嵌入式Linux下IC卡接口設(shè)計與驅(qū)動開發(fā)

引 言 
    隨著現(xiàn)代工業(yè)社會逐步向信息社會的過渡，信息將扮演愈來愈重要的角色，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)來記錄和傳遞信息的；具有存儲量大、數(shù)據(jù)保密性好、抗干擾能力強(qiáng)、存儲可靠、讀寫設(shè)備簡單、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)計的IC卡讀寫器和驅(qū)動軟件已經(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)動模塊簡介 
    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)備對應(yīng)文件系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)，用戶則通過此文件節(jié)點(diǎn)訪問和控制設(shè)備。 
    塊設(shè)備：塊設(shè)備和字符設(shè)備一樣可以通過文件系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行訪問，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)過一個網(wǎng)絡(luò)接口，即一個能夠和其它主機(jī)交換數(shù)據(jù)的設(shè)備。通常接口是個硬件設(shè)備，但也可能是個純軟件設(shè)備，比如回環(huán)(100pback)接口。Linux訪問網(wǎng)絡(luò)接口的方法是分配一個唯一的名字。 
    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)庫都是在內(nèi)核空間定義，而不是在用戶函數(shù)庫空間。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可隨時將自己開發(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)接口及信號如圖1所示。

　

C1：VCC電源電壓。
C2：RST復(fù)位信號。
C3：cLK時鐘信號。
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)卡時編程所用，用戶卡讀寫時沒有應(yīng)用。所以準(zhǔn)確地說，只有五個觸點(diǎn)分別連接來自外部主控制器的五個控制信號。 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。針對以上卡的各種操作皆有嚴(yán)格的信號控制時序，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)來記錄和傳遞信息的，所以IC卡皆有特定的存儲位圖。具體存儲位圖針對應(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)情況請參見自己開發(fā)應(yīng)用卡的DATASHEET資料。在驅(qū)動的開發(fā)過程中，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)。

3 IC卡讀卡電路簡介 
    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)計了中間電平轉(zhuǎn)化驅(qū)動電路，同時增加了控制信號的驅(qū)動能力。為了實(shí)時檢測插卡操作，在插卡器電路中設(shè)置一開關(guān)電路，接主控制器的控制口線，用于檢測是否插卡。

4 IC卡設(shè)備驅(qū)動模塊的實(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，通過已實(shí)現(xiàn)代碼來說明整個IC卡設(shè)備驅(qū)動模塊。
(1)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的確定 
    編輯頭文件ICDATA.H，確定在驅(qū)動模塊程序中應(yīng)用的公用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。驅(qū)動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一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體來實(shí)現(xiàn)卡數(shù)據(jù)的存儲區(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)動模塊中，只需要struct ICDATA iccdata；一條語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)。從這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)看，我們實(shí)現(xiàn)了IC卡設(shè)備的打開、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、時鐘等信號的控制。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； } 
    以上是以我們開發(fā)的硬件系統(tǒng)平臺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)位信號置1。針對不同硬件平臺，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) 
(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)是模塊開發(fā)過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、中斷申請以及中斷初始化。最后實(shí)現(xiàn)了IC卡字符設(shè)備的申請。設(shè)備名為IC。
(4)中斷處理
    模塊采用了MPC823E的定時器中斷，在每個定時器中斷發(fā)生時對插卡狀況進(jìn)行檢測。如果檢測到插卡，則進(jìn)行讀卡操作；如果檢測到拔卡操作，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定時器的初始化和參數(shù)設(shè)定。然后應(yīng)用語句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)核在合適的時間會自動調(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，有一條語句wake up interruptible(&icde v．writeq)與ic_poll函數(shù)中的D011_wait(flip，&icdev．writeq，wait)相對應(yīng)。當(dāng)中斷發(fā)生時，將等待時間隊(duì)列icdev．writeq激活；而poll_wait函數(shù)則針對此隊(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)了對卡的實(shí)時操作監(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”)；
} 
    這個函數(shù)也是模塊驅(qū)動開發(fā)中必不可少的函數(shù)之一，用于模塊卸載時進(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) 
    用來實(shí)現(xiàn)對卡的操作，主要是通過實(shí)現(xiàn)卡的各種操作時序。也即在ic_fop s結(jié)構(gòu)體中定義的4個操作函數(shù)：icopen用于打開卡設(shè)備，進(jìn)行一些數(shù)據(jù)的初始化操作；icread()用于插卡操作時讀取卡數(shù)據(jù)；icwrite()用于寫卡；icpoll（）用于實(shí)現(xiàn)卡的實(shí)時監(jiān)控。 
    綜上所述，卡驅(qū)動模塊的基本實(shí)現(xiàn)原理是：申請中斷資源，當(dāng)有插卡操作發(fā)生時，引發(fā)中斷，進(jìn)行讀卡操作。在拔卡操作時也能引發(fā)中斷，同時進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)處理。同時提供poll()函數(shù)接口，用戶可采用此函數(shù)對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)有卡操作發(fā)生時馬上進(jìn)行卡數(shù)據(jù)的更新。
注：驅(qū)動程序源碼見本刊網(wǎng)站W(wǎng)WW．dpj．tom．cn。5 驅(qū)動模塊開發(fā)的編譯調(diào)試 以開發(fā)平臺和編譯器為例編寫簡單的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)動模塊的動態(tài)編譯。 
    內(nèi)核提供了兩個應(yīng)用程序insmod和rmmod來實(shí)現(xiàn)內(nèi)核模塊的動態(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，0表示子設(shè)備號。
執(zhí)行命令insmod ic.o，可實(shí)現(xiàn)模塊動態(tài)加載；而命令rmmod ic可實(shí)現(xiàn)模塊的動態(tài)去除。

6 驅(qū)動模塊的靜態(tài)編譯進(jìn)內(nèi)核
    ①將模塊驅(qū)動源文件拷貝進(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)動模塊開發(fā)。內(nèi)核驅(qū)動模塊的開發(fā)是與硬件直接接觸的。針對硬件的不同，其內(nèi)部處理方法也千變?nèi)f化。對于內(nèi)核模塊開發(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，加入一些Linux的郵件開發(fā)組也將獲益匪淺。