基于華邦W90P710處理器的Linux內(nèi)核應用及串口驅(qū)動的實現(xiàn)

嵌入式Linux是一種很受歡迎的操作系統(tǒng)，具有開放源碼、不存在黑箱技術(shù)、內(nèi)核小、功能強大、運行穩(wěn)定、效率高、易于定制裁減等特點[1]，廣泛應用于工控產(chǎn)品。很多工控產(chǎn)品需要和外部設備進行信息交換，而串口通信是最簡單快捷的實現(xiàn)方法。在不同的工控產(chǎn)品中，由于對所選用的串口元件或者串口通信的數(shù)據(jù)格式、波特率等有不同的需求,需要對串口驅(qū)動進行開發(fā)。華邦W90P710采用ARM的ARM7TDMI微處理器核心，采用?滋CLinux-2.4.20內(nèi)核，支持4組通用異步接收發(fā)送口(UART)，下面基于華邦W90P710的串口驅(qū)動詳細分析串口驅(qū)動的實現(xiàn)方法，實現(xiàn)嵌入式設備通過串口對外通信。

1 華邦W90P710 UART介紹

華邦W90P710支持4組UART，串口的控制主要通過以下寄存器實現(xiàn)[2]：
(1)行寄存器（UART_LCR）：設置數(shù)據(jù)位長度、奇偶校驗、停止位數(shù)。
(2)波特率除數(shù)寄存器（UART_DLL、UART_DLM）：波特率發(fā)生器的公式為：BaudOut=crystal clock/16×[Divisor +2]，Divisor為當前波特率。
(3)Modem控制寄存器（UART_MCR）：控制RTS、CTS等信號。
(4)FIFO控制寄存器（UART_FCR）：設置FIFO的長度，復位FIFO等控制。
(5)接收超時寄存器（UART_TOR）：收到首個字節(jié)后接收器啟動本超時，之后每收到一個字節(jié)后都會重置該值，在此超時時間內(nèi)不再收到數(shù)據(jù)時，接收器會產(chǎn)生一個接收中斷。
(6)中斷控制器（UART_IER）：設置接收、發(fā)送、行中斷等。
在使用RXDn、TXDn前必須對GPIO進行配置，使能RXDn、TXDn，串口才可正常運行。GPIO配置對應表如表1所示。


2 Linux系統(tǒng)驅(qū)動介紹

設備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機器硬件之間的接口。設備驅(qū)動程序為應用程序屏蔽了硬件的細節(jié)，這樣在應用程序看來，硬件設備只是一個設備文件，應用程序可以像操作普通文件一樣對硬件設備進行操作。同時，設備驅(qū)動程序是內(nèi)核的一部分[3]。圖1所示為設備驅(qū)動程序接口流程圖。

Linux系統(tǒng)的設備分為字符設備、塊設備和網(wǎng)絡設備三種。字符設備是指存取時沒有緩存的設備，只能順序讀寫。典型的字符設備包括鼠標、鍵盤、串行口等；塊設備一般都有緩存來支持，并且塊設備必須能夠支持隨機存取。塊設備主要包括硬盤設備、CD-ROM等；網(wǎng)絡設備在Linux系統(tǒng)中用做專門的處理，Linux的網(wǎng)絡系統(tǒng)主要是基于BSD Unix的socket機制[4]。

3 串口驅(qū)動程序詳細介紹

一般來說，Linux的設備驅(qū)動程序包括驅(qū)動程序的注冊和注銷、設備的打開和釋放、設備的讀寫操作、設備的控制操作、設備的中斷和輪詢處理等功能。下面就這些功能對串口驅(qū)動進行詳細說明。

(1)串口設備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括串口參數(shù)接收發(fā)送緩沖區(qū)等。串口參數(shù)包括波特率、數(shù)據(jù)位、數(shù)據(jù)起始位、奇偶校驗、串口類型、發(fā)送緩沖區(qū)、接收緩沖區(qū)等，每個串口對應一個如下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

typedef struct{
int  bps;
int  databits;
int  stopbits;
int  parity;
int  siotype;        //串口參數(shù)
int  openflag;
int  recvTrigTimeout;
SIO_D_SEND_BUFFER    *pSendBuf;//發(fā)送緩沖區(qū)
SIO_D_RECV_BUFFER    *pRecvBuf;//接收緩沖區(qū)
struct fasync_struct *fasync_queue;
wait_queue_head_t    read_wait;
}serial_dev;
static serial_dev serial_device;

(2)文件系統(tǒng)操作

入口函數(shù)對應文件操作函數(shù)read ()、write()、ioctl()、open()、close()。
struct file_operations serial_fops = {
owner:        THIS_MODULE,
poll:            serial_poll,
read:        serial_read,
write:        serial_write,
ioctl:        serial_ioctl,
open:        serial_open,
release:    serial_release,
};

(3)驅(qū)動程序注冊和注銷。

驅(qū)動程序在應用前，需要在模塊初始化時將設備注冊到系統(tǒng)設備表中；不再使用時，將設備從系統(tǒng)中卸除。注冊包括初始化定時器、初始化串口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)serial_device和字符設備注冊。注銷時直接調(diào)用設備注銷函數(shù)[5]。
int __init topbandserial1_init(void)
{
init_timer(timer);//初始化定時器結(jié)構(gòu)
memset(serial_device, 0, sizeof(serial_device));
result=register_chrdev(SERIAL1_MAJOR, serial1,
serial_fops);
…
}

(4)串口設備打開包括分配串口的接收發(fā)送緩沖區(qū)及中斷注冊[5]。
static int serial_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
dev->pRecvBuf = kmalloc(sizeof(SIO_D_RECV_BUFFER), GFP_KERNEL);
request_irq(INT_UART1,serial_interrupt,SA_SHIRQ,
TopbandSerial1,serial_device)；
…
}

(5)串口設備釋放包括釋放內(nèi)存空間、注銷中斷和刪除定時器[5]。
static int serial_release(struct inode *inode, struct file *flip)
{
serial_dev *dev = flip->private_data;//釋放內(nèi)存空間
kfree(dev->fasync_queue);
CSR_WRITE(COM_IER_1, 0x00); /* 中斷禁止 */
free_irq(INT_UART1, dev); //注銷中斷
del_timer(timer);//刪除定時器
MOD_DEC_USE_COUNT;
dev->openflag = 0;
…
}

(6)串口讀數(shù)據(jù)是指返回接收緩沖區(qū)中已收到的數(shù)據(jù)。讀取數(shù)據(jù)有兩種方式，阻塞方式和非阻塞方式。阻塞方式[6]中用戶程序執(zhí)行讀操作時如果沒有數(shù)據(jù)可讀，即讓read（）操作等待直到數(shù)據(jù)可讀；非阻塞方式中當用戶執(zhí)行讀操作時，不論串口是否接收到數(shù)據(jù)，設備驅(qū)動xxx_read（）函數(shù)會立刻返回，read（）函數(shù)系統(tǒng)調(diào)用也隨即返回。
static int serial_read(struct file *filp, char *buf, size_t
count, loff_t *f_pos)
{
if(filp->f_flags  O_NONBLOCK)/非阻塞方式讀取
retsts = serial_nonblock_read(dev,buf,count);
else    /*阻塞方式讀取*/
retsts = serial_block_read(dev,buf,count);    
…
}

(7)串口寫數(shù)據(jù)包括把數(shù)據(jù)存放在發(fā)送緩沖區(qū)、啟動硬件發(fā)送及發(fā)送中斷。當發(fā)送第一個字節(jié)后，硬件會產(chǎn)生發(fā)送中斷，剩下的數(shù)據(jù)將在中斷處理程序中發(fā)送。
static int serial_write(struct file *filp, const char *buf,
size_t count, loff_t *f_pos)
{
copy_from_user(pSendBuf->frameData[pSendBuf->
bufWritex].data[0],buf, count)；
CSR_WRITE(CMBOARD_GPIO_DATAOUT1,status1);
enable_tx_interrupt_1();
…
}

(8)串口控制包括設置串口波特率、奇偶校、停止位等，還可以定義其他特殊的控制。應用程序通過ioctl（）調(diào)用把串口的參數(shù)傳遞給驅(qū)動程序，驅(qū)動程序再通過對硬件串口控制寄存器進行設置，來滿足應用層用戶要求。

static int serial_ioctl(struct inode *inode, struct file *flip,
unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
switch(cmd){
case SERIAL_IOC_BPS:
…
break;
case SERIAL_IOC_SENDBUF:
…
break;
}
}

(9)中斷處理包括對接收中斷、發(fā)送中斷、異常中斷的處理。讀取中斷寄存器的狀態(tài)，根據(jù)不同的中斷類型分別處理。當收到數(shù)據(jù)時，硬件會產(chǎn)生接收中斷，驅(qū)動程序把串口的數(shù)據(jù)讀取出來，放在接收緩沖區(qū)中，直到所有數(shù)據(jù)讀取完成；當發(fā)送數(shù)據(jù)時，硬件會產(chǎn)生發(fā)送中斷，驅(qū)動程序把發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，直到所有數(shù)據(jù)發(fā)送完成；當串口接收或發(fā)送發(fā)生異常時，會產(chǎn)生異常中斷，驅(qū)動程序根據(jù)情況把串口重新初始化，以便串口恢復正常。

static void serial_interrupt(int irq, void * dev_id,
struct pt_regs *regs)
{
status = CSR_READ(COM_IIR_1);
while(status  UART_IIR_STATUS_NO) == 0)
{
switch(status)
{
case UART_IIR_STATUS_RDA:
case UART_IIR_STATUS_TOUT:
receive_chars(dev,status);
break;
case UART_IIR_THRE:    
transmit_chars(dev);
break;
}
status = CSR_READ(COM_IIR_1);
}
}

(10)定時器處理。中斷接收程序只負責把數(shù)據(jù)讀取到緩沖區(qū)，并沒有指示緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)可被用戶使用，這時需要在超時程序中把可用標志置上，當用戶調(diào)用read（）函數(shù)時就可把接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)返回。

static void serial_timer(unsigned long dummy)
{
…
serial_device.pRecvBuf->frameData
[serial_device.pRecvBuf->bufWritex].finished = 1;
mod_timer(timer,jiffies+2);/* 20 ms 進一次 */
}

通過以上幾個函數(shù)的處理，實現(xiàn)了串口的驅(qū)動。

4 驅(qū)動程序編譯進Linux內(nèi)核

以下以UART1為例，介紹驅(qū)動程序編譯進Linux內(nèi)核的過程，步驟如下：

(1)添加主次設備號。

主次設備號用來標識一個具體設備。主設備號用于標識設備類型，每種類型的設備需要一個對應的設備驅(qū)動程序。一個主設備可以有多個具體的設備與之對應。次設備號用于區(qū)分使用同種驅(qū)動程序的同類設備中多個不同的設備實例[7]。

在W90P710-?滋Clinux/?滋Clinux-distlinux-2.4.x/include/
linux目錄下的major.h中定義主設備號，添加如下代碼：
#define SERIAL1_MAJOR  230
在W90P710-?滋Clinux/?滋Clinux-dist/vendors/Winbond/W90P710目錄下的makefile中建立設備主次設備號(主設備號為230，次設備號為1)，添加如下代碼：
serial1,c,230,1

(2)在W90P710-?滋Clinux/?滋Clinux-dist/linux-2.4.x/drivers/char目錄下的makefile中添加如下代碼：

obj-$(CONFIG_TOPBAND_SERIAL1)+=w90p710_serial_1.o

(3)在W90P710-?滋Clinux/?滋Clinux-dist/linux-2.4.x/drivers/char目錄下的config.in字符設備段中添加如下代碼：

#if [ $CONFIG_TOPBAND_SERIAL1 = y ]; then
bool 'Topband serial1 support' CONFIG_TOPBAND_
SERIAL1
#fi

(4)在W90P710-?滋Clinux/?滋Clinux-dist目錄下運行make menuconfig，在menuconfig的字符設備選項中可以看見剛剛添加的“CONFIG_TOPBAND_SERIAL1”選項，選上該項。使用make dep、 make clean、make三個命令編譯Linux內(nèi)核，生成內(nèi)核文件linux.bin[8]。

(5)在W90P710-?滋Clinux/romdisk/dev目錄下創(chuàng)建設備文件，    輸入命令：
mknod serial1 c 230 1
生成設備文件“serial1”，應用程序通過使用“/dev/ serial1”這個設備文件名就可對串口進行操作。

最后編寫簡單的串口測試程序，編譯生成鏡像文件；再把鏡像文件romfs.img和內(nèi)核文件linux.bin下載到開發(fā)板，把開發(fā)板的串口和PC機相連，PC機端使用串口調(diào)試工具發(fā)送測試數(shù)據(jù)，開發(fā)板能正確收發(fā)數(shù)據(jù)。

本文按驅(qū)動程序的功能詳細介紹了W90P710微處理器實現(xiàn)串口驅(qū)動的方法，串口驅(qū)動程序是很典型的字符設備驅(qū)動程序，其他字符設備驅(qū)動和串口的實現(xiàn)方法是相同的，這對開發(fā)其他字符設備驅(qū)動程序有一定的借鑒作用。

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