(nèi)部調(diào)用void wake_up_inter-rupTIble(wait_queue_head_t*queue)實(shí)現(xiàn)，然后返回IRQ_HANDLED;在read方法中調(diào)用wait_event_in-terruptible(queue，condition)來喚醒讀進(jìn)程，這樣，當(dāng)用戶程序讀設(shè)備時(shí)，如果沒有中斷到來，讀進(jìn)程將進(jìn)入睡眠狀態(tài)，中斷發(fā)生被喚醒。

對(duì)于中斷信號(hào)IRQO，因是PB29復(fù)用，要配置為外設(shè)A[4]，同時(shí)還要配置中斷源類型，函數(shù)分別在#in

2 編譯和調(diào)試

驅(qū)動(dòng)程序可靜態(tài)編譯進(jìn)內(nèi)核，也可編譯成模塊動(dòng)態(tài)加載。為便于調(diào)試采用動(dòng)態(tài)模塊加載方式，Linux 2.6內(nèi)核下驅(qū)動(dòng)編譯方式和Linux 2.4版明顯不同，其建立的Makefile只需簡單地寫入obj-m：=devctl.O(假設(shè)源文件為devctl.c)，然后執(zhí)行命令：make-C/usr/lo-cal/arm/Linux-2.6.21.7 SUBDIRS="MYMPWDmodules"，注意內(nèi)核源文件目錄因各自系統(tǒng)而異，然后將生成的.ko文件置于目標(biāo)系統(tǒng)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(shè)備號(hào)，使用mknod創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)，卸載模塊使用rmmod命令。

為方便調(diào)試，可以在適當(dāng)使用printk打印信息，還可以通過點(diǎn)LED等以便于發(fā)現(xiàn)問題。

3 結(jié) 語

通過對(duì)相關(guān)的Linux 2.6內(nèi)核中驅(qū)動(dòng)源碼的深入研究與自我設(shè)計(jì)實(shí)踐，不斷調(diào)試，在此闡述的方法得到實(shí)際驗(yàn)證，并已成功使用到某儀器的控制系統(tǒng)中。Linux博大精深，其開源的特點(diǎn)必將吸引更多的開發(fā)者投入其中，使其更好發(fā)展，應(yīng)用于更多領(lǐng)域。