μClinux嵌入系統(tǒng)中外部硬件設備的快速調(diào)試方法

摘要：為了加快開發(fā)調(diào)試μClinux嵌入式系統(tǒng)的外部硬件設備，采用直接物理地址的設備訪問方法，在μClinux嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)了外部硬件設備的快速訪問。使用地址映像，將設備的寄存器映像到處理器的內(nèi)存空間統(tǒng)一編址，通過指針定義的地址操作函數(shù)對外設備進行訪問。該方法可以在μClinux操作系統(tǒng)支持的嵌入式系統(tǒng)的硬件環(huán)境中進行硬件外部設備的快速調(diào)試，避免了因等待外部硬件設備驅(qū)動程序的編寫而耽誤外部硬件調(diào)試的時間，從而加快外部硬件設備調(diào)試速度，提高硬件開發(fā)調(diào)試效率。 關鍵詞：方法 μClinux硬件 調(diào)試 快速 在傳感器網(wǎng)絡節(jié)點中，采用了基于Linux的嵌入式操作系統(tǒng)。開發(fā)基于Linux操作系統(tǒng)的嵌入式微處理器應用系統(tǒng)，關鍵是Linux能夠訪問嵌入式處理器上擴展連接的外部設備。一旦能夠訪問連接的外部芯片設備，就可以靈活地在Linux上運行對嵌入式系統(tǒng)外部設備的有關訪問控制應用。 Linux在個人PC機上的設備驅(qū)動框架作了介紹。介紹了μClinux中訪問嵌入式系統(tǒng)外部設備的設備驅(qū)動方式的框架。不過對于設備驅(qū)動程序的操作函數(shù)的實現(xiàn)由于與具體的外設備硬件有關，沒有實現(xiàn)的具體統(tǒng)一方案。設備驅(qū)動方式采用通用的文件訪問方式操作設備，這給對硬件底層不了解的高層用戶的程序設計帶來了方便。但對于硬件的設計和調(diào)試人員來說，不了解底層硬件的操作就無法實現(xiàn)設備的訪問。硬件設計人員必須實現(xiàn)訪問函數(shù)的具體操作過程，以達到對外部擴展設備的訪問測試和靈活控制。也就是說，先要完成設備驅(qū)動程序，然后才能進行下一步的硬件設備調(diào)試。 編寫和實現(xiàn)設備驅(qū)動程序必須先了解和實現(xiàn)對設備底層的訪問，這是個復雜的過程。先要掌握處理器如何尋址外部設備、如何配置外部設備；再實現(xiàn)底層的地址訪問函數(shù)；然后再編寫設備驅(qū)動程序的實現(xiàn)函數(shù)，進而編寫設備驅(qū)動程序；將驅(qū)動程序編譯進Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核；最后在Linux系統(tǒng)中通過標準的設備訪問方式訪問外部設備。 采用設備驅(qū)動方式需要很多時間，以至于耽誤硬件設計調(diào)試的進程。另一方面，由于應用于嵌入式的Linux不支持動態(tài)的加載設備驅(qū)動模塊，只能將設備的模塊編譯進Linux內(nèi)部，也就是要將設備驅(qū)動程序重新編譯進用于嵌入式的Linux內(nèi)核中，為此采用驅(qū)動方式又增加了內(nèi)核的代碼。 在μClinux操作系統(tǒng)中，可以采用直接物理地址訪問外部擴展設備，針對設備寄存器的地址單元進行讀寫操作，直接與硬件接觸，而且便于從最底層了解設備的操作，直接與硬件接觸，而且便于從最底層了解設備的工作方式，加快開發(fā)調(diào)試產(chǎn)品的速度。該方法僅僅修改少量的代碼，采用直接地址的訪問方式能夠快速完成對外設備的訪問測試。與設備驅(qū)動方式相比，重新編譯后使內(nèi)核代碼增加較少。而在μClinux中要采用直接物理地址的外部設備訪問，需要修改啟動代碼，建立設備訪問函數(shù)，需要一定技巧。本文以Motorola的ColdFire MCF5272嵌入式微處理器平臺為例，介紹了μClinux對外部設備的快速訪問方法。1 存儲空間編址 對于μClinux來說，其設計是針對沒有MMU（Memory Manage Unit）的處理器，即μClinux不能使用處理器的虛擬內(nèi)存管理技術，μClinux采用存儲器的分頁管理，系統(tǒng)在啟動時把實際存儲器進行分頁。在加載應用程序時程序分頁加載。但由于沒有MMU管理，實際上μClinux采用實存儲器管理策略。 ΜClinux系統(tǒng)對于內(nèi)存的訪問是直接的，它對地址的訪問不需要經(jīng)過MMU，而是直接送到地址線上輸出，所有程序中訪問的地址都是實際的物理地址。操作系統(tǒng)對內(nèi)存空間沒有保護，各個進程實際上共享一個運行空間。 ΜClinux采用了實內(nèi)存模式，各個內(nèi)部段在物理內(nèi)存（沒有虛存）層面都是連續(xù)的，其內(nèi)存空間的地址映像如圖1。 根據(jù)內(nèi)存空間是否獨立，可以將I/O空間的配置分為兩種：一種是I/O空間與內(nèi)存空間相互獨立，這樣I/O空間的訪問需要使用專門的I/O函數(shù)如inb和outb等。Intel CPU就使用這種方法。另一種是將I/O寄存器作為內(nèi)存的一部分，即I/O寄存器與內(nèi)存統(tǒng)一編址，這樣使用普通的內(nèi)存訪問語句即可讀寫I/O寄存器。Motorola 68K處理器就采用這種體系結(jié)構(gòu)，處理器MCF5272也統(tǒng)一編址。即其RAM、FLASH和外設I/O均統(tǒng)一編址，沒有地址變換和內(nèi)存保護。 2 快速設備訪問 在C語言中，用指針可以對內(nèi)存地址單元進行直接訪問，因此在設計中可以采用指針對外部設備進行快速操作。 2．1 地址映像 為了訪問外部設備，首先應將外設的寄存器映像到MCF5272的內(nèi)存，與內(nèi)存統(tǒng)一編址。為此，需要修改相應代碼。 用于COLDFIRE MCF5272的嵌入式μClinux啟動代碼由兩部分組成： μClinux/linux/arch/m68knommu/platform/5272/MOTOROLA/crt0_rom.S μClinux/linux/arch/m68knommu/platform/5272/sysinit.c 其中crt0_rom.S由匯編寫成，完成CPU的初始化設置，這是整個軟件體系的最開始執(zhí)行的代碼入口，CPU一加電就跳到這里執(zhí)行；sysinit.c為C語言代碼，完成MCF5272的集成模塊SIM（如串口、時鐘、通用I/O等）、SDRAM、FLASH和其它外設接口、片選等的初始化設置。 MCF5272的片選CS0～CS7的寄存器CSBR0～CSBR7和CSOR0～CSOR7可將外設備寄存器的地址映像到內(nèi)存儲空間，這樣可以采用對內(nèi)存空間的訪問來達到訪問外部設備。其中寄存器CSBR指明了映像的內(nèi)存起始地址、映像的內(nèi)存容量、總線寬度等；寄存器CSOR用于配置訪問控制。片選CS0用于啟動存儲器ROM（FLASH）。 在C語言文件sysinit.c中修改代碼以實現(xiàn)外設的寄存器映像功能。應用片選CS2實現(xiàn)的代碼如下： MCF5272_WR_CS_CSBR2(imm,0xffa00001);//寄存器內(nèi)存開始地址：0xffa00000 MCF5272_WR_CS_CSOR2(imm,0xfff00014);//片選2 其中imm為無符號字符指針，代表了MCF5272系統(tǒng)集成模塊（SIM）中的寄存器地址。 2．2 實現(xiàn)訪問函數(shù) 通過修改啟動代碼，將外部設備的寄存器單元映像到內(nèi)存單元后，就可以使用訪問內(nèi)存的宏和指針快速訪問外部設備的寄存器。有兩類實現(xiàn)設備快速訪問的函數(shù)。 2．2．1 使用宏定義 （1）對設備的該函數(shù)read_register()實現(xiàn) #define read_register(IMM,OFFSET,SIZE)Mcf5272iord(IMMP,OFFSET,SIZE) (2)對設備的寫函數(shù)write_register()實現(xiàn) #define write_register(IMM,OFFSET,SIZE,DAT)Mcf5272iowr(IMMP,OFFSET,SIZE,DATA) 其中Mcf5272_iord和Mcf5272_iowr為宏。在sysinit.h中有下列宏定義： （a）用于計算地址的宏 #define Mcf5272_addr(IMM,OFFSET)((void *)%26;amp;((unsigned char *)IMMP[OFFSET])) 表示基地址為IMM，偏移地址為OFFSET的內(nèi)存地址。宏返回物理地址。 （b）訪問內(nèi)存的宏 #define Mcf5272_iord(IMMP，OFFSET，SIZE) （*（volatile uint ## SIZE *）（Mcf5272_addr）(IMMP,OFFSET)）) #define Mcf5272_iowr(IMMP,OFFSET,SIZE,DATA) (*(volatile uint ## SIZE *)(Mcf5272_addr(IMMP,OFFSET))=(DATA)) 分別表示讀內(nèi)存地址單元內(nèi)容、將數(shù)據(jù)DATA寫入內(nèi)存地址單元。地址單元的基地址為IMM，偏移地址為OFFSET。SIZE表示每次讀寫操作的數(shù)據(jù)度，取值可為8、16、32，分別表示每次操作8位、16位、32位的總線數(shù)據(jù)。2．2．2 采用指針直接定義 （1）對設備的讀函數(shù)inb()、inw()、inl()實現(xiàn) #define inb(addr)(*(volatile unsigned chart*)(addr)) #define inw(addr)(*(volatile unsignedshort*)(addr)) #define inl(addr)(*(volatile unsigned long*)(addr)) 分別是8位、16位、32位數(shù)據(jù)總線的讀函數(shù)。 （2）對設備的寫函數(shù)outb()、outw()、outl()實現(xiàn) #define outb(data,addr)((*(volatile unsigned char*)(addr))=(data)) #define outw(data,addr)((*(volatile unsigned short*)(addr))=(data)) #define outl(data,addr)((*(volatile unsigned short*)(addr))=(data)) #define outl(data,addr)((*(volatile unsigned long*)(addr))=(data)) 分別是8位、16位、32位數(shù)據(jù)總線的寫函數(shù)。 3 應用實驗 在筆者的傳感器網(wǎng)絡節(jié)點中（見圖2），外部設備芯片采用W99200F，它包含100多個寄存器。在芯片上電復位后，芯片寄存器的復位初始值在手冊中是已知的。根據(jù)訪問方式，它包含三類寄存器：只讀、只寫、可讀寫。W99200F芯片部分寄存器偏移地址及其復位初始化值如表1所示。表1 W99200F芯片中部分寄存器及其初始化值 寄存器名偏移地址訪問方式數(shù)據(jù)寬度復位值Vint_source0x0d只讀80x40Vbv_initial0x18讀寫80x13Vquality0x19讀寫80x08Vin_cntl0x21讀寫80x0cVsize_h0x24讀寫80x2c修改啟動代碼和實現(xiàn)訪問函數(shù)，其中寄存器CSBR2指明了映像的內(nèi)存起始地址、映像的內(nèi)存容量、總線寬度等。重新編譯μClinux內(nèi)核，并將生成的下載文件燒寫到FLASH中，重新上電在內(nèi)核運行起來后（或者mount上宿主機硬盤手動啟動μClinux內(nèi)核），通過編制一段C語言的測試程序，調(diào)用設備訪問函數(shù)，即可對外部設備芯片的寄存器進行讀寫。下面是一段測試程序test.c。 #include #include "io.h" //包含定義的設備訪問函數(shù) int main(void) { printf（"Vint_source:0x%x",inb(0xffa00000+0x0d)）; //讀寄存器Vint_source初始值 printf("Vbv_initial:0x%x",inb(0xffa00000+0x18)); //向寄存器Vbv_initial寫入值0x7f outb(ox1f,0xffa00000+0x19));//向寄存器Vquality寫入值0x1f outb(0x7f,0xffa00000+0x21));//向寄存器Vin_cntl寫入值0x7f outb(0x2d,0xffa00000+0x24));//向寄存器Vsize_h寫入值0x2d printf(“Vbv_initial:0x%x”,inb(0xffa00000+0x18)); //讀寄存器Vbv_initial的值 printf("Vin_cntl:0x%x"inb(0xffa00000+0x21)); //讀寄存器Vin_cntl的值 printf("Vsize_h:0x%x",inb(0xffa00000+0x24)); //讀寄存器Vsize_h的值 return; } 該測試程序先讀出外部設備上電的初始值；再對外芯片的可讀寫寄存器進行寫操作，后讀出寫入的值。在宿主機Linux系統(tǒng)的minicom調(diào)試窗口中mount上宿主機硬盤，運行編譯好的test程序，得到該測試程序的輸出。讀出的初始化值與外部設備手冊上的值完全一樣，并且寫入外部設備寄存器的值與而后讀出的值也完全相同。 通過測試檢驗說明設備訪問函數(shù)能夠按物理地址訪問外部設備。比較設備驅(qū)動程序方法，該方法可以在較短時間正確訪問外部設備，這樣對硬件調(diào)試人員來說節(jié)約了時間，可以快速進行硬件的開發(fā)調(diào)試，而不是等待編寫好設備驅(qū)動程序后才調(diào)試硬件，編寫設備驅(qū)動程序可以單獨進行。因此，在μClinux嵌入系統(tǒng)中采用本文介紹的方法調(diào)試外部設備，具有快速方便的特點，大大加快了在μClinux應用系統(tǒng)中的設備調(diào)試，節(jié)約了時間。 linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）