基于uClinux和S3C4510B微處理器實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)中央控制器的設(shè)計(jì)

作者：黃布毅;童志文;陳曉雷

隨著信息社會(huì)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)和信息家電越來(lái)越地出現(xiàn)在人們的生活中。人們普通要求將家庭內(nèi)的所有家用電器與Internet連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)主人在遠(yuǎn)方用計(jì)算機(jī)或電話通過(guò)Internet對(duì)象家庭電設(shè)施進(jìn)行監(jiān)控。家用電器制造商可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)其生產(chǎn)的設(shè)備進(jìn)行售后跟蹤服務(wù)；家用電器是故障時(shí)能自動(dòng)按預(yù)設(shè)的郵件地址來(lái)發(fā)送電子郵件進(jìn)行報(bào)警。這就需要有一個(gè)“家庭網(wǎng)絡(luò)中央控制器”。它對(duì)外與Internet連接，對(duì)內(nèi)通過(guò)家庭內(nèi)部無(wú)線局域網(wǎng)將所有家用電器連接成一體，從而確保信息家電安全地接入Internet。當(dāng)前，多數(shù)研究單位推出的家庭網(wǎng)絡(luò)智能控制器，均以PC或準(zhǔn)PC機(jī)作為硬件平臺(tái)，由于價(jià)位高而均未被市場(chǎng)容納。

嵌入式Internet是近幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新興技術(shù)。以32位ARM嵌入式微處理器為硬件平臺(tái)，通過(guò)移植嵌入式操作系統(tǒng)uClinux內(nèi)核，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的硬件驅(qū)動(dòng)、微型GUI和上層應(yīng)用軟件，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化的嵌入式家庭網(wǎng)絡(luò)中央控制器。該系統(tǒng)具有體積小、功耗低、價(jià)格便宜的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)的硬件組成

本系統(tǒng)以高性能、低價(jià)格的S3C4510B為主CPU。它是Samsung公司推出的基于ARM7TDMI核，精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)的32位高速微處理器。工作電壓為3.3V，內(nèi)核ARM7TDMI的工作電壓為2.5V，大大降低了芯片的功耗。S3C4510B片上資源：一個(gè)總線仲裁器可以根據(jù)總線仲裁優(yōu)先級(jí)在片上功能模塊和外圍設(shè)備之間進(jìn)行系統(tǒng)總線控制權(quán)分配；8KB指令、數(shù)據(jù)復(fù)用Cache，每128bit為1頁(yè)，并可全部或部分設(shè)置為SRAM；1個(gè)主I2C總線控制器，可作為主發(fā)送器或主接收器，能連接多個(gè)從設(shè)備；2個(gè)通用DMA；18個(gè)通用I/O口； 2路4線UART口，其中一個(gè)支持IrDA 1.0，可用于紅外通信；6組ROM/SRAM/Flash用于管理外部存儲(chǔ)器。另外，可擴(kuò)展4組動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器和4 BANK擴(kuò)展I/O設(shè)備；2通道帶有DMA傳送方式的HDLC口；1個(gè)10M/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)控制器。

圖1為家庭網(wǎng)關(guān)的硬件框圖，以S3C4510B為基本核心系統(tǒng)，外圍擴(kuò)展一系列功能模塊。有4×4鍵盤(pán)及以屏幕LCD顯示構(gòu)成良好的人機(jī)界面，用于手動(dòng)本地參數(shù)查詢和設(shè)定。家庭網(wǎng)關(guān)基本系統(tǒng)以SPI接口與PTR3000無(wú)線收發(fā)模塊相連，同時(shí)家庭內(nèi)部家電控制器也通過(guò)SPI接口擴(kuò)展PTR3000無(wú)線模塊。這樣，家庭網(wǎng)關(guān)的無(wú)線模塊以輪詢的方式與家庭內(nèi)各家電控制器上無(wú)線模塊進(jìn)行通信，從而組成家庭內(nèi)部無(wú)線子網(wǎng)。家庭網(wǎng)關(guān)基本系統(tǒng)只需對(duì)SPI口進(jìn)行操作即可實(shí)現(xiàn)與家電通信。實(shí)現(xiàn)了家電以家庭網(wǎng)關(guān)為中介與Internet在物理層互聯(lián)的三個(gè)通路：PC通過(guò)LAN經(jīng)由Internet連接到基本系統(tǒng)的以太網(wǎng)口、PC通過(guò)Modem經(jīng)由公司電話網(wǎng)與嵌入式Modem相連再到UART1、電話機(jī)經(jīng)過(guò)公用電話網(wǎng)經(jīng)語(yǔ)音卡連到UART1。

2 uClinux嵌入式操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)選用uClinux。它是一個(gè)完全符合GNU（GNU’s Not Unix，自由軟件基金會(huì)）/GPL（General Pulic License，通用公共許可證）公約的完全開(kāi)放代碼項(xiàng)目，是標(biāo)準(zhǔn)Linux的一個(gè)分支，現(xiàn)在由Lineo公司支持維護(hù)。它專門(mén)針對(duì)沒(méi)有MMU的CPU，并且專為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作。

UClinux經(jīng)過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核的改動(dòng)，形成了一個(gè)高度優(yōu)化的、代碼緊湊的嵌入式Linux。雖然它的體積很小，但uClinux仍然保留了Linux的大多數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、完備的對(duì)各種文件系統(tǒng)的支持以及標(biāo)準(zhǔn)豐富的API。它的主要特片如下：

①在linux-2.4.x/driver/char/Makefile添加1行：obj_$（CONFIG_SPI）+=SPI.0。在24行obj-y+=mem.o tty_io.o后加PI.o。

②在linux-2.4.x/driver/char/Config.in，添加1行：bool‘SPI’CONFIG_SPI便于在make me nuconfig時(shí)選擇。

③在linux-2.4.x/driver/char/mem.c在文件頭部添加：#ifdef CONFIG_SPI /*編譯時(shí)選擇該項(xiàng)就執(zhí)行SPI的初始化函數(shù)*/

extern void SPI_init（void）;

#endif

在chr_dev_init（）函數(shù)添加：#ifdef CONFIT_SPI

SPI_init（）;

#endif

④修改vendor/Samsung/4510b/Makefile，建立起設(shè)備節(jié)點(diǎn)。

在12～35行間，DEVICE部分添加內(nèi)容SPI，c，29，0。SPI是設(shè)備名，c代表字符設(shè)備，29是SPI的主設(shè)備號(hào)，0是SPI的次設(shè)備號(hào)。⑤make menuconfig時(shí)選中SPI編譯，然后直載。

啟動(dòng)后，會(huì)看到/proc/devinces中字符設(shè)備多了一項(xiàng)SPI 29。

S3C4510B有18個(gè)通用I/O口，其中高10位可設(shè)置為其它功能口。在該系統(tǒng)中，設(shè)置P8為中斷接收線，P11模擬主機(jī)輸出線MOSI，P12模擬主機(jī)時(shí)鐘SCK，P13模擬主機(jī)輸入線MISO。P8口用于接收PTR3000的發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)。當(dāng)P8口接收到請(qǐng)求信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入中斷處理。中斷處理進(jìn)程喚醒睡在睡眠隊(duì)列SPI_WAIT上的讀進(jìn)程，讀進(jìn)程由P12口輸出SCK信號(hào)并由P13口讀入數(shù)據(jù)。值得說(shuō)明的是，SPI不帶中斷線，在此用P8口做中斷接收線是為了避免操作系統(tǒng)在沒(méi)有進(jìn)行SPI操作時(shí)不斷向SCK線發(fā)時(shí)鐘信號(hào)。因此，MSP430F147IPM必須另外與S3C4510B連一個(gè)引腳在請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)出中斷接收線是為了避免操作系統(tǒng)在沒(méi)有進(jìn)行SPI操作時(shí)不斷向SCK線發(fā)時(shí)鐘信號(hào)。因此，MSP430F147IPM必須另外與S3C4510B連一個(gè)引腳在請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)。實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

Static wait_queue_head_wait; //休眠隊(duì)列

//讀函數(shù)

static ssize_t SPI_onlyread（struct file*file，char *buf，size_t count，loff_t *ppos）

{

interruptible_sleep_on（&SPI_wait）; //讀進(jìn)程睡眠等待讀中斷信號(hào)

if（count＞BUFNUM）count=BUFNUM;

for（num=0;num

for（i=0;i＜8;i++）{

iopdata=iopdata^0x1000; //時(shí)鐘輸出

SPI_read［num］=SPI_read［num］+（（iopdata&0x2000）＞＞（12-i））; //數(shù)據(jù)輸入

}

}

if（copy_to_user（buf，&SPI_read，count）） //數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間拷貝到用戶這間

return-EFAULT;

return count;

}

//寫(xiě)函數(shù)

static ssize_t SPI_onlywrite（struct file *file，const char *buf，size_t count，loff_t *ppos）

{

if（count＞BUFNUM）count=BUFNUM;

if（copy_from_user（&SPI_write，buf，count）） //數(shù)據(jù)從用戶空間拷貝到內(nèi)核空間

return-EFAULT;

for（num=0;num

for（i=0;i＜8;i++）{

iopdata=（（SPI_write［num］&0x1）＜＜11）+（iopdata&0xfffff7ff）;

SPI_write［num］=SPI_write［num］＞＞1;

iopdata=iopdata^0x1000; //時(shí)鐘輸出

}

}

return count;

}

//中斷響應(yīng)函數(shù)

static int SPI_irq（int irq，void *dev_id，struct pt_regs *regs）

{

intpnd=intpnd|0X1; //清中斷位

wake_up_interruptible（&SPI_wait）; //喚醒睡眠隊(duì)列

return 1;

}

//字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口

static struct file_operations SPI_fops={

owner; THIS_MODULE，

read： SPI_onlyread，

write： SPI_onlywrite，

};

//初始化函數(shù)

int_init SPI_init（void）

register_chrdev（29，“SPI”&SPI_fops）;//設(shè)備注冊(cè)函數(shù)

init_waitqueue_head（&SPI_wait）;

if（！request_irq（0，SPI_irq，SA_SAMPLE_RANDOM，“SPI”NULL））{ //中斷申請(qǐng)

return-EFAULT;

}

iopmod=（iopmod&0xffffe7ff）=0x1800+iopmod; //設(shè)置通用I/O口模式

iopcon=（iopcon&0xffffffe0）+0xle+iopcon;//設(shè)置通用I/O模式

enable_irq（0）; //開(kāi)中斷

return 0;

}

module_init（SPI_init）;

MODULE_LICENSE（“GPL）;

EXPORT_NO_SYMBOLS;

結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)證明，模擬的SPI口接收發(fā)送數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。用戶程序可以以設(shè)備文件的形式進(jìn)行訪問(wèn)，與標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口無(wú)異。該方案對(duì)于嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)的研究，以及運(yùn)用uClinux作為操作系統(tǒng)的嵌入式模擬通信接口，有一定的參考價(jià)值。

責(zé)任編輯：gt