基于ARM+Linux 的儀器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引 言

　　嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)都有其特殊的應(yīng)用場(chǎng)合與特定功能，而嵌入式Linux操作系統(tǒng)因其開(kāi)源和廣泛的處理器支持、易于移植而備受行業(yè)青睞。AT91RM9200是Atmel公司針對(duì)系統(tǒng)控制、通信領(lǐng)域推出的基于ARM920T內(nèi)核的32位RISC微處理器，它具有小體積，低功耗，低成本及高性能等特點(diǎn)，其內(nèi)部集成了SPI、串口、PIO、以太網(wǎng)、EBI、USB、MCI等多種接口。

　　在Linux系統(tǒng)中，應(yīng)用層不可以直接操作硬件，需設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序向下屏蔽硬件特性，實(shí)現(xiàn)硬件與用戶(hù)間的通信。系統(tǒng)平臺(tái)為在虛擬機(jī)中安裝Fedora 8，目標(biāo)系統(tǒng)采用Linux 2．6．21．7內(nèi)核，定制文件系統(tǒng)建立NFS根文件系統(tǒng)，使用雙網(wǎng)卡方式搭建成交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境，并使用超級(jí)終端或minicom作為控制臺(tái)。

　　l 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

　　該控制系統(tǒng)框架如圖1所示。ARM通過(guò)USARTl接收外來(lái)的控制命令，通過(guò)SPI接口和通用PIO口與外部設(shè)備通信，達(dá)到控制作用。在Linux下，所有的設(shè)備以文件的形式來(lái)使用。其中Linux已經(jīng)提供了支持AT91RM9200的SPI驅(qū)動(dòng)，DBGU和UART驅(qū)動(dòng)，只要對(duì)其源代碼進(jìn)行一些修改并在編譯內(nèi)核時(shí)將其選中就可以直接使用。所以主要集中在PIO口驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中，外部設(shè)備使用一個(gè)．PB29引腳(即IRQO)作為外部中斷信號(hào)提供給ARM，另外使用一些I／O引腳對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行控制。

　　Linux設(shè)備分為3類(lèi)：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是模塊化字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。Linux 2．6內(nèi)核與Linux 2．4內(nèi)核主要有3點(diǎn)不同：

　　(1)內(nèi)核的API變化，增加了不少新功能；

　　(2)提供了sysfs用于描述設(shè)備樹(shù)；

　　(3)驅(qū)動(dòng)模塊從．o變?yōu)椋甼o。

　　1．1 驅(qū)動(dòng)程序重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　打開(kāi)的設(shè)備在內(nèi)核內(nèi)部由file結(jié)構(gòu)標(biāo)識(shí)，內(nèi)核使用file_operaTIons結(jié)構(gòu)訪(fǎng)問(wèn)驅(qū)動(dòng)程序的函數(shù)。file_opera_tions結(jié)構(gòu)是一個(gè)定義在Linux／fs．h>中的函數(shù)指針數(shù)組。下面主要介紹常用的幾個(gè)成員：

　　在這些函數(shù)指針中，open和release用于設(shè)備的打開(kāi)和關(guān)閉，是每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序必須實(shí)現(xiàn)的函數(shù)。其他函數(shù)根據(jù)實(shí)際需要來(lái)實(shí)現(xiàn)，在該項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)方式如下：

　　另一個(gè)重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是file結(jié)構(gòu)體，主要包括以下成員：

　　它代表一個(gè)打開(kāi)的文件，只出現(xiàn)在內(nèi)核空間，與用戶(hù)空間的file是不同的。在open操作時(shí)創(chuàng)建，然后傳遞給file_operations的其他函數(shù)指針，直到close。

　　第三個(gè)重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)即inode，其成員包括：dev_ti_rdev和struet cdev*i_cdev，其中i_rdev中包含實(shí)際設(shè)備號(hào)，可以通過(guò)下面兩個(gè)宏函數(shù)獲取主從設(shè)備號(hào)：

　　初始化file_operations結(jié)構(gòu)體后，要將其中定義的各個(gè)方法如open，release，write，read，ioctl等一一實(shí)現(xiàn)。其函數(shù)名即初始化這個(gè)file_operations結(jié)構(gòu)體時(shí)各成員函數(shù)指針。當(dāng)在用戶(hù)空間調(diào)用open時(shí)，內(nèi)核空間的open方法即相應(yīng)操作，其他方法同理。

　　1．2 驅(qū)動(dòng)初始化和卸載清理工作

　　驅(qū)動(dòng)加載需要進(jìn)行設(shè)備注冊(cè)等一系列初始化工作；并且在卸載驅(qū)動(dòng)時(shí)要釋放資源進(jìn)行一些清理工作以使其不影響內(nèi)核。所以定義兩個(gè)函數(shù)static int devctl_init()和static void devctl_exit()，然后通過(guò)module_init(devctl_init)和module_exit(devctl_exit)來(lái)通知內(nèi)核。為了維護(hù)Linux的開(kāi)源性，調(diào)用下面的宏來(lái)聲明：