嵌入式Linux下IC卡接口設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)

摘要  L i n u x系統(tǒng)中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供了設(shè)備和上層應(yīng)用空間的標(biāo)準(zhǔn)抽象接口，使得硬件響應(yīng)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)部編程接口；而用戶則可以通過(guò)一組標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)調(diào)用對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行打開(kāi)、關(guān)閉、讀寫、參數(shù)控制設(shè)置等特定的操作。本文首先介紹L i n u x下設(shè)備模塊的概念和基本分類，然后介紹I c卡設(shè)備的硬件接口設(shè)計(jì)以及在L i n u x系統(tǒng)下如何應(yīng)用字符設(shè)備開(kāi)發(fā)I c卡設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊。

關(guān)鍵詞  嵌入式Linux    設(shè)備驅(qū)動(dòng)  IC卡設(shè)備

 

引  言    

隨著現(xiàn)代工業(yè)社會(huì)逐步向信息社會(huì)的過(guò)渡，信息將扮演愈來(lái)愈重要的角色，成為現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)生活中的成功要素。IC卡作為卡基應(yīng)用系統(tǒng)中的一種卡型，是利用安裝在卡中的集成電路(IC)來(lái)記錄和傳遞信息的；具有存儲(chǔ)量大、數(shù)據(jù)保密性好、抗干擾能力強(qiáng)、存儲(chǔ)可靠、讀寫設(shè)備簡(jiǎn)單、操作速度快、脫機(jī)工作能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用范圍極為廣泛。

我們基于公用電話IC卡的應(yīng)用，開(kāi)發(fā)了多媒體信息終端產(chǎn)品，在傳統(tǒng)公用IC卡電話功能的基礎(chǔ)上增加了上網(wǎng)、郵件、電子支付、信息瀏覽等各種多媒體功能，統(tǒng)一采用公用電話IC卡進(jìn)行收費(fèi)。目前設(shè)計(jì)的IC卡讀寫器和驅(qū)動(dòng)軟件已經(jīng)應(yīng)用于我們的多媒體終端產(chǎn)品中。

 

1  嵌入式Linux下設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊簡(jiǎn)介    

Linux系統(tǒng)將設(shè)備分成三種類型：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)接口。三種類型設(shè)備定義如下：    

字符設(shè)備：字符設(shè)備是指能夠像字節(jié)流(比如文件)一樣被訪問(wèn)的設(shè)備，如字符終端(／dev／con s01e)和串口(／dev／ttys0)以及類似設(shè)備。字符設(shè)備對(duì)應(yīng)文件系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)，用戶則通過(guò)此文件節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)和控制設(shè)備。    

塊設(shè)備：塊設(shè)備和字符設(shè)備一樣可以通過(guò)文件系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行訪問(wèn)，Linux允許應(yīng)用程序像字符設(shè)備那樣讀寫塊設(shè)備。    

網(wǎng)絡(luò)接口：任何網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都要經(jīng)過(guò)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，即一個(gè)能夠和其它主機(jī)交換數(shù)據(jù)的設(shè)備。通常接口是個(gè)硬件設(shè)備，但也可能是個(gè)純軟件設(shè)備，比如回環(huán)(100pback)接口。Linux訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)接口的方法是分配一個(gè)唯一的名字。    

Module是Linux內(nèi)核的一大創(chuàng)新，其正規(guī)的叫法應(yīng)該是Loadable Kernel Module，  即可安裝模塊。可安裝模塊實(shí)現(xiàn)了Linux操作系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。模塊運(yùn)行在內(nèi)核空間環(huán)境中，它的程序運(yùn)行函數(shù)庫(kù)都是在內(nèi)核空間定義，而不是在用戶函數(shù)庫(kù)空間。Linux模塊的最方便之處為可加載和卸載。Linux操作系統(tǒng)提供了系統(tǒng)調(diào)用in smod和rmmod可隨時(shí)將自己開(kāi)發(fā)的模塊進(jìn)行加載和卸載。    

根據(jù)Linux設(shè)備分類，設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊也可大致分為字符模塊(char module)、塊模塊(block module)和網(wǎng)絡(luò)模塊(network module)三種。

 

2  IC卡設(shè)備觸點(diǎn)硬件電路介紹    

IC卡硬件觸點(diǎn)接口及信號(hào)如圖1所示。


C1：VCC電源電壓。

C2：RST復(fù)位信號(hào)。

C3：cLK時(shí)鐘信號(hào)。

C4：未用。

C5：GND。

C6：VPP編程電壓。

C7：I／O數(shù)據(jù)輸入／輸出口線。

C8：未用。

以上觸點(diǎn)中，VPP編程電壓觸點(diǎn)是廠家生產(chǎn)卡時(shí)編程所用，用戶卡讀寫時(shí)沒(méi)有應(yīng)用。所以準(zhǔn)確地說(shuō)，只有五個(gè)觸點(diǎn)分別連接來(lái)自外部主控制器的五個(gè)控制信號(hào)。  設(shè)備復(fù)位后的后續(xù)操作可包括卡的地址設(shè)定操作、讀寫操作、擦除操作。針對(duì)以上卡的各種操作皆有嚴(yán)格的信號(hào)控制時(shí)序，詳情可參照各種應(yīng)用卡的DATASHEET。  IC卡作為卡基應(yīng)用系統(tǒng)中的一種卡型，是利用安裝在卡中的集成電路(IC)來(lái)記錄和傳遞信息的，所以IC卡皆有特定的存儲(chǔ)位圖。具體存儲(chǔ)位圖針對(duì)應(yīng)用領(lǐng)域的不同和標(biāo)準(zhǔn)的不同具有不同的位圖定義，詳細(xì)情況請(qǐng)參見(jiàn)自己開(kāi)發(fā)應(yīng)用卡的DATASHEET資料。在驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，也只有完全清楚這些位圖定義后才能將所讀取的數(shù)據(jù)按照位圖定義協(xié)議進(jìn)行譯碼而得到自己最終需要的各種數(shù)據(jù)。 {{分頁(yè)}}

 

3  IC卡讀卡電路簡(jiǎn)介  

IC卡讀卡接口電路框圖如圖2所示。  


我們采用MPC823E作為主處理器。因?yàn)镮C觸點(diǎn)工作電壓為5V，而主控制器的工作電壓為3.3V，所以在讀卡器中設(shè)計(jì)了中間電平轉(zhuǎn)化驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)增加了控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。為了實(shí)時(shí)檢測(cè)插卡操作，在插卡器電路中設(shè)置一開(kāi)關(guān)電路，接主控制器的控制口線，用于檢測(cè)是否插卡。

 

4  IC卡設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊的實(shí)現(xiàn)詳解  

下面以我們采用的公用電話機(jī)通用的IC卡為例，通過(guò)已實(shí)現(xiàn)代碼來(lái)說(shuō)明整個(gè)IC卡設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊。

(1)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的確定  

編輯頭文件ICDATA.H，確定在驅(qū)動(dòng)模塊程序中應(yīng)用的公用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)模塊的最終目的是讀取和寫入卡數(shù)據(jù)處理，所以規(guī)范整齊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是必須的?？梢远x一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體來(lái)實(shí)現(xiàn)卡數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū)域、數(shù)據(jù)地址索引、控制標(biāo)志位等，如：

slruct ICDATA {

char*readbuffstrt；     //讀入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)首指針

char*readbuffend；     //讀入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)末指針  

char*writebuffstart；    //寫入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)首指針

char*writebuffend；     //寫入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)末指針

int readcount；         //讀入數(shù)據(jù)量

int writecount；        //寫入數(shù)據(jù)量

char *readp；          //讀人數(shù)據(jù)當(dāng)前指針

int readnum；          //已經(jīng)讀入量

char *writep；         //當(dāng)前寫入數(shù)據(jù)指針

int writenum；         //當(dāng)前寫入量

int newstate；          //卡當(dāng)前狀態(tài)，O為無(wú)卡，1為有卡

int oldstate；           //卡的舊狀態(tài)

int statechange；        //卡狀態(tài)變化標(biāo)志  

}；struct file_operations ic_fops={    

open：    icopen，    

read：    icread，    

write：    icwrite，    

poll：     icpoll，    }；

這樣在驅(qū)動(dòng)模塊中，只需要struct ICDATA iccdata；一條語(yǔ)句便可定義全部的卡處理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義；而ic_fops則定義了設(shè)備操作映射函數(shù)結(jié)構(gòu)。從這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)看，我們實(shí)現(xiàn)了IC卡設(shè)備的打開(kāi)、讀、寫和監(jiān)控函數(shù)。

(2)硬件接口控制線控制子函數(shù)

這些函數(shù)用作進(jìn)行卡復(fù)位、時(shí)鐘等信號(hào)的控制。static void setclkout(void){  

#define PB_DR26     ((ushort)0x0020)    

volatile immap_t*immap=(immap_t*)IMAP_ADDR；    

(void)immap；    

immap=>im_cpm.cp_pbpat &=～(PB_DR26)； 

immap->im_cpm.cp_pbdirl=PB_DR26；    }    

以上是以我們開(kāi)發(fā)的硬件系統(tǒng)平臺(tái)為例的硬件控制接口操作函數(shù)之一，用于控制IC卡的復(fù)位信號(hào)置1。針對(duì)不同硬件平臺(tái)，函數(shù)內(nèi)部操作方法不盡相同。類似的其它操作函數(shù)還有：    

static void setrstout(void)    

static void clearrst(void)    

static void setclk(void)    

static void setrst(void)    

static void clearclk(void)    

static void setsda(void)    

static void clearsda(void)    

static void setsdain(void)    

static void setsdaout(void)  {{分頁(yè)}}

(3)模塊初始化函數(shù)的實(shí)現(xiàn)  

static int_init

init_ic(void){

initicdata(&icdata)；

init waitqueue head(&icdev readq)；

init_waitqueue_head(&icdev．writeq)；

timer task．routine=(void(*)(void*))timer_do_tasklet：

timer task．data=(void *)&icdata；

mSxx_timersetup（）；

m8xx_timer_start（）；

result=register_chrdev(majorl，“IC”，&ic_fops)；

return 0：

}   

模塊初始化函數(shù)是模塊開(kāi)發(fā)過(guò)程中必不可少的處理函數(shù)，用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的初始化、中斷初始化及處理、設(shè)備注冊(cè)等。在上面函數(shù)中，首先應(yīng)用initicdata(＆icdata)實(shí)現(xiàn)了卡數(shù)據(jù)的初始化，然后定義了隊(duì)列數(shù)據(jù)。再進(jìn)行了中斷處理函數(shù)的綁定、中斷申請(qǐng)以及中斷初始化。最后實(shí)現(xiàn)了IC卡字符設(shè)備的申請(qǐng)。設(shè)備名為IC。

(4)中斷處理

模塊采用了MPC823E的定時(shí)器中斷，在每個(gè)定時(shí)器中斷發(fā)生時(shí)對(duì)插卡狀況進(jìn)行檢測(cè)。如果檢測(cè)到插卡，則進(jìn)行讀卡操作；如果檢測(cè)到拔卡操作，則進(jìn)行卡數(shù)據(jù)的清零和卡狀態(tài)數(shù)據(jù)的更新。

程序中的中斷處理采用了timer_task任務(wù)隊(duì)列來(lái)實(shí)現(xiàn)中斷的后續(xù)處理。其處理函數(shù)為time r_do_tasklet。M8xx timer_setup()函數(shù)首先進(jìn)行MPC823E定時(shí)器的初始化和參數(shù)設(shè)定。然后應(yīng)用語(yǔ)句CPm_in stall_handler rCPMVEC TIMER4，m8xx_timerinterrupt，(void*)0)；實(shí)現(xiàn)了中斷處理的資源申請(qǐng)和中斷處理函數(shù)m 8 x x_timer_interrupt()的綁定。

中斷處理函數(shù)中采用語(yǔ)句

queue_task(&timer_task，&tq_immediate)；

mark_bh(IMMEDIATE_BH)；

實(shí)現(xiàn)了任務(wù)隊(duì)列timer_task加入內(nèi)核tq_immediate的任務(wù)隊(duì)列處理。內(nèi)核在合適的時(shí)間會(huì)自動(dòng)調(diào)用timer_task的例行處理函數(shù)timer_do_taskletO進(jìn)行中斷的后續(xù)處理。    

在time r dO_ta sklet()處理函數(shù)中，有一條語(yǔ)句wake up interruptible(&icde v．writeq)與ic_poll函數(shù)中的D011_wait(flip，&icdev．writeq，wait)相對(duì)應(yīng)。當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，將等待時(shí)間隊(duì)列icdev．writeq激活；而poll_wait函數(shù)則針對(duì)此隊(duì)列進(jìn)行監(jiān)控。一旦被激活，則可以傳遞給用戶插卡操作信息，在用戶應(yīng)用軟件中可立即調(diào)用讀函數(shù)進(jìn)行讀卡操作。這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)卡的實(shí)時(shí)操作監(jiān)控。

(5)模塊注銷函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

static void_exit

remove_ic(void){  

m8xx_timer_stop()；  

cpm_free_handler(CPMVEC_TIMERl)；  

unregister_chrdev(majorl，“IC”)；

}    

這個(gè)函數(shù)也是模塊驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)中必不可少的函數(shù)之一，用于模塊卸載時(shí)進(jìn)行資源的釋放，并注銷此模塊。如上函數(shù)所示，首先進(jìn)行了中斷的停止、釋放中斷資源，同時(shí)進(jìn)行了字符設(shè)備的注銷。

(6)設(shè)備讀、寫、監(jiān)控等子函數(shù) 

用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)卡的操作，主要是通過(guò)實(shí)現(xiàn)卡的各種操作時(shí)序。也即在ic_fop s結(jié)構(gòu)體中定義的4個(gè)操作函數(shù)：icopen用于打開(kāi)卡設(shè)備，進(jìn)行一些數(shù)據(jù)的初始化操作；icread()用于插卡操作時(shí)讀取卡數(shù)據(jù)；icwrite()用于寫卡；icpoll（）用于實(shí)現(xiàn)卡的實(shí)時(shí)監(jiān)控。{{分頁(yè)}}    

綜上所述，卡驅(qū)動(dòng)模塊的基本實(shí)現(xiàn)原理是：申請(qǐng)中斷資源，當(dāng)有插卡操作發(fā)生時(shí)，引發(fā)中斷，進(jìn)行讀卡操作。在拔卡操作時(shí)也能引發(fā)中斷，同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)處理。同時(shí)提供poll()函數(shù)接口，用戶可采用此函數(shù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)有卡操作發(fā)生時(shí)馬上進(jìn)行卡數(shù)據(jù)的更新。

注：驅(qū)動(dòng)程序源碼見(jiàn)本刊網(wǎng)站W(wǎng)WW．dpj．tom．cn。5  驅(qū)動(dòng)模塊開(kāi)發(fā)的編譯調(diào)試    以開(kāi)發(fā)平臺(tái)和編譯器為例編寫簡(jiǎn)單的makefile文件為：

CC=ppc 8xx_gcc 

DD=．nostdinc．DMODULE-D_KERNEL_I／mykeme Finclude.Wall-Wstrict-prototypes-Wno-trigraphs-02-fomit-frame-pointer-fno-strict-aliasing-fno-common-I／mykernel／arch／ppc-fsigned-char-resort-float-pipe-ffixed-r2-Wno-uninitialized-mmultiple-mstring-fno-builtin-I／Opt／hardhat/devkit／ppc／8xx／target／usr／lib／gcc-lib／powerpc-hardhat-linux／3．2．1／include ie．o：ic．C  

$(CC)$(DD)-C ic．c 

install：    

make ic．o 

clean：    

rn*o    

執(zhí)行命令make install，便可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)模塊的動(dòng)態(tài)編譯。       

內(nèi)核提供了兩個(gè)應(yīng)用程序insmod和rmmod來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)核模塊的動(dòng)態(tài)加載和去除。在模塊編譯當(dāng)前目錄下執(zhí)行命令

mknod/dev/charmodule c2540    

建立與此設(shè)備模塊對(duì)應(yīng)的設(shè)備文件節(jié)點(diǎn)。c表示為字符設(shè)備，254表示主設(shè)備號(hào)，0表示子設(shè)備號(hào)。

執(zhí)行命令insmod ic.o，可實(shí)現(xiàn)模塊動(dòng)態(tài)加載；而命令rmmod ic可實(shí)現(xiàn)模塊的動(dòng)態(tài)去除。

 

6  驅(qū)動(dòng)模塊的靜態(tài)編譯進(jìn)內(nèi)核

①將模塊驅(qū)動(dòng)源文件拷貝進(jìn)/drivers/char/目錄下；

②修改/drivers/char/Makefile文件，添加obj-$(CONFIG_MYMODULE)+=ic.o

③在/drivers/char/config.in文件中添加config CONFIG_MYMODULE

bool “IC”CONFIG_MYMODULE

④進(jìn)入編譯內(nèi)核目錄，執(zhí)行make menuconfig。

在character devices 目錄下即可見(jiàn)到IC選項(xiàng)。選擇，然后執(zhí)行編譯命令，即可編入內(nèi)核或僅編譯模塊：

make mrproper

make menuconfig

make CROSS_COMPILE=ppc_8xx-gcc

make modules CROSS_COMPILE=ppc_8xx-gcc

即可只編譯內(nèi)核。在源文件目錄下可見(jiàn)到ic.o。

 

7  總結(jié)

用基本的字符設(shè)備實(shí)現(xiàn)IC卡設(shè)備的驅(qū)動(dòng)模塊開(kāi)發(fā)。內(nèi)核驅(qū)動(dòng)模塊的開(kāi)發(fā)是與硬件直接接觸的。針對(duì)硬件的不同，其內(nèi)部處理方法也千變?nèi)f化。對(duì)于內(nèi)核模塊開(kāi)發(fā)，最有效的學(xué)習(xí)途徑和最好的學(xué)習(xí)文檔就是Linux的內(nèi)核源代碼。同時(shí)，加入一些Linux的郵件開(kāi)發(fā)組也將獲益匪淺。