基于ARM的Linux下LonWorks總線設(shè)備驅(qū)動設(shè)計(jì)

摘　要：利用神經(jīng)元芯片CYC53120和S3C2410芯片，實(shí)現(xiàn)嵌入式平臺下LONWorks總線的運(yùn)用；同時(shí)介紹嵌入式Linux 下設(shè)備驅(qū)動程序的構(gòu)成，描述了LonWorks設(shè)備驅(qū)動程序的軟件框架，為嵌入式Linux設(shè)備的開發(fā)提供借鑒。

LonWorks是美國Echelon公司1992年推出的局部操作網(wǎng)絡(luò)，最初主要用于樓宇自動化，但很快發(fā)展到工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)。LonWorks技術(shù)為設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)可互操作的控制網(wǎng)絡(luò)提供了一套完整、開放、成品化的解決途徑，它協(xié)議完整、通信可靠，而且為用戶提供了功能強(qiáng)大的開發(fā)工具(LONBU ILDER，NODEBU ILDER)。

在LonWorks現(xiàn)場總線設(shè)備的使用過程中，由于其設(shè)備驅(qū)動與操作系統(tǒng)的相關(guān)性，從而要求開發(fā)者在開發(fā)過程不僅實(shí)現(xiàn)硬件構(gòu)成，更需要熟悉操作系統(tǒng)及設(shè)備驅(qū)動程序的制定。本文給出在ARM平臺下實(shí)現(xiàn)LonWorks總線設(shè)備的互聯(lián)，并在嵌入式Linux系統(tǒng)下，介紹LonWorks現(xiàn)場總線設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 LonWorks總線設(shè)備的構(gòu)成

LonWorks技術(shù)的核心是神經(jīng)元芯片(Neuron Chip)。該芯片內(nèi)部裝有3個(gè)微處理器：MAC處理器完成介質(zhì)訪問控制；網(wǎng)絡(luò)處理器完成OSI的3～6層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；應(yīng)用處理器完成用戶現(xiàn)場控制應(yīng)用。它們之間通過公用存儲器傳遞數(shù)據(jù)。同時(shí)神經(jīng)元芯片共設(shè)置11個(gè)I/O口，這些I/O口可根據(jù)不同需求，利用Neuron C編程來靈活配置與外圍設(shè)備的接口，如RS232、并口、定時(shí)/計(jì)數(shù)、位I/O等。其芯片結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，基于嵌入式ARM平臺下實(shí)現(xiàn)對LonWorks總線的訪問，設(shè)計(jì)原理是利用S3C2410芯片的SPI(Serial Peripheral Interface)接口[2]與Neuron芯片來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，其原理如圖2所示。

SPI總線系統(tǒng)可直接與各個(gè)廠家生產(chǎn)的多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接接口，它有4條引腳：SSEL(從器件選擇線)、MOSI(主機(jī)輸出、從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線)、MISO(主機(jī)輸入、從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線)、SCK(同步串行時(shí)鐘線)。S3C2410包含2個(gè)SPI接口，本文利用SPI1與Neuron芯片CY7C53120相連。

2  Linux下設(shè)備驅(qū)動程序

設(shè)備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核與機(jī)器硬件之間的接口。在Linux中，設(shè)備驅(qū)動程序?yàn)閼?yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)，對應(yīng)用程序而言，硬件設(shè)備只是一個(gè)設(shè)備文件，可以通過相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用像操作普通文件一樣對硬件設(shè)備進(jìn)行操作。

Linux系統(tǒng)的設(shè)備分為字符設(shè)備(char device)、塊設(shè)備(block device)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(network device)3種[3-4]。字符設(shè)備是指存取時(shí)沒有緩存的設(shè)備；塊設(shè)備的讀寫則都有緩存來支持，只能以塊為單位進(jìn)行讀寫，并且塊設(shè)備必須能夠隨機(jī)存取(random access) ；而Linux的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開發(fā)則主要基于BSD Unix的socket機(jī)制。本文要開發(fā)的Lonworks設(shè)備驅(qū)動程序是一個(gè)字符型的設(shè)備，其基本組成如圖3所示。
 

Linux設(shè)備驅(qū)動程序可以分為設(shè)備初始化子程序及卸載程序、服務(wù)子I/O請求的子程序和中斷服務(wù)子程序3個(gè)主要組成部分：

(1)設(shè)備初始化子程序及卸載程序。Init_module用以負(fù)責(zé)檢測所要驅(qū)動的硬件設(shè)備是否存在和是否能正常工作。如果該設(shè)備正常，則對這個(gè)設(shè)備及其相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序需要的軟硬件進(jìn)行初始化，其初始化程序流程如圖4所示。

Cleanup_module用以完成卸載設(shè)備時(shí)要做的工作，其設(shè)備卸載流程如圖5所示。
 

(2)服務(wù)于I/O請求的子程序，又稱為驅(qū)動程序的上半部。應(yīng)用程序可以通過系統(tǒng)來調(diào)用此部分程序。此部分程序在執(zhí)行時(shí)，系統(tǒng)仍認(rèn)為是與應(yīng)用程序進(jìn)程屬于同一個(gè)進(jìn)程，具有進(jìn)行此系統(tǒng)調(diào)用的用戶程序的運(yùn)行環(huán)境，只是由用戶態(tài)變成了核心態(tài)，因而可以在其中調(diào)用sleep()等與進(jìn)程運(yùn)行環(huán)境有關(guān)的函數(shù)。

此部分的設(shè)計(jì)主要是對file_operations結(jié)構(gòu)的各個(gè)入口點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)。從而實(shí)現(xiàn)了支持文件系統(tǒng)的調(diào)用(如open，close，read等)。file_operations結(jié)構(gòu)是Linux操作系統(tǒng)中用于實(shí)現(xiàn)驅(qū)動程序的最重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對Linux提供I/O 請求的子程序的一系列入口點(diǎn)進(jìn)行了封裝。下面給出用于Lonworks設(shè)備驅(qū)動的file_operations結(jié)構(gòu)示例。

　　struct file_operations{

　　int(*lseek)(struct inode *inode，struct file *flip，off_t off，int pos)；

　　int(*read)(struct inode *inode，struct file *filp，char *buf，int count)；

　　int(*write)(struct inode *inode，struct file *filp，char *buf，int count)；

　　int(*ioctl)(struct inode *inode，struct file *filp，unsigned int cmd，unsigned int arg)；

　　int(*open)(struct inode *inode，struct file *filp)；

　　viod(*release)(struct inode *inode，struct file *filp)；

　　}

由上可見file_operations 結(jié)構(gòu)中的成員全部是函數(shù)指針，該結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上就是函數(shù)跳轉(zhuǎn)表。每個(gè)應(yīng)用進(jìn)程對設(shè)備的操作，都可以根據(jù)設(shè)備號，轉(zhuǎn)換成對file_operations 結(jié)構(gòu)的訪問，通過調(diào)用相關(guān)函數(shù)完成具體操作。

(3)中斷服務(wù)子程序，又稱為驅(qū)動程序的下半部。在Linux系統(tǒng)中，并不直接從中斷向量表中調(diào)用設(shè)備驅(qū)動程序的中斷服務(wù)子程序，而是由Linux系統(tǒng)來接收硬件中斷，再由系統(tǒng)來調(diào)用中斷服務(wù)子程序。

中斷可以在任何一個(gè)進(jìn)程運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生，因而中斷服務(wù)程序的調(diào)用，不依賴于任何進(jìn)程的狀態(tài)，即不能調(diào)用任何與進(jìn)程運(yùn)行環(huán)境有關(guān)的函數(shù)。在系統(tǒng)內(nèi)部，I/O設(shè)備的存/取通過一組固定的入口點(diǎn)來進(jìn)行，這組入口點(diǎn)是由每個(gè)設(shè)備的驅(qū)動程序提供的。對于本文涉及的LonWorks設(shè)備驅(qū)動，下面分析其作為字符型設(shè)備驅(qū)動程序所需用的常用入口點(diǎn)。

Lon_open(struct inode *inode，struct file *filp)入口點(diǎn)用以打開設(shè)備準(zhǔn)備I/O操作。對字符設(shè)備文件進(jìn)行打開操作，都會調(diào)用設(shè)備的open入口點(diǎn)。open子程序必須對將要進(jìn)行的I/O操作做好必要的準(zhǔn)備工作，如清除緩沖區(qū)等。Lon_release(struct inode *inode，struct file *filp)入口點(diǎn)用以關(guān)閉設(shè)備。當(dāng)最后一次使用設(shè)備終結(jié)后，調(diào)用release子程序。

Lon_read(struct inode *inode，struct file *filp，char *buf，int count)入口點(diǎn)用以從設(shè)備上讀數(shù)據(jù)?？梢岳盟O(shè)定的緩沖區(qū)進(jìn)行I/O操作，從緩沖區(qū)里讀數(shù)據(jù)。對設(shè)備進(jìn)行讀操作將調(diào)用read子程序。相似的，Lon_write(struct inode *inode，struct file *filp，char *buf，int count)入口點(diǎn)用以往設(shè)備上寫數(shù)據(jù)。對設(shè)備進(jìn)行寫操作將調(diào)用write子程序。

Lon_ioctl(struct inode *inode，struct file *filp，unsigned int cmd，unsigned int arg)入口點(diǎn)執(zhí)行讀、寫之外的一些硬件控制操作，操作命令代碼通過cmd參數(shù)傳送，命令參數(shù)通過arg參數(shù)傳送。此函數(shù)也為功能擴(kuò)展提供接口。

實(shí)現(xiàn)了以上3部分，核心驅(qū)動模塊部分就完成了。對以上模塊進(jìn)行編譯并加載后，Linux用戶可用mknod命令利用動態(tài)分配的主設(shè)備號建立相應(yīng)的設(shè)備文件，并對它設(shè)置恰當(dāng)讀寫權(quán)限后，就可以在應(yīng)用程序中通過這個(gè)設(shè)備文件來操作LonWorks總線設(shè)備了。這樣做不僅使得應(yīng)用程序編程風(fēng)格更加統(tǒng)一，代碼更具魯棒性，應(yīng)用系統(tǒng)更加安全更易于維護(hù)，而且可在核心級來保證關(guān)鍵部分的實(shí)時(shí)響應(yīng)，從而降低用戶程序開發(fā)的難度。

以上介紹了在ARM9平臺的嵌入式Linux2.6.x系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)Lonwork通信的一種方法，并在以武漢創(chuàng)維特公司的JXARM9-2410實(shí)驗(yàn)箱為基礎(chǔ)擴(kuò)展的硬件平臺上實(shí)驗(yàn)完成。后期可在此基礎(chǔ)上，結(jié)合Linux在網(wǎng)絡(luò)通信中的特長，實(shí)現(xiàn)對Lonwork網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用管理或與其他通信網(wǎng)絡(luò)的互連，有較好的實(shí)用性。