基于ARM9的Linux嵌入式字符驅(qū)動GPIO設(shè)計

摘要：為了實現(xiàn)嵌入式linux的移植和開發(fā)，本文采用了ARM9完成了的嵌入式Linux字符驅(qū)動開發(fā)，為后續(xù)更復(fù)雜的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。本文介紹了設(shè)計字符驅(qū)動開發(fā)的基本流程，完成了linux的移植以及驅(qū)動程序的開發(fā)，并且利用LED和蜂鳴器的開斷來驗證字符驅(qū)動開發(fā)的效果。同時，為了使驗證更加直觀和便捷，引入了圖形化界面Q4的應(yīng)用程序開發(fā)了友好的測試界面。實驗測試通過對觸摸屏的操作，順利的點滅LED以及開斷蜂鳴器，從而驗證了字符驅(qū)動開發(fā)在系統(tǒng)中的成功應(yīng)用。

隨著嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，各種嵌入式平臺紛紛涌現(xiàn)，ARM9作為新一代嵌入式平臺憑借其強(qiáng)大的功能與良好的設(shè)備支持受到了普遍的關(guān)注。它采用5級流水線，具有指令和數(shù)據(jù)Cache，支持協(xié)處理器和片上調(diào)試。在數(shù)據(jù)通信、多媒體顯示和手持計算等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其最大的優(yōu)勢在于支持Linux操作系統(tǒng)，對Linux源代碼的移植和開發(fā)提供了很好的平臺，所以在ARM基礎(chǔ)之上發(fā)展的嵌入式Linux操作系統(tǒng)層出不窮。本文主要研究和實現(xiàn)基于ARM9的Linux嵌入式字符驅(qū)動的開發(fā)流程，同時利用QT4界面的開發(fā)完成LED燈與蜂鳴器的開關(guān)，從而對已開發(fā)的驅(qū)動程序進(jìn)行測試。

1 嵌入式系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動

設(shè)備驅(qū)動是操作系統(tǒng)和輸入輸出設(shè)備間的粘合劑，負(fù)責(zé)將操作系統(tǒng)的請求傳輸，并且轉(zhuǎn)化為物理設(shè)備控制器能夠理解的指令。它直接與硬件設(shè)備打交道，向上層提供訪問的函數(shù)接口。在linux系統(tǒng)中通常是利用設(shè)備文件的概念統(tǒng)一設(shè)備的訪問接口，從而使得系統(tǒng)對設(shè)備的操作顯得簡捷方便。在整個系統(tǒng)中分為3個部分，應(yīng)用程序、linux內(nèi)核和硬件設(shè)備，結(jié)構(gòu)體系如圖1所示。

在應(yīng)用程序與內(nèi)核之間通常是通過系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)通信，應(yīng)用程序在發(fā)出系統(tǒng)調(diào)用的指令后，系統(tǒng)進(jìn)入內(nèi)核狀態(tài)，內(nèi)核則通過文件的結(jié)構(gòu)識別設(shè)備。再利用定義好的file-ope ration的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來建立文件系統(tǒng)與設(shè)備驅(qū)動函數(shù)的關(guān)聯(lián)，其結(jié)構(gòu)體的每個成員都對應(yīng)著一個系統(tǒng)調(diào)用。在完成文件與設(shè)備驅(qū)動函數(shù)的關(guān)聯(lián)獲取了對應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的操作函數(shù)指針后，整個控制權(quán)就移交給了該操作函數(shù)，從而實現(xiàn)對硬件設(shè)備的操作和相應(yīng)的功能，這就是設(shè)備驅(qū)動的工作原理。

2 字符驅(qū)動程序開發(fā)流程

驅(qū)動程序的開發(fā)任務(wù)可以分為幾個部分：設(shè)備驅(qū)動的初始化和退出、file-operations的定義以及函數(shù)指針的實體實現(xiàn)和程序編譯下載。

2.1 設(shè)備的定義以及初始化

2.1.1 初始化以及退出函數(shù)定義

驅(qū)動程序的init主要完成3件事：調(diào)用register_chrdev_region詢問內(nèi)核該設(shè)備號是否有設(shè)備占用，如果沒有就繼續(xù)下面操作，初始化設(shè)備結(jié)構(gòu)體變量cdev和向內(nèi)核注冊字符IO設(shè)備。

這兩個函數(shù)是模塊的框架，定義如下：

2.1.2 模塊函數(shù)的內(nèi)核申請

在Linux系統(tǒng)下，驅(qū)動程序都是以模塊存在的，模塊是向內(nèi)核動態(tài)的增加功能，每個模塊都包括module_init和module_exit兩個函數(shù)，分別在向系統(tǒng)插入模塊和移除模塊時被調(diào)用。所以需要向內(nèi)核申請mydriver_init和mydriver_exit函數(shù)以及LICENSE。

module_init(mydriver_init);

module_exit(mydriver_exit);

MODULE_LICENSE(“GPL”);

從而mydriver_init和mydriver_exit便通過module_init和module_exit兩個宏注冊到內(nèi)核，這樣在通過insmod和rmmod命令往內(nèi)核增加和移除時候就會調(diào)用。

2.2 支件操作file—operation的結(jié)構(gòu)定義以及操作函數(shù)實體

2.2.1 file—operation的結(jié)構(gòu)定義

設(shè)備都是有一些操作的，應(yīng)用程序就通過這些接口操作函數(shù)來使用驅(qū)動程序?qū)υO(shè)備的控制。如下：

static struet file_operations mydrv_ops={

.owner=THIS_MODULE，

.read= mydriver_read，

.write = mydriver_write，

.release=mydrive_close，

};

2.2.2 設(shè)備操作函數(shù)

本文主要實現(xiàn)對GPIO口的驅(qū)動從而實現(xiàn)對LED以及蜂鳴器的控制操作，所以函數(shù)主要為GPIO的寫操作。

∥配置GPFO.1.2.3為輸出引腳

static int mydriver_open(struet inode*inode，struct file*file)

在應(yīng)用程序執(zhí)行open()系統(tǒng)調(diào)用時，mydriver_open函數(shù)將被調(diào)用。將LED的GPIO引腳設(shè)為輸出功能。

//GPIO口實際的寫操作驅(qū)動函數(shù)

static ssize_t mydriveR_write(struet file*file，const char_user*buf，size_t count，loff_t*ppos)

在應(yīng)用程序執(zhí)行write()系統(tǒng)調(diào)用時，mydriver_write函數(shù)將被調(diào)用。將LED的GPIO引腳設(shè)為輸出功能。

2.3 設(shè)備驅(qū)動程序的編譯及下載

2.3.1 編譯環(huán)境

內(nèi)核版本：linux-2.6.3 1

交叉編譯器：arm—linux—gcc 4.1.2

操作系統(tǒng)：linux—redhad 9.0

鏈接的QT庫：qt-embedded-linux-opensouree-src-4.5.3

2.3.2 編譯過程

1)將驅(qū)動程序mydriver.c和beep.c放到虛擬機(jī)的linux內(nèi)核的/driver/char目錄下，修改該目錄下的Kconfig文件，在第14行加入：

config mydriver

tristate“mydriver Driver”

depend on ARCH_S3C2440

help

this is LED Driver for S3C2440A

2)修改該目錄下Makefile文件，在13行加入：

Obj-$(CONFIG_MYDRIVER)+=mydriver.o

3)配置內(nèi)核，支持驅(qū)動模塊：

Device Driver----->

Character device----->

[M]mydriver Drive

其中“M”表示將驅(qū)動編譯成模塊

回到linux一級目錄，執(zhí)行：make M=driver/char/modules編譯完成后，會在dfiver/char/目錄下生成mydriver.ko，的文件，將這個文件復(fù)制到開發(fā)板的根文件系統(tǒng)下lib/modules/2.6.31/下。而QT應(yīng)用程序則在mydriver文件(內(nèi)有mydriver_test.c)里面先后執(zhí)行：

#qmake proiect

#qmake

#make

完成后，就會在mydriver文件夾里生成mydriver的可執(zhí)行文件。

4)將mydriver的可執(zhí)行文件下載到ARM9開發(fā)板的usr/bin目錄下，并執(zhí)行：chmod 777 mydiver給予其所有的權(quán)限，同時修改該目錄下的kconfig，在其中加入mydiver|=qws &讓QT程序在后臺運行。

由于驅(qū)動程序加入了自動創(chuàng)建文件節(jié)點，故為了方便，讓驅(qū)動在ARM9上電時自動加載驅(qū)動，可在ete/init.d/rcS中加入。insmod lib/modules/2.6.31/mydriv er.ko即可，于此同時加入kconfig&上電之后自動加載kconfig腳本。

3 測試程序設(shè)計流程

Qt是一個多平臺的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架。它提供給應(yīng)用程序開發(fā)者建立藝術(shù)級的圖形用戶界面所需的所用功能。Qt是完全面向?qū)ο蟮暮苋菀讛U(kuò)展，并且允許真正

地組件編程，設(shè)計出來的界面很美觀。它是一種高效與跨平臺的應(yīng)用程序，Qt支持的平臺很多，其中就支持Linux嵌入式操作系統(tǒng)。如下以蜂鳴器功能為例：

以上就是基于QT4的界面設(shè)計及實現(xiàn)蜂鳴器相關(guān)功能的操作函數(shù)。設(shè)置了界面的個性化(用于7寸液晶屏)，以及各種按鈕的添加和設(shè)置，再用connect將相關(guān)按鈕連接到曹函數(shù)中，以實現(xiàn)相關(guān)功能;關(guān)于beep操作函數(shù)，首先，執(zhí)行open函數(shù)，即打開設(shè)備，調(diào)用驅(qū)動程序下的mydriver_open函數(shù)，對相關(guān)管腳進(jìn)行配置;再執(zhí)行write函數(shù)，即可調(diào)用驅(qū)動程序下的mydriver_write函數(shù)，實現(xiàn)對應(yīng)功能。測試界面如圖2所示。

4 結(jié)束語

本文很適合linux初學(xué)者對于驅(qū)動程序設(shè)計，首先，要知道驅(qū)動程序必須要有框架，即初始化和退出。然后，每個設(shè)備都有與之對應(yīng)的結(jié)構(gòu)體，而應(yīng)用層要使用驅(qū)動程序，其中必須要有接口操作函數(shù)。文中將LED和蜂鳴器對應(yīng)的寄存器進(jìn)行配置在mydriver_open實現(xiàn)，而不是在初始化函數(shù)中設(shè)置，是因為：雖然加載了模塊，但是這個模塊卻不一定會被用到，所以在使用時才去設(shè)置。應(yīng)用程序在內(nèi)核的字符設(shè)備數(shù)組中能夠找到主設(shè)備號，根據(jù)設(shè)備號找到該設(shè)備的結(jié)構(gòu)體cdev，訪問結(jié)構(gòu)體中的變量*ops，而*ops指向file_ operation結(jié)構(gòu)體，該結(jié)構(gòu)體中有被應(yīng)用層調(diào)用的函數(shù)。