Linux系統(tǒng)下對(duì)硬件寄存器調(diào)試的應(yīng)用設(shè)計(jì)研究

0 引言

嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于生活中的各行各業(yè)，嵌入式軟硬件復(fù)雜度也在不斷增加，嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與維護(hù)變得越來(lái)越復(fù)雜，然而嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與維護(hù)工具發(fā)展相對(duì)很滯后。為了提高嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與維護(hù)的效率，發(fā)展嵌入式開(kāi)發(fā)與維護(hù)工具是非常重要的。通過(guò)基于 Qt 平臺(tái)開(kāi)發(fā)各種開(kāi)發(fā)維護(hù)工具，實(shí)現(xiàn)嵌入式開(kāi)發(fā)與維護(hù)的平臺(tái)化，是當(dāng)前嵌入式開(kāi)發(fā)和維護(hù)的趨勢(shì)[1-2]。當(dāng)一款新的設(shè)備出廠之后，后期維護(hù)成了人們?cè)絹?lái)越關(guān)注的問(wèn)題，為了延長(zhǎng)設(shè)備使用周期，節(jié)約生產(chǎn)成本，使設(shè)備創(chuàng)造更大的價(jià)值，設(shè)備的操作與維護(hù)越來(lái)越受到人們的重視。

每當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題之后，就會(huì)調(diào)試底層驅(qū)動(dòng)，這時(shí)可能需要調(diào)整寄存器的設(shè)置。面對(duì)這個(gè)問(wèn)題，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)與維護(hù)人員的通常做法是直接在程序里面修改硬件寄存器的數(shù)據(jù)，然后重新編譯程序，下載到設(shè)備，以此來(lái)檢驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行情況[3-4]。但是這種方法比較麻煩，效率低下，不利于維護(hù)。為了提高開(kāi)發(fā)人員開(kāi)發(fā)和維護(hù)設(shè)備的效率，需要設(shè)計(jì)一個(gè)可視化工具，從而可以直接方便地對(duì)硬件內(nèi)部寄存器進(jìn)行修改與調(diào)試。這個(gè)工具擁有圖形化界面，可以直接讀寫下位機(jī)硬件寄存器的數(shù)值，首先輸入硬件寄存器要傳入的物理地址(這個(gè)物理地址可以通過(guò)芯片手冊(cè)確定，在驅(qū)動(dòng)程序里面要通過(guò)映射為虛擬地址才能使用)，然后根據(jù)要求來(lái)讀寫下位機(jī)任意硬件寄存器的數(shù)值。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

該系統(tǒng)采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為開(kāi)發(fā)的核心，包括三部分，分別為客戶端圖形化界面、服務(wù)器端和硬件設(shè)備?？蛻舳擞脕?lái)與用戶進(jìn)行交互，如輸入下位機(jī)硬件寄存器地址和數(shù)據(jù)，服務(wù)器端用來(lái)接收上位機(jī)客戶端用戶傳來(lái)的數(shù)據(jù)或者向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，底層驅(qū)動(dòng)用來(lái)操作硬件設(shè)備內(nèi)部寄存器的數(shù)值。本系統(tǒng)采用Linux 網(wǎng)絡(luò)通信的方式連接上位機(jī)和下位機(jī)，使交互更加方便和高效。整個(gè)系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1系統(tǒng)框架

2 Linux 網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)

該網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)包括服務(wù)器端和客戶端兩個(gè)部分。服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，以及通過(guò)TCP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸；客戶端主要是接收服務(wù)器傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行圖形化顯示。服務(wù)器端和客戶端使用 TCP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信的具體流程圖如圖2所示。

圖2TCP網(wǎng)絡(luò)通信流程圖

客戶端和服務(wù)器端的交互過(guò)程如下：服務(wù)器端先初始化socket，分配文件描述符；然后調(diào)用bind() 將套接字與本地IP地址和端口綁定；接著調(diào)用listen()對(duì)端口進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，并設(shè)置監(jiān)聽(tīng)隊(duì)列的大??；繼續(xù)調(diào)用accept()阻塞，等待客戶端連接[5]。如果有客戶端初始化一個(gè)socket()后調(diào)用connect()向服務(wù)器端發(fā)送連接請(qǐng)求，若經(jīng)過(guò)三次握手，則連接成功，這時(shí)客戶端與服務(wù)器端的連接就建立了?？蛻舳税l(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，服務(wù)器端接收請(qǐng)求并處理請(qǐng)求，然后把回應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端，客戶端讀取數(shù)據(jù)，最后調(diào)用close() 關(guān)閉連接，一次交互結(jié)束。

2.1服務(wù)器端設(shè)計(jì)

服務(wù)器端通過(guò)三次握手與客戶端建立連接之后，將驅(qū)動(dòng)端映射到內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)讀取出來(lái)并且發(fā)送到客戶端，或者將客戶端要發(fā)送的數(shù)據(jù)接收到服務(wù)器端并發(fā)送給驅(qū)動(dòng)端。

下位機(jī)服務(wù)器端的部分程序如下：

while(1){

//服務(wù)器阻塞，直到獲得連接請(qǐng)求并建立連接

int socklis=accept(sock,(struct sockaddr *)&.clientAddr,

&.len);

if(socklis<0){

perror("accept")

exit(1);

}

While(1){// 清空數(shù)組

memset(buff,0,1024);

//從客戶端接收數(shù)據(jù)

n=recv(socklis,buff,1024,0);

if(n<0){

perror("recv");

return—1

}

msgtype=*(unsigned int *)buff;

switch(msgtype){

case REGISTER_CTRL:{

structregister_ctrlregmsg;

structregister_info reg;

//內(nèi)存拷貝

memcpy(&.regmsg,buff,sizeof(regmsg));

reg.addr=regmsg.addr;

reg.data=regmsg.data;

if(regmsg.cmd==1){

ioctl(fd_reg,REG_READ,);

printf("read reg:addr=%#x,data=%#x ",reg.

addr,reg.data);

//發(fā)送數(shù)據(jù)到客戶端

send(socklis,&.reg,sizeof(reg),0);

}else if(regmsg.cmd==0){

printf("write reg:addr=%#x,data =%#x ",reg.addr,

reg.data);

ioctl(fd_reg,REG_WRITE,&.reg);

}

break;

}

}

}

}

2.2客戶端設(shè)計(jì)

為了滿足人性化要求，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)Qt客戶端圖形化界面，從而方便用戶操作和讀寫數(shù)據(jù)。Qt是一個(gè)跨平臺(tái)的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架，由挪威Troll- Tech公司出品，目前包括 QtCreator、Qt Embedded、Qt Designer等快速開(kāi)發(fā)工具[6]。其中 Qt Creator是一個(gè)全新的、完整的、輕量級(jí)的圖形開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它可以按照設(shè)計(jì)人員的意愿建立圖形用戶界面，隨時(shí)進(jìn)行顯示和修改，具有良好的適應(yīng)性，保證了不同平臺(tái)之間設(shè)計(jì)的兼容性[7]。

在客戶端圖形化界面中，首先設(shè)計(jì)一個(gè)“寄存器地址”輸入框，用來(lái)輸入用戶需要操作的下位機(jī)寄存器物理地址；然后設(shè)計(jì)一個(gè)“寄存器數(shù)據(jù)”輸入框，用來(lái)顯示從下位機(jī)讀取的存儲(chǔ)在該寄存器里面的數(shù)據(jù)，或者向下位機(jī)發(fā)送用戶需要寫入到該寄存器中的數(shù)據(jù)；接著在旁邊設(shè)計(jì)一個(gè)“讀”數(shù)據(jù)復(fù)選框和一個(gè)“寫”數(shù)據(jù)復(fù)選框，用來(lái)發(fā)送“讀”或者“寫”命令；最后在界面下端設(shè)計(jì)一個(gè)“確定”按鈕，來(lái)確認(rèn)需要執(zhí)行的操作。Qt圖形化界面如圖3所示。該界面清晰明確、步驟簡(jiǎn)單、操作方便、簡(jiǎn)潔高效，大大縮短了用戶查看和編輯下位機(jī)設(shè)備硬件寄存器中數(shù)據(jù)的時(shí)間，提高了用戶調(diào)試和維護(hù)設(shè)備的效率。

圖3Qt圖形化界面

在Qt中通過(guò)使用Linux系統(tǒng)調(diào)用中的 TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器端的連接，并進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取、發(fā)送以及顯示，按下“確定”按鈕，建立網(wǎng)絡(luò)通信，開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取、發(fā)送和顯示。

上位機(jī)客戶端部分應(yīng)用程序如下：

void MainWindow::on_send_clicked(){

struetregister_ctrlreg;

structregister_inforeg_rsp;

reg.msgtype=REGISTERCTRL;

reg.addr=ui->addr->text().toUInt(NULL,16);

reg.data=ui->data->text().toUInt(NULL,16);

if(ui->read->isChecked()){

reg.cmd=1;

qDebug("read");

}

if(ui->write->isChecked()){

reg.cmd=0;

qDebug("write");

}

//發(fā)送數(shù)據(jù)到服務(wù)器端

send(m_fd_client,&.reg,sizeof(reg),0);

if(reg.cmd ==1){

//從服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)

recv(m_fd_client,&.reg_rsp,sizeof(reg_rsp),0);

ui->data->setText(QString::number(reg_rsp.data,

16)):

}

}

3 底層驅(qū)動(dòng)端設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，外設(shè)的I/O內(nèi)存資源的物理地址是已知的，由硬件設(shè)計(jì)決定，但是 CPU 通常并沒(méi)有為這些已知的外設(shè)I/O內(nèi)存資源物理地址預(yù)定義虛擬地址范圍，驅(qū)動(dòng)程序并不能直接通過(guò)物理地址訪問(wèn)I/O內(nèi)存資源，而必須將它們映射到核心虛地址空間內(nèi)(通過(guò)頁(yè)表)，然后根據(jù)映射所得到的核心虛擬地址范圍通過(guò)訪內(nèi)指令訪問(wèn)這些I/O內(nèi)存資源[8]。

嵌入式處理器訪問(wèn)外設(shè)都是以地址指針的形式訪問(wèn)，也就是說(shuō)要想訪問(wèn)外設(shè)，必須知道這個(gè)外設(shè)的物理地址。在Linux系統(tǒng)中，不管是在用戶空間還是內(nèi)核空間，一律不允許直接訪問(wèn)外設(shè)的物理地址，要想訪問(wèn)需要提前將物理地址映射到內(nèi)核虛擬地址或者用戶虛擬地址上，將來(lái)程序訪問(wèn)用戶虛擬地址或者內(nèi)核虛擬地址就是在訪問(wèn)物理地址[9]。將Linux系統(tǒng)4G虛擬地址空間劃分如下，用戶虛擬地址為0x00000000～0xBFFF FFFF(0G～3G),內(nèi)核虛擬地址為0xC0000000～0xFFFF FFFF(3G～4G)[10]。一個(gè)物理地址可以有多個(gè)虛擬地址，一個(gè)虛擬地址不能對(duì)應(yīng)多個(gè)物理地址。如果要將物理地址映射到內(nèi)核虛擬地址上，可以使用ioremap()函數(shù)；若要解除地址映射，可以使用iounmap() 函數(shù)。Linux地址映射機(jī)制如圖4所示。

圖4Linux 地址映射機(jī)制

驅(qū)動(dòng)端部分程序如下：

staticlongreg_ioctl(structfile*file,unsignedintemd,unsigneclongarg){

//定義內(nèi)核緩沖區(qū)

structreg_infokreg;

unsignedlong*gpiobase;

//拷貝用戶緩沖區(qū)到內(nèi)核

copy_to_user((structreg_info *)arg,&kreg,sizeof

(kreg));

//將外設(shè)的物理地址映射到內(nèi)核虛擬地址上

gpiobase=ioremap(kreg.addr,4);

//解析命令，操作硬件

switch(cmd){

case REG_READ:

kreg.data=*gpiobase;

copy_to_user((structreg_info *)arg,&kreg,sizeof

(kreg));

break;

case REG_WRITE:

*gpiobase=kreg.data;

break;

}

//解除地址映射

iounmap(gpiobase);

return0;

}

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本系統(tǒng)使用基于Cortex-A53架構(gòu)處理器的S5P6818開(kāi)發(fā)板上面的點(diǎn)陣LED燈來(lái)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。首先在下位機(jī)運(yùn)行Linux系統(tǒng)，點(diǎn)亮第一個(gè)LED燈，將第二個(gè)和第三個(gè)LED燈關(guān)閉。然后查看芯片手冊(cè)，將物理地址為0xC001C000的32位寄存器的bit[12]、設(shè)為低電平，bit[11]和bit[7]設(shè)為高電平。對(duì)此，向該寄存器寫入數(shù)據(jù)0x880,并選中右邊的“寫”復(fù)選框，點(diǎn)擊“確認(rèn)”按鈕(如圖5所示)后，發(fā)現(xiàn)開(kāi)發(fā)板第一個(gè)LED燈被點(diǎn)亮，驗(yàn)證成立，如圖6所示。接著選中右邊的“讀”復(fù)選框，再次點(diǎn)擊“確認(rèn)”按鈕，發(fā)現(xiàn)寄存器數(shù)據(jù)顯示為0x880(如圖7所示),因?yàn)樽x取的正是剛才寫入到該寄存器的數(shù)值。

圖5向寄存器寫數(shù)據(jù)

圖6點(diǎn)陣LED被點(diǎn)亮

圖7 從寄存器讀數(shù)據(jù)

結(jié)語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的寄存器讀寫器工具，只需知道設(shè)備的硬件寄存器物理地址就能快速準(zhǔn)確地讀寫任意硬件寄存器的數(shù)值，操作簡(jiǎn)單方便，快速高效，為設(shè)備操作與維護(hù)提供了一種有效的解決方案。特別是當(dāng)系統(tǒng)邏輯比較復(fù)雜時(shí)，圖形化界面的調(diào)試工具可以大大節(jié)省用戶發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)間，能夠讓用戶方便快速地處理設(shè)備中出現(xiàn)的各種問(wèn)題，從而更好地維護(hù)產(chǎn)品和設(shè)備。

審核編輯：劉清