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嵌入式Linux字符设备驱动的设计与应用

作者:时间:2012-02-20来源:网络收藏

摘要:描述了基于程序的方法和实现过程。以电机、数码管、串口和mini键盘的驱动为例,详细阐述了linux下中的关键技术,包括设备的设备号、设备的操作及设备的注册和卸载等。通过编写相应硬件设备的程序,测试的正确性。介绍了Troolltech公司开发的开源图形用户界面库-Qt,并使用Qt编程方法设计出良好的人机交互界面。试验结果表明设计的驱动程序完全正确,可以被程序使用。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/149619.htm

1引言

随着系统的发展,嵌入式 以其稳定性和开放源代码的优点在嵌入式系统的开发中得到广泛。越来越多的软硬件厂商使用嵌入式 来开发自己的产品,对基于嵌入式 Linux平台开发设备的驱动程序和应用程序的需求在成倍增长。本文通过实现对 PXA255开发板外围设备(电机、数码管、串口和 mini键盘)的操作和控制,详细讨论了嵌入式 linux字符设备驱动的设计与应用。

2系统的设计框架

系统的设计分为字符设备驱动程序和人机交互界面两部分。驱动程序为应用程序提供了操作设备的接口;人机交互界面的设计实现设备应用程序并完成人机交互的功能。整个系统软硬件的关系如图 1:字符设备被映射到 Linux文件系统的文件和目录,通过文件系统的系统调用接口 open(),write(),read(),close()等函数访问字符设备,实现设备的操作。

图 1 系统软硬件的关系

3系统字符设备驱动程序的设计方法

Linux驱动程序是设备与具体的应用程序的中间层,它提供操作设备的接口,应用程序员不需要知道具体设备工作细节,只要调用一组标准化的函数就能完成对设备的操作,这些标准化的函数与具体的驱动没有关系,而将这些函数映射到作用于具体设备上的操作则与驱动程序相关[1]。Linux设备分为字符设备,块设备和网络设备,字符设备是能够像字节流一样被访问的设备。以下通过描述字符设备(电动机、数码管、串口、mini键盘)驱动的实现方法,深入讨论了基于嵌入式 linux的字符设备驱动的设计方法和实现过程。

3.1初始化函数与清除函数

Linux系统中,设备驱动的初始化函数负责注册设备,并完成驱动程序必要的初始化以及申请中断等[2],Linux系统使用 module_init宏指定初始化函数。在初始化函数中调用 regiSTer_chrdev函数向系统注册字符设备,通过 request_IRq 函数申请中断。例如电机设备的初始化函数如下:

  static int __init moto_init(void){

  int ret;

  ret = register_chrdev(MOTO_MAJOR, moto, moto_fops);//注册电机设备

  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函数的第一个参数为主设备号,如果为0 则系统为此驱动程序动态地分配一个主设备号;第二个参数是设备名称,这里是以moto为设备名称;第三个参数moto_fops是默认的struct file_operations结构体 [3]。

清除函数的功能和初始化函数的功能相反,它将驱动程序所占用的系统资源、中断号进行释放。Linux系统使用 module_exit宏指定清除函数。

3.2中断

在 Linux 系统中,中断是由系统来管理与维护的。中断服务子程序在初始化函数中调用 request_irq 函数与相应中断号关联,并将该中断的相关信息添加到系统的中断信息列表中。中断发生时, Linux系统响应中断号来实现中断处理程序的执行。mini键盘按键触发产生中断号为 SIMPLE_KEY_IRQ的中断,系统自动检索并调用键盘中断服务子程序。键盘中断处理流程如图 2:

3.3 设备驱动接口的实现

在Linux内核中,字符设备使用 struct file_operations结构体来实现设备的各种操作接口,这些操作主要用来实现系统调用,命名为 open、read等等。file_operations结构是定义在 linux/fs.h>中的函数指针数组,每个设备文件都与它自己的操作函数相关联。编写字符设备驱动程序,主要是实现 struct file_operations结构中的各个函数。

本系统各设备驱动的设计主要实现 open、read、write和 release这四个方法接口。 file_operation结构成员如下: /* DEVICE驱动程序设备操作方法集 */ struct file_operations device_fops = {

open方法提供给驱动程序以初始化的能力,从而为以后的操作完成初始化做准备。本系统中存在多个设备共用一个驱动的情况,驱动中的 open方法程序框架如下:

  int device_open(struct inode *inode, struct file *filp){ int minor = MINOR(kdev); //次设备号的读取 switch(minor) {

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

  ……

  case second_device:

  ……

  default:

  ……

  } MOD_INC_USE_COUNT; // 递增模块引用计数 , 防止模块在使用中被卸载 if (down_interruptible(device_mutex)) { …… }; }

1)open方法调用 MINOR(kdev)宏实现次设备号的读取,使用 switch语句完成设备的匹配初始化。Linux系统为每一个设备分配了一个主设备号和次设备号。主设备号标识具体的设备驱动程序,次设备号标识具体设备。开发板电机设备有直流电机和步进电机,它们的主设备号都是 252,次设备号分别为 0和 1。数码管、串口、 mini键盘的驱动设计只针对单个设备,次设备号设计为 0。

2)ioremap函数在 open方法中实现对电机、数码管、串口、mini键盘寄存器的访问。 PXA255处理器有专门的存储器管理单元(MMU),在驱动中不能直接对设备 I/O内存的物理地址进行读写,需要调用ioremap 等内核函数将寄存器的实际物理地址映射到内核统一的地址空间中,从而实现了对物理地址的间接调用。例如寄存器 DEVICE_ FIRST _ADDR的读写操作,通过读写 device_first_vaddr变量实现。在 asm/arch/pxa-regs.h头文件中定义了各种寄存器的宏,文件中的宏变量都是经过地址映射的可以直接使用。

release方法的作用正好与 open相反,通过调用 iounmap函数撤销 device设备的虚拟地址映射,同时释放互斥锁,递减模块引用计数,当模块引用计数减到 0时,close函数才能真正的关闭设备。read和 write方法的任务是相似的,主要完成用户空间和内核空间之间的数据拷贝。

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)) { ……} //写数据给用户空间

  return count; // 返回成功读取的字节数 }

其中,copy_to_user函数实现内核空间到用户空间的数据拷贝。应用程序调用该方法接口实现串口数据的接收。

write方法的实现同read方法类似。通过调用 copy_from_user函数实现用户空间到内核空间的数据拷贝。该方法接口实现串口数据的发送、LED和MOTO控制寄存器的设置。

3.4 驱动的装载和卸载

Linux驱动程序的编译加载有两种方式。一种是编译成模块在运行时加载,不需要重新启动内核,它使用 insmod工具将驱动模块加载进内核,使用 rmmod从内核中卸载模块。该方法实现如下:1)编译驱动并下载驱动到开发板:$ arm-linux-gcc device_driver.c -I /home/eflag/kernel/include/ -c生成 device_driver.o文件,通过 tftp工具下载到开发板;2)驱动的加载:$ insmod device_driver.o。设备驱动的加载成功后,可以编写应用程序进行设备驱动的检测;3)驱动的卸载:$ rmmod device_driver。

另一种是将驱动程序静态编译进内核,再运行新的内核来测试驱动,该方法是在linux系统字符设备驱动文件夹linux/driver/char/中加入设备驱动源程序,同时修改 makefile文件,重新编译内核,下载新内核到开发板,系统启动后自动加载设备驱动 [3]。在驱动加载成功后就可以对该驱动的设备进行读写等操作。 4 Qt人机界面的实现

Qt是由 Troolltech公司开发的一套开源图形用户界面库。它给应用程序开发者提供了开发图形界面所需的各种功能。Qtopia core是嵌入式环境下所使用的 Qt,很多嵌入式产品如 PDA、手机都采用 qtopia core的图形库作为人机界面设计的框架。本系统使用 qtopia core的图形库进行用户界面的开发。

4.1 Qt应用程序的设计

Qt的事件驱动机制是 single/slot(信号/槽)机制,通过 connect函数连接控件信号(Single)与槽函数(slot)。首先控件触发产生 Single信号,然后由 signal信号触发执行槽函数[4]。本系统中槽函数为具体设备应用程序。

设备应用程序的开发主要是系统函数的调用,如 open(打开设备),read/write(读写设备),close(关闭设备)等。本系统设备应用程序开发如下: RS232收发数据功能; LED跑马灯功能;操控电机转动功能;mini键盘键值读取功能。

Linux系统中设备作为文件被访问,对设备进行访问前需建立设备节点:

  $mknod /dev/device_name c MAJOR MINOR

其中 device_name是设备节点名, c是字符设备标志, MAJOR是主设备号,MINOR是

次设备号。open函数使用/dev/device_name作为文件路径来打开设备。

4.2Qt应用程序的运行

1)编译 Qtopia core应用程序生成可执行文件 application。通过 tftp工具下载可执行文件到开发板;2)开发板中 application可执行文件的运行: $ chomd +x application $ ./application –qws。

LCD显示器显示人机交互界面如图 3,通过输入设备如鼠标、键盘、触摸屏可以完成设备的操作。

5 总结

实现了电机、数码管、串口和 mini键盘的驱动程序和应用程序的开发,设计了人机交互界面。本文作者创新点:详细分析了嵌入式 Linux下字符设备驱动程序的构建过程。整个系统的设计和实现过程对嵌入式 Linux系统的开发有一定的参考价值。

linux操作系统文章专题:linux操作系统详解(linux不再难懂)

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