解讀采用ARM+Linux 2.6 內(nèi)核的儀器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引 言

嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)都有其特殊的應(yīng)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(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，并使用超級終端或minicom作為控制臺。

l 設(shè)備驅(qū)動程序設(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，DBGU和UART驅(qū)動，只要對其源代碼進(jìn)行一些修改并在編譯內(nèi)核時將其選中就可以直接使用。所以主要集中在PIO口驅(qū)動設(shè)計(jì)中，外部設(shè)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(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)動模塊從.o變?yōu)?ko。

1.1 驅(qū)動程序重要數(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，內(nèi)核使用file_operaTIons結(jié)構(gòu)訪問驅(qū)動程序的函數(shù)。file_opera_tions結(jié)構(gòu)是一個定義在中的函數(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(shè)備的打開和關(guān)閉，是每個驅(qū)動程序必須實(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(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，可以通過下面兩個宏函數(shù)獲取主從設(shè)備號：

初始化file_operations結(jié)構(gòu)體后，要將其中定義的各個方法如open，release，write，read，ioctl等一一實(shí)現(xiàn)。其函數(shù)名即初始化這個file_operations結(jié)構(gòu)體時各成員函數(shù)指針。當(dāng)在用戶空間調(diào)用open時，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)動初始化和卸載清理工作

驅(qū)動加載需要進(jìn)行設(shè)備注冊等一系列初始化工作;并且在卸載驅(qū)動時要釋放資源進(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。主設(shè)備號表示對應(yīng)的驅(qū)動程序，次設(shè)備號由內(nèi)核使用，用于正確確定設(shè)備文件所指的設(shè)備。可以動態(tài)申請或者靜態(tài)申請?jiān)O(shè)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(shè)備編號的總數(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。如果注冊不成功或者卸載驅(qū)動時需要取消設(shè)備的注冊，使用下面的函數(shù)實(shí)現(xiàn)(其參數(shù)含義同上)：

對于字符型設(shè)備還要定義一個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)核添加一個字符設(shè)備。同樣在卸載時要使用cdev_del()移除，否則用戶使用驅(qū)動時，有時不能打開設(shè)備。因?yàn)椴皇褂胏dev或者cdev在模塊卸載時不刪除會導(dǎo)致內(nèi)核處在一個不穩(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。