嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)介 - 頻譜儀多種內(nèi)核通信機(jī)制的方案設(shè)計(jì)

　　一套完整設(shè)備的軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)可分為：應(yīng)用程序、庫(kù)、操作系統(tǒng)(內(nèi)核)、驅(qū)動(dòng)程序。Linux軟件系統(tǒng)的層次關(guān)系如圖4所示。驅(qū)動(dòng)程序的作用存于連接軟、硬件，即內(nèi)核通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序來(lái)完成對(duì)硬件設(shè)備的操作。在Linux系統(tǒng)中，應(yīng)用程序運(yùn)行于“用戶空間”，并不能直接操作硬件，這可以避免應(yīng)用程序的錯(cuò)誤使得整個(gè)系統(tǒng)崩潰。而驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行于“內(nèi)核空間”，它是系統(tǒng)信任的一部分。所以應(yīng)用程序要對(duì)硬件操作，就要首先使用庫(kù)提供的系統(tǒng)調(diào)用來(lái)進(jìn)入內(nèi)核。內(nèi)核匹配后，調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)，從而完成對(duì)硬件的操作。

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　　Linux操作系統(tǒng)將所有的設(shè)備(而不僅是存儲(chǔ)器里的文件)都看成文件，以操作文件的方式訪問(wèn)設(shè)備。應(yīng)用程序不能直接操作硬件，而是使用統(tǒng)一的接口函數(shù)調(diào)用硬件驅(qū)動(dòng)程序。在設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)程序中，首先要根據(jù)驅(qū)動(dòng)程序的功能完成file_operations結(jié)構(gòu)中的函數(shù)實(shí)現(xiàn)，不需要的函數(shù)接口可以直接在file_operations結(jié)構(gòu)中初始化為NULL。而file_operations結(jié)構(gòu)變量會(huì)在驅(qū)動(dòng)程序初始化時(shí)注冊(cè)到系統(tǒng)內(nèi)部。當(dāng)操作系統(tǒng)對(duì)設(shè)備操作時(shí)，就會(huì)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序注冊(cè)的file_operations結(jié)構(gòu)中相應(yīng)的函數(shù)指針。

　　對(duì)于Linux驅(qū)動(dòng)的注冊(cè)有兩種方式：一種是直接編譯到內(nèi)核中，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)即對(duì)設(shè)備進(jìn)行注冊(cè);另一種是以模塊的方式注冊(cè)設(shè)備，需要在系統(tǒng)啟動(dòng)后用命令對(duì)設(shè)備進(jìn)行注冊(cè)。后一種方式在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)期使用比較方便，不用在每次修改驅(qū)動(dòng)程序后和內(nèi)核一起進(jìn)行編譯，只需要將模塊編譯成后綴為，ko的模塊文件，就可下載到開(kāi)發(fā)板中直接使用。在本課題中，使用的是模塊注冊(cè)的方式，在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)期間可大大縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。

　　4 Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

　　對(duì)于編寫(xiě)一個(gè)Linux設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，大致的流程如下：

　?、俨榭丛韴D、數(shù)據(jù)手冊(cè)，了解設(shè)備的操作方法。

　?、趯?shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序的初始化，比如向內(nèi)核注冊(cè)這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序，這樣應(yīng)用程序傳入文件名時(shí)，內(nèi)核才能找到相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。

　?、墼O(shè)計(jì)所要實(shí)現(xiàn)的操作，比如open、close、read、write等函數(shù)。

　　④實(shí)現(xiàn)中斷服務(wù)(不是必須的)。

　?、菥幾g該驅(qū)動(dòng)程序到內(nèi)核中，或者用insmod命令加載。

　?、逌y(cè)試驅(qū)動(dòng)程序。

　　4.1 HPI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)

　　4.1.1 物理地址到虛擬地址的映射

　　寫(xiě)Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)的第一步，是完善頭文件中的宏定義，除了各種參數(shù)的定義外，主要是實(shí)現(xiàn)硬件寄存器的物理地址到虛擬地址的映射。對(duì)于硬件寄存器的操作，其實(shí)就是對(duì)其物理地址進(jìn)行讀寫(xiě)操作。而Linux系統(tǒng)提供了一種內(nèi)存管理機(jī)制，在這種機(jī)制下，程序可以使用比真實(shí)物理地址大得多的地址空間，稱為虛擬地址。Linux系統(tǒng)中程序的操作部是使用虛擬地址，所以要完成物理地址到虛擬地址的映射。本課題采用ioremap函數(shù)的方法，如下：

　　#define AT91C_SMC_CSR2*(volatile unsigned long*)ioremap(0xFFFFFF78.4)

　　對(duì)于ioremap函數(shù)，就是將物理地址0xFFFFFF78開(kāi)始的4字節(jié)的地址映射到虛擬地址空間中，返回值即4字節(jié)虛擬地址的首地址，賦給宏定義的變量名AT91C_SMC_CSR2。對(duì)宏定義的操作即對(duì)物理地址的操作。

　　4.1.2 HPI驅(qū)動(dòng)的初始化

　　首先是對(duì)HPI硬件的初始化以及中斷初始化。對(duì)于HPI，主要是重置DSP，已完成時(shí)序的同步。設(shè)置SMC(靜態(tài)存儲(chǔ)控制器)，因?yàn)锳RM跟DSP的HPI通信是使用PIO線復(fù)用。最后向DSP發(fā)送握手信號(hào)，表示初始化完成。對(duì)于中斷的初始化，使用：

　　request_irq(AT91C_ID_IRQ0，handler，SA_INTERRUPT，”irqO”，NULL);

　　此函數(shù)向內(nèi)核注冊(cè)中斷，包括中斷號(hào)和中斷處理函數(shù)handler。

　　對(duì)于HPI設(shè)備的注冊(cè)，為HPI設(shè)備分配系統(tǒng)未使用的254作為主設(shè)備號(hào)，0為次設(shè)備號(hào)。通過(guò)register_chrdev_region函數(shù)向內(nèi)核注冊(cè)。函數(shù)cdev_init是初始化設(shè)備，其實(shí)就是建立設(shè)備與file_operations結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。最后將設(shè)備加入內(nèi)核。代碼如下：

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　　上述的代碼都是在驅(qū)動(dòng)模塊的hpi_init函數(shù)中實(shí)現(xiàn)。在HPI驅(qū)動(dòng)被加載到內(nèi)核時(shí)就完成了一系列初始化。

　　4.1.3 file_operations結(jié)構(gòu)中函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

　　設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)的大部分工作就是實(shí)現(xiàn)file_operations結(jié)構(gòu)中的函數(shù)。代碼如下：

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　　其中，“.owner=THIS_MODULE”表示結(jié)構(gòu)屬于本模塊，然后是open、read等各函數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于初始化在hpi_init函數(shù)中實(shí)現(xiàn)，所以open函數(shù)并沒(méi)有特別的操作，主要是在終端輸出信息。函數(shù)release主要是申請(qǐng)中斷資源的釋放，使用free_irq函數(shù)。下面主要講解read函數(shù)，write函數(shù)與之類似，不再詳述。

　　ssize_t hpi_read(struct file*file，char*buf，size_t count，loff_t*offp)

　　其中，參數(shù)file是打開(kāi)文件的標(biāo)識(shí)符;參數(shù)buf和count就是要向buf指向的地址存放count字節(jié)的數(shù)據(jù);參數(shù)offp是文件讀取的位置，默認(rèn)為文件頭，不用設(shè)置。

　　在read函數(shù)的最開(kāi)始有如下代碼：

　　wait_event interruptible(hpi_wait，ev_start);

　　down(&sem);

　　……

　　up(&sem);

　　其中wait_event_interruptible函數(shù)會(huì)阻塞進(jìn)程，使其進(jìn)入等待隊(duì)列。直到DSP的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，發(fā)來(lái)中斷。HPI設(shè)備注冊(cè)的中斷處理函數(shù)handler會(huì)將變量ev_start置1，同時(shí)喚醒hpi_wait等待隊(duì)列。read函數(shù)繼續(xù)執(zhí)行之后的代碼，即開(kāi)始從DSP的HPID寄存器讀取數(shù)據(jù)到參數(shù)buf指向的地址。讀取完成后向DSP指定地址寫(xiě)入0xffffffff，表示讀取完成。函數(shù)down與up是操作二進(jìn)制信號(hào)量，使瀆取數(shù)據(jù)的過(guò)程為“原子”操作，避免執(zhí)行過(guò)程中被打斷，從而影響讀取結(jié)果。read函數(shù)的流程如圖5所示。

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