基于S3C2440和嵌入式Linux的擴(kuò)展串口設(shè)計(jì)

摘要：在嵌入式系統(tǒng)常需用到多個(gè)串口，但常用的ARM微控制器上只有3個(gè)串口，常常不能滿足需要。針對(duì)TQ2440開發(fā)板的特點(diǎn)，介紹了在TQ2440開發(fā)板中利用TL16C554A芯片來擴(kuò)展串口的方案，并給出了硬件原理圖和部分程序。詳細(xì)闡述了S3C2440芯片與TL16C554芯片之間的接口設(shè)計(jì)和擴(kuò)展串口驅(qū)動(dòng)程序的移植。最后對(duì)串口進(jìn)行了測(cè)試，使Linux系統(tǒng)的啟動(dòng)信息通過擴(kuò)展串口顯示出來。
關(guān)鍵詞：S3C2440；TL16C554A；擴(kuò)展串口；ARM9嵌入式系統(tǒng)；TQ2440開發(fā)板

    隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，以及現(xiàn)場(chǎng)總線等技術(shù)的廣泛使用，串口通訊在各種場(chǎng)合的應(yīng)用越來越廣泛。在集中控制系統(tǒng)中，需要在多個(gè)串口間進(jìn)行通信，而在一般計(jì)算機(jī)上，只有1～3個(gè)串口，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多點(diǎn)的控制，需要對(duì)串口進(jìn)行擴(kuò)展。
    ARM芯片是目前在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用比較廣泛的一種芯片，由于可以運(yùn)行操作系統(tǒng)，以及擁有包括LCD、串口通訊、網(wǎng)絡(luò)通訊、存儲(chǔ)芯片等大量外圍接口芯片的支持，使得ARM廣泛應(yīng)用于檢測(cè)、通訊、控制等領(lǐng)域。
    本文以ARM 920T核的S3C24449芯片作為微控制器，在TQ2440開發(fā)板進(jìn)行串口擴(kuò)展，利用開發(fā)板上的系統(tǒng)總線接口和通用輸入輸出接口分別與擴(kuò)展串口相連，達(dá)到同時(shí)與多臺(tái)串口設(shè)備并行通信的目標(biāo)。

1 硬件介紹
1．1 異步通信芯片——TL16C554A
    TL16C554A含有4路異步通信單元(Asynchronous Communications Element ACE)，每路ACE均可接收外圍設(shè)備的串行數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)供CPU使用，也可將CPU的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)發(fā)送到外圍設(shè)備。
    TL16C554A引腳如圖1所示。各主要引腳的功能說明如下：A0—A2用于選擇片內(nèi)寄存器；D0—D7進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；IOR和IOW進(jìn)行讀寫；CSA，CSB，CSC，CSD用于選定具體串口；XTAL1，XTAL2可接晶振或外部時(shí)鐘信號(hào)；INTA，INTB，INTC，INTD為4個(gè)獨(dú)立外部中斷信號(hào)；RXA，RXB，RXC，RXD：串行接收數(shù)據(jù)；TXA，TXB，TXC，TXD：串行發(fā)送數(shù)據(jù)。

1．2 系統(tǒng)總線接口、GPIO接口
    TQ2440開發(fā)板以S3C2440芯片作為控制器，主頻400MHz，外擴(kuò)64 M內(nèi)存，256 M閃存，并集成了多種接口，本設(shè)計(jì)中使用開發(fā)板上的系統(tǒng)總線接口與GPIO(通用輸入輸出接口)和TL16c554A相連。[!--empirenews.page--]
1．2．1 系統(tǒng)總線接口
    本開發(fā)板上的系統(tǒng)總線接口中共包含8根地址線(A0～A6，A24)，16根數(shù)據(jù)線(DATA0～DATA15)，4個(gè)中斷，4個(gè)片選等信號(hào)，該總線接口集成了IDE所需的所有引出點(diǎn)，方便用戶擴(kuò)展，接口電路如圖2所示。

1．2．2 GPIO接口
    GPIO是通用輸入輸出口的簡(jiǎn)稱，本開發(fā)板帶有一個(gè)40Pin 2．0 mm間距的GPIO接口，如圖3所示。不僅包含很多富余的GPIO引腳，還包含了一些其他CPU引腳，如AIN0～AIN3，CLKOUT等。如SPI接口、I2C接口、LED1～LED4(實(shí)際就是GPB5～GPB8)，它們其實(shí)也是GPIO，不過是以特殊功能接口來標(biāo)稱定義的，這些都可以通過相應(yīng)的CPU寄存器來設(shè)置更改它們的用途。

2 硬件設(shè)計(jì)
    在硬件設(shè)計(jì)中，將TQ2440開發(fā)板擴(kuò)展口的地址線ADDR0，ADDR1，ADDR2與16C554A的A0，A1，A2直接相連，TL16C554A芯片A0，A1，A2的不同的組合代表芯片內(nèi)不同的寄存器。
    在與TL16C554A的連接中，由于TL16C554A只有8位，只需TL16C554A的D0～D7和開發(fā)板的DATA0～DATA7相連。讀寫信號(hào)直接相連(開發(fā)板的nOE、nWE分別與串口的IOE、IOW直連)。由于16C554芯片啟動(dòng)要有一定的寬度的脈沖，可以從GPA 12輸出一定的寬度的脈沖來完成。
    每片16C554A可以將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)和4個(gè)串行端口的數(shù)據(jù)進(jìn)行相互的轉(zhuǎn)化，兩片16C554A芯片共有8個(gè)串行口，通過3根地址線ADDR4，ADDR5，ADDR24經(jīng)過74LS138選擇8個(gè)串口中的任意一個(gè)。[!--empirenews.page--]
    因?yàn)榉桨覆捎弥袛喾绞?，所以將NSEL置高位，即允許芯片中斷。16C554A有INTA、INTB、INTC、IN TD4個(gè)中斷線，第一片擴(kuò)展串口與系統(tǒng)總線的EINT1，EINT2，EINT5，EINT6相連，第二片擴(kuò)展串口與GPIO中的EINT11，EINT13，EINT15，EIN39中斷相連，使得任一片芯片的任意的端口都能產(chǎn)生中斷。
    S3C2440的A0，A1，A2，A4，A5，A24通過不同組合可以選擇8個(gè)不同的端口。nGCS5與74LS138譯碼器片選腳相連，根據(jù)S3C2440對(duì)地址空間的定義，這樣就確定了第一片16C554A擴(kuò)展芯片4個(gè)端口的訪問地址為0X28000000，0X28000010，0X28000020，0X28000030，第二片16C554A擴(kuò)展芯片4個(gè)端口的訪問地址為0X29000000，0X29000010，0X29000020，0X29000030，根據(jù)端口基地址就可以確定片內(nèi)的各個(gè)寄存器地址。具體連接如圖4所示。

3 驅(qū)動(dòng)程序移植
    軟件設(shè)計(jì)主要是為設(shè)備編寫驅(qū)動(dòng)程序。設(shè)備驅(qū)動(dòng)是介于硬件和操作系統(tǒng)之間的軟件接口，主要功能包括：探測(cè)和初始化設(shè)備；從設(shè)備接收數(shù)據(jù)并提交給內(nèi)核；從內(nèi)核接收數(shù)據(jù)送到設(shè)備；檢測(cè)和處理設(shè)備錯(cuò)誤。
    串口驅(qū)動(dòng)程序從上到下分為4層：終端設(shè)備層、行規(guī)程、串口抽象層、串口芯片層。其中，串口芯片層與具體的芯片相關(guān)，主要是向串口抽象層提供串口芯片所用的資源，還進(jìn)行一些與芯片相關(guān)的設(shè)置。
    TL16C554A擴(kuò)展串口芯片屬于標(biāo)準(zhǔn)串口，內(nèi)核的串口驅(qū)動(dòng)程序?qū)λС炙尿?qū)動(dòng)程序就是Linux內(nèi)核代碼中的driver／seria／8250．c．入口函數(shù)是serial8250_init，它用于向串口抽象層提供注冊(cè)串口的物理信息。串口的物理信息主要有兩類：訪問地址和中斷號(hào)。所以只要設(shè)置好這兩類物理信息，就可以驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展串口了，圖5為驅(qū)動(dòng)程序移植流程。

3．1 構(gòu)建擴(kuò)展串口的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
    串口的物理信息存儲(chǔ)在內(nèi)核源程序arch／arm／plats3c24xx／common-smdk．c中，所以主要工作是在commonsmdk．c源文件中增加三段代碼：
    1)增加頭文件
    源程序中要包含頭文件linux／serial_8250．h，用于告訴編譯器使用8250．c作為擴(kuò)展串口的源程序；[!--empirenews.page--]
    2)增加串口的物理信息
    在common-smdk．c文件中增加8個(gè)元素的structplat_serial8250_port結(jié)構(gòu)數(shù)組，并加入數(shù)據(jù)項(xiàng)，如每個(gè)串口使用的物理地址和中斷號(hào)等信息，使系統(tǒng)啟動(dòng)后能找到串口。下面以第1片TL16c554A的第1個(gè)串口CSA為例說明如何在源程序中添加數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

   
    3)加入內(nèi)核設(shè)備列表中
    把串口設(shè)備(s3c_deviee_8250代表TL16c550A芯片)加入到內(nèi)核的platform_device結(jié)構(gòu)中
    static struct platform_device_initdata*smdk_devs[]={ &s3c_device_8250，}；

3．2 增加開發(fā)板代碼使串口可用
    主要修改drivers／serial／8250．c文件，使BANK5以8位的位寬訪問TL16c554A芯片，并指定芯片的中斷觸發(fā)方式。
    1)增加頭文件asm／areh-s3c2410／regs-mem．h，定位TL16c554A所在的地址空間；
    2)設(shè)置存儲(chǔ)控制器的BANK5的位寬(8位)
    在serial8250_init(void)初始化函數(shù)中把存儲(chǔ)控制器的位寬寄存器設(shè)為0X22011110；
    3)指定中斷觸發(fā)方式
    因?yàn)門L160554A的中斷信號(hào)INTA、INTB、INTC、INTD為高電平有效，所以需將INTA、INTB、INTC、INTD上升沿觸發(fā)，在調(diào)用中斷函數(shù)req-uest_irq前應(yīng)設(shè)置中斷標(biāo)志為IRQF_TRIGGER_RISING。
3. 3 增加內(nèi)核配置項(xiàng)
    在內(nèi)核源代碼的driver／serial／Kconfig中增加config條目CONFIG_SERIAL_EXTEND_S3C24XX，內(nèi)核編譯時(shí)選定該選項(xiàng)可以把驅(qū)動(dòng)程序編譯進(jìn)系統(tǒng)中。

4 測(cè)試擴(kuò)展串口
    測(cè)試的工作包括編譯內(nèi)核、在根文件系統(tǒng)中增加設(shè)備文件、修改系統(tǒng)初始化腳本、測(cè)試擴(kuò)展串口幾個(gè)步驟。圖6為串口測(cè)試流程圖。

    1)配置、編譯內(nèi)核
    配置內(nèi)核時(shí)增加配置選項(xiàng)CONFIG_SERIAL_EXTEND_S3C24XX，執(zhí)行“make uImage”命令，編譯內(nèi)核。
    2)修改根文件系統(tǒng)
    在Linux系統(tǒng)中通過設(shè)備文件來訪問具體的物理設(shè)備，故使用mknod命令，增加ttyS0，ttyS1，…，ttyS7設(shè)備文件，分別對(duì)應(yīng)兩片TL16c554A的8個(gè)串口。命令格式如下：
    # mknod／dev／ttyS0 c 4 64
    3)修改配置文件
    在／etc／inittab配置文件中添加ttyS0：：askfirat：-／bin／sh
    4)測(cè)試
    把第一個(gè)串口與主機(jī)相連，設(shè)置U-Boot的啟動(dòng)參數(shù)為：noinitrd root=／dev／mtdblock2 init=／linuxrc console=ttyS0，重新啟動(dòng)開發(fā)板，就能在超級(jí)終端下看到linux系統(tǒng)啟動(dòng)信息了。

5 結(jié)束語
    本文提供了在原有TQ2440開發(fā)板中擴(kuò)展8個(gè)串口，采用中斷服務(wù)的方案，提高了ARM9系統(tǒng)運(yùn)行效率。在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步擴(kuò)大，將串口擴(kuò)展到12個(gè)、16個(gè)或者更多。