基于PXA255開發(fā)板外圍字符設(shè)備的嵌入式Linux字符設(shè)備驅(qū)動設(shè)計與應(yīng)用

1引言

隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，嵌入式 Linux以其穩(wěn)定性和開放源代碼的優(yōu)點在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用。越來越多的軟硬件廠商使用嵌入式 Linux來開發(fā)自己的產(chǎn)品，對基于嵌入式 Linux平臺開發(fā)設(shè)備的驅(qū)動程序和應(yīng)用程序的需求在成倍增長。本文通過實現(xiàn)對 PXA255開發(fā)板外圍字符設(shè)備（電機、數(shù)碼管、串口和 mini鍵盤）的操作和控制，詳細討論了嵌入式 linux字符設(shè)備驅(qū)動的設(shè)計與應(yīng)用。

2系統(tǒng)的設(shè)計框架

系統(tǒng)的設(shè)計分為字符設(shè)備驅(qū)動程序和人機交互界面兩部分。驅(qū)動程序為應(yīng)用程序提供了操作設(shè)備的接口；人機交互界面的設(shè)計實現(xiàn)設(shè)備應(yīng)用程序并完成人機交互的功能。整個系統(tǒng)軟硬件的關(guān)系如圖 1：字符設(shè)備被映射到 Linux文件系統(tǒng)的文件和目錄，通過文件系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用接口 open（），write（），read（），close（）等函數(shù)訪問字符設(shè)備，實現(xiàn)設(shè)備的操作。

圖 1 系統(tǒng)軟硬件的關(guān)系

3系統(tǒng)字符設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計方法

Linux驅(qū)動程序是設(shè)備與具體的應(yīng)用程序的中間層，它提供操作設(shè)備的接口，應(yīng)用程序員不需要知道具體設(shè)備工作細節(jié)，只要調(diào)用一組標(biāo)準(zhǔn)化的函數(shù)就能完成對設(shè)備的操作，這些標(biāo)準(zhǔn)化的函數(shù)與具體的驅(qū)動沒有關(guān)系，而將這些函數(shù)映射到作用于具體設(shè)備上的操作則與驅(qū)動程序相關(guān)［1］。Linux設(shè)備分為字符設(shè)備，塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，字符設(shè)備是能夠像字節(jié)流一樣被訪問的設(shè)備。以下通過描述字符設(shè)備（電動機、數(shù)碼管、串口、mini鍵盤）驅(qū)動的實現(xiàn)方法，深入討論了基于嵌入式 linux的字符設(shè)備驅(qū)動的設(shè)計方法和實現(xiàn)過程。

3.1初始化函數(shù)與清除函數(shù)

Linux系統(tǒng)中，設(shè)備驅(qū)動的初始化函數(shù)負責(zé)注冊設(shè)備，并完成驅(qū)動程序必要的初始化以及申請中斷等［2］，Linux系統(tǒng)使用 module_init宏指定初始化函數(shù)。在初始化函數(shù)中調(diào)用 regiSTer_chrdev函數(shù)向系統(tǒng)注冊字符設(shè)備，通過 request_IRq 函數(shù)申請中斷。例如電機設(shè)備的初始化函數(shù)如下：

static int __init moto_init（void）{

int ret;

ret = register_chrdev（MOTO_MAJOR， “moto”， &moto_fops）;//注冊電機設(shè)備

if （ret） {

printk（KERN_ERR “%s： can‘t get major %d.n”，

__func__， MOTO_MAJOR）;

return ret;

}

printk（KERN_INFO “%s： register moto device successfully.n”， __func__）;

return 0;

} 其中，register_chrdev函數(shù)的第一個參數(shù)為主設(shè)備號，如果為0 則系統(tǒng)為此驅(qū)動程序動態(tài)地分配一個主設(shè)備號；第二個參數(shù)是設(shè)備名稱，這里是以moto為設(shè)備名稱；第三個參數(shù)moto_fops是默認(rèn)的struct file_operations結(jié)構(gòu)體 。

清除函數(shù)的功能和初始化函數(shù)的功能相反，它將驅(qū)動程序所占用的系統(tǒng)資源、中斷號進行釋放。Linux系統(tǒng)使用 module_exit宏指定清除函數(shù)。

3.2中斷

在 Linux 系統(tǒng)中，中斷是由系統(tǒng)來管理與維護的。中斷服務(wù)子程序在初始化函數(shù)中調(diào)用 request_irq 函數(shù)與相應(yīng)中斷號關(guān)聯(lián)，并將該中斷的相關(guān)信息添加到系統(tǒng)的中斷信息列表中。中斷發(fā)生時， Linux系統(tǒng)響應(yīng)中斷號來實現(xiàn)中斷處理程序的執(zhí)行。mini鍵盤按鍵觸發(fā)產(chǎn)生中斷號為 SIMPLE_KEY_IRQ的中斷，系統(tǒng)自動檢索并調(diào)用鍵盤中斷服務(wù)子程序。鍵盤中斷處理流程如圖 2：

3.3 設(shè)備驅(qū)動接口的實現(xiàn)

在Linux內(nèi)核中，字符設(shè)備使用 struct file_operations結(jié)構(gòu)體來實現(xiàn)設(shè)備的各種操作接口，這些操作主要用來實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用，命名為 open、read等等。file_operations結(jié)構(gòu)是定義在 《linux/fs.h》中的函數(shù)指針數(shù)組，每個設(shè)備文件都與它自己的操作函數(shù)相關(guān)聯(lián)。編寫字符設(shè)備驅(qū)動程序，主要是實現(xiàn) struct file_operations結(jié)構(gòu)中的各個函數(shù)。

本系統(tǒng)各設(shè)備驅(qū)動的設(shè)計主要實現(xiàn) open、read、write和 release這四個方法接口。 file_operation結(jié)構(gòu)成員如下： /* DEVICE驅(qū)動程序設(shè)備操作方法集 */ struct file_operations device_fops = {

open方法提供給驅(qū)動程序以初始化的能力，從而為以后的操作完成初始化做準(zhǔn)備。本系統(tǒng)中存在多個設(shè)備共用一個驅(qū)動的情況，驅(qū)動中的 open方法程序框架如下：

int device_open（struct inode *inode， struct file *filp）{ int minor = MINOR（kdev）; //次設(shè)備號的讀取 switch（minor） {

case first_device： device_first_vaddr = （unsigned long）ioremap （DEVICE_ FIRST _ADDR， 2）;

……

case second_device：

……

default：

……

} MOD_INC_USE_COUNT; // 遞增模塊引用計數(shù) ， 防止模塊在使用中被卸載 if （down_interruptible（&device_mutex）） { …… }； }

1）open方法調(diào)用 MINOR（kdev）宏實現(xiàn)次設(shè)備號的讀取，使用 switch語句完成設(shè)備的匹配初始化。Linux系統(tǒng)為每一個設(shè)備分配了一個主設(shè)備號和次設(shè)備號。主設(shè)備號標(biāo)識具體的設(shè)備驅(qū)動程序，次設(shè)備號標(biāo)識具體設(shè)備。開發(fā)板電機設(shè)備有直流電機和步進電機，它們的主設(shè)備號都是 252，次設(shè)備號分別為 0和 1。數(shù)碼管、串口、 mini鍵盤的驅(qū)動設(shè)計只針對單個設(shè)備，次設(shè)備號設(shè)計為 0。

2）ioremap函數(shù)在 open方法中實現(xiàn)對電機、數(shù)碼管、串口、mini鍵盤寄存器的訪問。 PXA255處理器有專門的存儲器管理單元（MMU），在驅(qū)動中不能直接對設(shè)備 I/O內(nèi)存的物理地址進行讀寫，需要調(diào)用ioremap 等內(nèi)核函數(shù)將寄存器的實際物理地址映射到內(nèi)核統(tǒng)一的地址空間中，從而實現(xiàn)了對物理地址的間接調(diào)用。例如寄存器 DEVICE_ FIRST _ADDR的讀寫操作，通過讀寫 device_first_vaddr變量實現(xiàn)。在 asm/arch/pxa-regs.h頭文件中定義了各種寄存器的宏，文件中的宏變量都是經(jīng)過地址映射的可以直接使用。

release方法的作用正好與 open相反，通過調(diào)用 iounmap函數(shù)撤銷 device設(shè)備的虛擬地址映射，同時釋放互斥鎖，遞減模塊引用計數(shù)，當(dāng)模塊引用計數(shù)減到 0時，close函數(shù)才能真正的關(guān)閉設(shè)備。read和 write方法的任務(wù)是相似的，主要完成用戶空間和內(nèi)核空間之間的數(shù)據(jù)拷貝。

read方法程序框架如下：

ssize_t device_read（struct file *filp， char *buf， size_t count， loff_t *offp）{

……

if （copy_to_user（buf， （u8 *）&BUF， count）） { ……} //寫數(shù)據(jù)給用戶空間

return count; // 返回成功讀取的字節(jié)數(shù) }

其中，copy_to_user函數(shù)實現(xiàn)內(nèi)核空間到用戶空間的數(shù)據(jù)拷貝。應(yīng)用程序調(diào)用該方法接口實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的接收。

write方法的實現(xiàn)同read方法類似。通過調(diào)用 copy_from_user函數(shù)實現(xiàn)用戶空間到內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)拷貝。該方法接口實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的發(fā)送、LED和MOTO控制寄存器的設(shè)置。

3.4 驅(qū)動的裝載和卸載

Linux驅(qū)動程序的編譯加載有兩種方式。一種是編譯成模塊在運行時加載，不需要重新啟動內(nèi)核，它使用 insmod工具將驅(qū)動模塊加載進內(nèi)核，使用 rmmod從內(nèi)核中卸載模塊。該方法實現(xiàn)如下：1）編譯驅(qū)動并下載驅(qū)動到開發(fā)板：$ arm-linux-gcc device_driver.c -I /home/eflag/kernel/include/ -c生成 device_driver.o文件，通過 tftp工具下載到開發(fā)板；2）驅(qū)動的加載：$ insmod device_driver.o。設(shè)備驅(qū)動的加載成功后，可以編寫應(yīng)用程序進行設(shè)備驅(qū)動的檢測；3）驅(qū)動的卸載：$ rmmod device_driver。

另一種是將驅(qū)動程序靜態(tài)編譯進內(nèi)核，再運行新的內(nèi)核來測試驅(qū)動，該方法是在linux系統(tǒng)字符設(shè)備驅(qū)動文件夾linux/driver/char/中加入設(shè)備驅(qū)動源程序，同時修改 makefile文件，重新編譯內(nèi)核，下載新內(nèi)核到開發(fā)板，系統(tǒng)啟動后自動加載設(shè)備驅(qū)動 ［3］。在驅(qū)動加載成功后就可以對該驅(qū)動的設(shè)備進行讀寫等操作。 4 Qt人機界面的實現(xiàn)

Qt是由 Troolltech公司開發(fā)的一套開源圖形用戶界面庫。它給應(yīng)用程序開發(fā)者提供了開發(fā)圖形界面所需的各種功能。Qtopia core是嵌入式環(huán)境下所使用的 Qt，很多嵌入式產(chǎn)品如 PDA、手機都采用 qtopia core的圖形庫作為人機界面設(shè)計的框架。本系統(tǒng)使用 qtopia core的圖形庫進行用戶界面的開發(fā)。

4.1 Qt應(yīng)用程序的設(shè)計

Qt的事件驅(qū)動機制是 single/slot（信號/槽）機制，通過 connect函數(shù)連接控件信號（Single）與槽函數(shù)（slot）。首先控件觸發(fā)產(chǎn)生 Single信號，然后由 signal信號觸發(fā)執(zhí)行槽函數(shù)［4］。本系統(tǒng)中槽函數(shù)為具體設(shè)備應(yīng)用程序。

設(shè)備應(yīng)用程序的開發(fā)主要是系統(tǒng)函數(shù)的調(diào)用，如 open（打開設(shè)備），read/write（讀寫設(shè)備），close（關(guān)閉設(shè)備）等。本系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)用程序開發(fā)如下： RS232收發(fā)數(shù)據(jù)功能； LED跑馬燈功能；操控電機轉(zhuǎn)動功能；mini鍵盤鍵值讀取功能。

Linux系統(tǒng)中設(shè)備作為文件被訪問，對設(shè)備進行訪問前需建立設(shè)備節(jié)點：

$mknod /dev/device_name c MAJOR MINOR

其中 device_name是設(shè)備節(jié)點名， c是字符設(shè)備標(biāo)志， MAJOR是主設(shè)備號，MINOR是

次設(shè)備號。open函數(shù)使用/dev/device_name作為文件路徑來打開設(shè)備。

4.2Qt應(yīng)用程序的運行

1）編譯 Qtopia core應(yīng)用程序生成可執(zhí)行文件 application。通過 tftp工具下載可執(zhí)行文件到開發(fā)板；2）開發(fā)板中 application可執(zhí)行文件的運行： $ chomd +x application $ 。/application –qws。

LCD顯示器顯示人機交互界面如圖 3，通過輸入設(shè)備如鼠標(biāo)、鍵盤、觸摸屏可以完成設(shè)備的操作。

5 總結(jié)

實現(xiàn)了電機、數(shù)碼管、串口和 mini鍵盤的驅(qū)動程序和應(yīng)用程序的開發(fā)，設(shè)計了人機交互界面。

本文創(chuàng)新點：詳細分析了嵌入式 Linux下字符設(shè)備驅(qū)動程序的構(gòu)建過程。整個系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)過程對嵌入式 Linux系統(tǒng)的開發(fā)有一定的參考價值。