基于Linux操作系統(tǒng)和紅外發(fā)射器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)

引 言

隨著嵌入式系統(tǒng)及集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，針對(duì)移動(dòng)手持終端的專用芯片獲得了長(zhǎng)足發(fā)展。芯片的RAM和ROM的容量越大，在上面跑操作系統(tǒng)也越來(lái)越容易。Linux是當(dāng)今流行的操作系統(tǒng)之一。由于其內(nèi)核健壯、運(yùn)行高效、源碼開(kāi)放，并且Linux是免費(fèi)的操作系統(tǒng)，再加上其良好的可移植性等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使其已經(jīng)成為嵌入式操作系統(tǒng)的主流。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是Linux操作系統(tǒng)中的一個(gè)重要的組成部分，現(xiàn)在不斷升級(jí)的Linux內(nèi)核中，增加最多的就是驅(qū)動(dòng)程序。由于Linux是開(kāi)放源代碼的，給我們提供了一個(gè)絕好的機(jī)會(huì)來(lái)分析和改造設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，使其滿足自己的特殊應(yīng)用，這樣在嵌入式產(chǎn)品中，就可以為自己特有的外圍設(shè)備編寫一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。由于IrDA技術(shù)的蓬勃發(fā)展，提供了各種信息家電設(shè)備之間的無(wú)線連接的最佳選擇，紅外數(shù)據(jù)傳輸，成本低廉、連接方便、簡(jiǎn)單易用、結(jié)構(gòu)緊湊，在小型嵌入式移動(dòng)設(shè)備中也得到了廣泛的應(yīng)用。配備有紅外技術(shù)移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)字助理、筆記本電腦都已登陸市場(chǎng)，因此，嵌入式設(shè)備的IrDA模塊的開(kāi)發(fā)有著廣闊的市場(chǎng)前景。

本文將詳細(xì)講解基于Inte1的PXA255處理器的Sitsang開(kāi)發(fā)平臺(tái)紅外模塊的設(shè)計(jì)，其中包括Linux下的IrDA驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)和基于MC68HC908AP64紅外發(fā)射器的軟硬件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。

1 Linux下IrDA模塊的設(shè)計(jì)

1.1 Linux下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序簡(jiǎn)介

系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)內(nèi)核和應(yīng)用程序之間的接口，驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機(jī)器硬件之間的接El，也是應(yīng)用層和實(shí)際硬件設(shè)備之間的軟件。一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序就是一個(gè)函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的集合，它的目的就是實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的管理設(shè)備的接口。內(nèi)核用這個(gè)接口請(qǐng)求驅(qū)動(dòng)程序控制設(shè)備的I／O操作。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閼?yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)，這樣在應(yīng)用程序看來(lái)，硬件設(shè)備只是一個(gè)設(shè)備文件，應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行操作。Linux操作系統(tǒng)支持三種不同類型的設(shè)備，即字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)接口，相應(yīng)地有三種類型的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。本文主要討論字符型設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是內(nèi)核的一部分，主要完成以下的功能：

①對(duì)設(shè)備初始化和釋放；

②把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù)；

③讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)和回送應(yīng)用程序請(qǐng)求的數(shù)據(jù)；

④檢測(cè)和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

由于應(yīng)用程序是通過(guò)設(shè)備文件同硬件打交道，對(duì)設(shè)備文件的操作方式不外乎就是一些系統(tǒng)調(diào)用，如open、read、write、close等等。Linux操作系統(tǒng)是通過(guò)一組固定的接口把系統(tǒng)調(diào)用和驅(qū)動(dòng)程序關(guān)聯(lián)起來(lái)的。這組入口點(diǎn)是由每個(gè)設(shè)備的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序組成了一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)向系統(tǒng)提供的，它提供了字符型設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序所需的操作。這是一個(gè)非常關(guān)鍵的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

struet file_operations{

struct modul*owner；

loft t（*llseek）（struet file*10flf_t，int）；

ssize t（*read）（struct file*，char*，size_t，10ff_t）；

ssize tf*write）（struct file*，const char*size_t，10ff_t*）；

int f*readdir）（struct file*，void*，filldir_t）；

unsigned int（*poll）（struct file*，struct poll_table_struct*）；

int（*ioctl）（struct inode*．struct file*，unsigned int，unsigned long）；

int（*mmap）（struet file*，struct vm_area_struct*）

int（*open）（struct inode*，stmct file*）；

int（*flush）（struct nle*）;

int（*release）（struct inode*，stmct file*）;

這個(gè)結(jié)構(gòu)的每一個(gè)成員的名字都對(duì)應(yīng)著一個(gè)系統(tǒng)調(diào)月。應(yīng)用程序利用系統(tǒng)調(diào)用在對(duì)設(shè)備文件進(jìn)行諸如read／write操作時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用通過(guò)設(shè)備文件的主設(shè)備號(hào)找到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，然后讀取這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相應(yīng)的函數(shù)指針，接著把控制權(quán)交給該函數(shù)。這是Linux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序工作的基本原理。既然是這樣，編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主要工作就是編寫子函數(shù)，并填充me_operations的各個(gè)域。多數(shù)情況下，只需為上面結(jié)構(gòu)中的少數(shù)方法編寫服務(wù)函數(shù)，其它均設(shè)為NULL。

已經(jīng)提到，應(yīng)用程序是通過(guò)設(shè)備文件來(lái)與實(shí)際的硬件打交道的。每個(gè)設(shè)備文件都有其文件屬性（c／b），表示是字符設(shè)備還是塊設(shè)備。另外每個(gè)文件都有兩個(gè)設(shè)備號(hào)：第一個(gè)是主設(shè)備號(hào)，標(biāo)識(shí)驅(qū)動(dòng)程序；第二個(gè)是從設(shè)備號(hào)，標(biāo)識(shí)使用同一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的不同的硬件設(shè)備，比如有兩個(gè)軟盤，就可以用從設(shè)備號(hào)來(lái)區(qū)分它們。設(shè)備文件的主設(shè)備號(hào)必須與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在登記時(shí)申請(qǐng)的主設(shè)備號(hào)一致，否則用戶進(jìn)程將無(wú)法訪問(wèn)到驅(qū)動(dòng)程序。

1.2 IrDA模塊驅(qū)動(dòng)程序

IrDA是一種廉價(jià)、近距離、無(wú)線、低功耗、保密性強(qiáng)的通信技術(shù)，適合于低成本、跨平臺(tái)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)高速數(shù)據(jù)連接，尤其是嵌入式系統(tǒng)；主要應(yīng)用于無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，有時(shí)也用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入和近程遙控。IrDA制定了很多紅外通信協(xié)議，其中IrDA1.0協(xié)議基于異步收發(fā)器uART，最高通信速率在115 2kbps，簡(jiǎn)稱sIR（Seria Infrared，串行紅外協(xié)議），采用3／1 6 ENDEC編／解碼機(jī)制。我們所要實(shí)現(xiàn)的就是基于sIR的IrDA驅(qū)動(dòng)。它的發(fā)射強(qiáng)度與接收靈敏度因不同器件、不同應(yīng)用設(shè)計(jì)而強(qiáng)弱不一，使用時(shí)只能以半雙工方式進(jìn)行紅外通信。

我們的設(shè)計(jì)思想是Sitsang板只作為接收端，而基于MC68HC908AP64紅外發(fā)射器作為發(fā)送端。其中file_operations結(jié)構(gòu)中的ioctl（）函數(shù)可以進(jìn)行發(fā)送或接收的狀態(tài)切換。原Sitsang板載Linux系統(tǒng)所帶的IrDA驅(qū)動(dòng)程序是作為網(wǎng)絡(luò)部分編寫的，使用過(guò)于復(fù)雜，且在處理數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)需要做一些自己的處理和驗(yàn)證規(guī)則，所以我們使用標(biāo)準(zhǔn)串口在Linux下自己編寫了一個(gè)IrDA的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。這樣在使用時(shí)，可以根據(jù)自己的需要作相應(yīng)的更改，比較靈活。

在IrDA驅(qū)動(dòng)程序中主要實(shí)現(xiàn)了s_r_read（）、s_r_write（）、siLopen（）、sir_close（）、siLioctl（）及sir_handle_irq（）中斷處理程序六個(gè)函數(shù)。相應(yīng)的接口結(jié)構(gòu)如下所示：

static struct file_operations siLfops={

ioctl： sir ioctl，

read： siread，

write： sir_write，

open： slr_open，

release：sir close

1.2.1 sir_handle_irq函數(shù)

用戶空間進(jìn)程通過(guò)接口函數(shù)進(jìn)入到內(nèi)核，內(nèi)核再調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序相應(yīng)的I／O函數(shù)。IrDA驅(qū)動(dòng)程序是字符類型的驅(qū)動(dòng)程序，我們用中斷的方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)核與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序在啟動(dòng)后設(shè)備就掛起自己，直到串口完成操作并發(fā)出一個(gè)中斷請(qǐng)求（IRQ）。當(dāng)IRQ產(chǎn)生時(shí)，注冊(cè)的中斷處理程序sir_handlejrq得以運(yùn)行。在Sir_handle_irq中，程序通過(guò)相應(yīng)的寄存器操作得到接收的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存入到一個(gè)內(nèi)部緩沖中。

1.2.2 sir open和sir_cIose函數(shù)

sir_open函數(shù)的主要功能就是遞增使用計(jì)數(shù)和設(shè)備初始化操作。這里把設(shè)置并初始化sitsang板上的紅外設(shè)備放在了sir_open函數(shù)中，這樣在每次打開(kāi)IrDA設(shè)備時(shí)，紅外設(shè)備都會(huì)被正確地設(shè)置，確保了紅外硬件的正常工作。另外，把申請(qǐng)?jiān)O(shè)備中斷號(hào)的工作也放到了Sir_open函數(shù)中，這樣IrDA設(shè)備所占用的中斷號(hào)，在沒(méi)有使用IrDA設(shè)備時(shí)也可以被其它設(shè)備共享。

static int sir sopen（struct inode*inode，struet *filp）{

計(jì)數(shù)器加1；

申請(qǐng)?jiān)O(shè)備中斷號(hào)；

設(shè)置Sitsang板上的紅外設(shè)備并初始化；

}

sir_close（）函數(shù)所作的工作與sir_open（）的正好相反，計(jì)數(shù)器減1，注銷設(shè)備中斷號(hào)。

1.2.3 sir_ioctl函數(shù)

由于所使用的紅外收發(fā)器HSDL-3200只能以半雙工方式進(jìn)行紅外通信，所以就需要命令進(jìn)行接收和發(fā)送狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。ioctl函數(shù)的主要功能就是對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行控制，因此在sir—ioctl函數(shù)中實(shí)現(xiàn)了這一功能。

static int siLioctl（stmctiTlode*inode，structfile*mp，unsigned_int cmd，unsignedlogarg）{

swltell（cmd）{

case接收：

設(shè)置接收寄存器；

break：

case發(fā)送：

設(shè)置發(fā)送寄存器；

break；

default：

}

}

1.2.4 sir_read和sir_write函數(shù)

這兩個(gè)函數(shù)主要完成讀取應(yīng)用程序傳送給內(nèi)核設(shè)備文件的數(shù)據(jù)和回送應(yīng)用程序請(qǐng)求的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù)的通信過(guò)程。這也是在整個(gè)驅(qū)動(dòng)程序中最重要的部分。

當(dāng)用戶調(diào)用read（）函數(shù)時(shí)，內(nèi)核相應(yīng)地調(diào)用sir_read（）函數(shù)。在Sir_read（）中，通過(guò)判斷硬件寄存器是否有新數(shù)據(jù)到來(lái)而決定是否從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)，然后使用內(nèi)核提供的copy touser（void*to，const void*from，unsigned long count）函數(shù)將數(shù)據(jù)返回應(yīng)用程序。write（）函數(shù)的實(shí)現(xiàn)與read（）函數(shù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程正好相反。在sir_write（）中，通過(guò)調(diào)用copy_from user_form_user（void*to，const void*from，unsigned long count，）函數(shù)來(lái)完成把數(shù)據(jù)從用戶的應(yīng)用程序傳送給硬件設(shè)備。

1.2.5實(shí)現(xiàn)模式

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主體完成了，現(xiàn)在要把驅(qū)動(dòng)程序嵌入內(nèi)核。實(shí)現(xiàn)Llnux下IrDA設(shè)備驅(qū)動(dòng)功能主要有兩種形式：一是通過(guò)內(nèi)核來(lái)進(jìn)行加載，需要用戶在．／etc／rc.d／目錄中定義的初始啟動(dòng)腳本中寫入命令，當(dāng)內(nèi)核啟動(dòng)的時(shí)候，就開(kāi)始加載IrDA設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，內(nèi)核啟動(dòng)完成之后，IrDA驅(qū)動(dòng)功能也隨即實(shí)現(xiàn)了，但是增大了內(nèi)核；第二是通過(guò)模塊加載的形式。比較兩者，第二種形式更加靈活，在此著重對(duì)模塊加載形式進(jìn)行討論。模塊設(shè)計(jì)是Llnux中特有的技術(shù)，它使Linux內(nèi)核功能更容易擴(kuò)展。采用模塊來(lái)設(shè)計(jì)Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序會(huì)很輕松，并且能夠形成固定的模式。任何人只要依照這個(gè)模式去設(shè)計(jì)，都能設(shè)計(jì)出優(yōu)良的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

先簡(jiǎn)要概述一下基于模塊加載的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)步驟。首先每一個(gè)可裝配的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序都必須有init_module和cleanup module兩個(gè)函數(shù)，裝載和卸載設(shè)備時(shí)內(nèi)核自動(dòng)調(diào)用這兩個(gè)函數(shù)。前者在insmod的時(shí)候執(zhí)行，后者在rmmod的時(shí)候執(zhí)行。通過(guò)模塊加載命令insmod來(lái)把IrDA設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序插入到內(nèi)核之中。在init_module中，除可以對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行檢查和初始化外，還必須調(diào)用reglster_*’函數(shù)將設(shè)備登記到系統(tǒng)中。本例中是通過(guò)register_chrdev來(lái)登記的，如果是塊設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備則應(yīng)該用reglstei_blkdev和register_netdev來(lái)登記。registeT_chrdev的主要功能是將設(shè)備名和結(jié)構(gòu)flle operatioons登記到系統(tǒng)的設(shè)備控制塊中。最后可以通過(guò)執(zhí)行模塊卸載命令rmmod，調(diào)用IrDA驅(qū)動(dòng)程序中的cleanup_module（）函數(shù)，來(lái)對(duì)IrDA驅(qū)動(dòng)程序模塊卸載，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖1所示。

2 基于MC68HC908AP64紅外發(fā)射器的設(shè)計(jì)

2.1 紅外發(fā)射器的硬件設(shè)計(jì)

為了可以檢測(cè)Sitsang板端的IrDA設(shè)備能否正常工作，設(shè)計(jì)了一個(gè)IrDA發(fā)射器。發(fā)射器的體積為l3cm×10cm，安裝靈活方便。在發(fā)射器上有一個(gè)撥位開(kāi)關(guān)，可以用來(lái)設(shè)置發(fā)射不同的碼值。紅外收發(fā)器選用具有半雙工功能的HSDL-3200。

單片機(jī)的可靠性和片上資源是選擇的關(guān)鍵。如一片單片機(jī)的資源不足，還要另加其它芯片，就會(huì)給系統(tǒng)的可靠性、外型體積、造價(jià)帶來(lái)很多負(fù)面的影響。MC68HC908AP64單片機(jī)對(duì)程序安全運(yùn)行有較全面的保護(hù)。與其它的MCU相比，最重要的是它內(nèi)部集成有UART單元及其接口，支持IrDA標(biāo)準(zhǔn)，有紅外接口可以直接與紅外收發(fā)體系連接?？梢灾苯域?qū)動(dòng)HSDL_3200，片上的其它資源包含了發(fā)射器的全部需要，并且廉價(jià)低功耗。所以選用其作為發(fā)射器的主控芯片電路如圖2所示。

2.2 紅外發(fā)射器的軟件實(shí)現(xiàn)流程

發(fā)射器的軟件編程對(duì)產(chǎn)品的可靠性有很大影響。由于IrDA是異步半雙工的通信方式，在某一個(gè)時(shí)刻，IrDA收發(fā)器只可能呈現(xiàn)一種狀態(tài)。鑒于這種情況，設(shè)置IrDA收發(fā)器始終處于發(fā)射狀態(tài)，而SitSang板上的IrDA收發(fā)器始終處于接收狀態(tài)，這樣就不用切換收發(fā)狀態(tài)，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。發(fā)射器和接收器之間的通信需要制定一套合理的通信協(xié)議來(lái)協(xié)調(diào)總通信。這里采用的是數(shù)據(jù)包通信方式。通信波特率為9600bps，通信數(shù)據(jù)是成幀發(fā)送的，每幀數(shù)據(jù)都可以設(shè)置自己的引導(dǎo)碼和數(shù)據(jù)。其中引導(dǎo)碼是用于同步每一幀數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)是IrDA發(fā)射器撥位開(kāi)關(guān)的值，可以自己隨意設(shè)定。當(dāng)紅外發(fā)射器和Sitsang板調(diào)通以后，也可以通過(guò)sir_ioctl函數(shù)來(lái)切換收發(fā)狀態(tài)，達(dá)到雙方通信的目的。發(fā)射器的軟件流程如圖3所示。

結(jié)語(yǔ)

本文分析了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在內(nèi)核中的實(shí)現(xiàn)方法，并講解了基于Intel的PXA255處理器的Sitsang平臺(tái)開(kāi)發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。其中結(jié)合Linux下一個(gè)現(xiàn)在使用廣泛的IrDA驅(qū)動(dòng)程序，詳細(xì)闡述了紅外模塊驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程，最后從硬件和軟件兩個(gè)方面講述了基于MC68HC908AP64紅外發(fā)射器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。雖然嵌入式Linux操作系統(tǒng)和傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)相比還不夠成熟完善，但是Linux本身所具有的優(yōu)越性使其在移動(dòng)設(shè)備的OS領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

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