基于ARM+Linux 的儀器控制系統(tǒng)設計

0 引 言

　　嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)都有其特殊的應用場合與特定功能，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公司針對系統(tǒng)控制、通信領域推出的基于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，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(tǒng)中，應用層不可以直接操作硬件，需設計驅動程序向下屏蔽硬件特性，實現(xiàn)硬件與用戶間的通信。系統(tǒng)平臺為在虛擬機中安裝Fedora 8，目標系統(tǒng)采用Linux 2．6．21．7內核，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，并使用超級終端或minicom作為控制臺。

　　l 設備驅動程序設計

　　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口與外部設備通信，達到控制作用。在Linux下，所有的設備以文件的形式來使用。其中Linux已經(jīng)提供了支持AT91RM9200的SPI驅動，DBGU和UART驅動，只要對其源代碼進行一些修改并在編譯內核時將其選中就可以直接使用。所以主要集中在PIO口驅動設計中，外部設備使用一個．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引腳對外部設備進行控制。

　　Linux設備分為3類：字符設備、塊設備和網(wǎng)絡設備，該系統(tǒng)設計的是模塊化字符設備驅動程序。Linux 2．6內核與Linux 2．4內核主要有3點不同：

　　(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；

　　(3)驅動模塊從．o變?yōu)椋甼o。

　　1．1 驅動程序重要數(shù)據(jù)結構

　　打開的設備在內核內部由file結構標識，內核使用file_operaTIons結構訪問驅動程序的函數(shù)。file_opera_tions結構是一個定義在<Linux／fs．h>中的函數(shù)指針數(shù)組。下面主要介紹常用的幾個成員：

　　在這些函數(shù)指針中，open和release用于設備的打開和關閉，是每個驅動程序必須實現(xiàn)的函數(shù)。其他函數(shù)根據(jù)實際需要來實現(xiàn)，在該項目中實現(xiàn)方式如下：

　　另一個重要數(shù)據(jù)結構是file結構體，主要包括以下成員：

　　它代表一個打開的文件，只出現(xiàn)在內核空間，與用戶空間的file是不同的。在open操作時創(chuàng)建，然后傳遞給file_operations的其他函數(shù)指針，直到close。

　　第三個重要數(shù)據(jù)結構即inode，其成員包括：dev_ti_rdev和struet cdev*i_cdev，其中i_rdev中包含實際設備號，可以通過下面兩個宏函數(shù)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方法如open，release，write，read，ioctl等一一實現(xiàn)。其函數(shù)名即初始化這個file_operations結構體時各成員函數(shù)指針。當在用戶空間調用open時，內核空間的open方法即相應操作，其他方法同理。

　　1．2 驅動初始化和卸載清理工作

　　驅動加載需要進行設備注冊等一系列初始化工作；并且在卸載驅動時要釋放資源進行一些清理工作以使其不影響內核。所以定義兩個函數(shù)static int devctl_init()和static void devctl_exit()，然后通過module_init(devctl_init)和module_exit(devctl_exit)來通知內核。為了維護Linux的開源性，調用下面的宏來聲明：

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在初始化函數(shù)中，首先進行設備的注冊。主設備號表示對應的驅動程序，次設備號由內核使用，用于正確確定設備文件所指的設備?？梢詣討B(tài)申請或者靜態(tài)申請設備號。動態(tài)申請使用下面的函數(shù)：

　　dev是一個只輸出的參數(shù)，它在函數(shù)成功完成時持有分配范圍的第一個數(shù)；firstminor是請求的第一個要用的次編號；count是請求的連續(xù)設備編號的總數(shù)；name為設備名，返回值小于0表示分配失敗。然后通過major=MMOR(dev)獲取主設備號。如果注冊不成功或者卸載驅動時需要取消設備的注冊，使用下面的函數(shù)實現(xiàn)(其參數(shù)含義同上)：

　　對于字符型設備還要定義一個cdev結構體變量，并使用cdev_init()初始化，然后調用cdev_add()通知內核添加一個字符設備。同樣在卸載時要使用cdev_del()移除，否則用戶使用驅動時，有時不能打開設備。因為不使用cdev或者cdev在模塊卸載時不刪除會導致內核處在一個不穩(wěn)定狀態(tài)，在用戶層可能無法打開設備文件。 　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口和復用為IRQO的PB29引腳，然而Linux中對I／O端12和I／0內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內存。有兩種方法實現(xiàn)地址映射，一種是使用ioremap為I／O內存區(qū)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AT91RM9200利用如下轉換函數(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動模塊初始化時申請資源，在卸載時釋放資源，而對于I／O口的使能則在open方法中實現(xiàn)，相應的禁用在release方法中實現(xiàn)。

　　1．4 ioctl方法的實現(xiàn)

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

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1．5 中斷控制實現(xiàn)

　　當外部信號的到來時刻不可預測時，使用輪詢方式將使得效率極低，需要使用阻塞型中斷實現(xiàn)。即沒有中斷信號到來時阻塞讀進程，使其處于睡眠狀態(tài)，當中斷到來喚醒讀進程，執(zhí)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(shù)原型如下：

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

　　其次，ISR為申請中斷時使用的參數(shù)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)實現(xiàn)，然后返回IRQ_HANDLED；在read方法中調用wait_event_in-terruptible(queue，condition)來喚醒讀進程，這樣，當用戶程序讀設備時，如果沒有中斷到來，讀進程將進入睡眠狀態(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]，同時還要配置中斷源類型，函數(shù)分別在#in

　　2 編譯和調試

　　驅動程序可靜態(tài)編譯進內核，也可編譯成模塊動態(tài)加載。為便于調試采用動態(tài)模塊加載方式，Linux 2．6內核下驅動編譯方式和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備號，使用mknod創(chuàng)建設備節(jié)點，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，還可以通過點LED等以便于發(fā)現(xiàn)問題。

　　3 結 語

　　通過對相關的Linux 2．6內核中驅動源碼的深入研究與自我設計實踐，不斷調試，在此闡述的方法得到實際驗證，并已成功使用到某儀器的控制系統(tǒng)中。Linux博大精深，其開源的特點必將吸引更多的開發(fā)者投入其中，使其更好發(fā)展，應用于更多領域。