基于S3C2410的觸摸屏驅(qū)動程序設(shè)計

　引言

　　隨著信息家電和通訊設(shè)備的普及，作為與用戶交互的終端媒介，觸摸屏在生活中得到廣泛的應(yīng)用。如何在系統(tǒng)中集成觸摸屏模塊以及在嵌入式操作系統(tǒng)中實現(xiàn)其驅(qū)動程序，都成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計者需要考慮的問題。本文主要介紹在三星S3C2410X微處理器的硬件平臺上進行基于嵌入式Linux的觸摸屏驅(qū)動程序設(shè)計。

　　硬件實現(xiàn)方案

　　SPI接口是Motorola推出的一種同步串行接口，采用全雙工、四線通信系統(tǒng)，S3C2410X是三星推出的自帶觸摸屏接口的arm920T內(nèi)核芯片，ADS7843為Burr-Brown生產(chǎn)的一款性能優(yōu)異的觸摸屏控制器。本文采用SPI接口的觸摸屏控制器ADS7843外接四線電阻式觸摸屏，這種方式最顯著的特點是響應(yīng)速度更快、靈敏度更高，微處理器與觸摸屏控制器間的通訊時間大大減少，提高了微處理器的效率。ADS7843與S3C2410的硬件連接如圖1所示，鑒于ADS7843差分工作模式的優(yōu)點，在硬件電路中將其配置為差分模式。

圖1 觸摸屏輸入系統(tǒng)示意圖

　　嵌入式Linux系統(tǒng)下的驅(qū)動程序

　　設(shè)備驅(qū)動程序是Linux內(nèi)核的重要組成部分，控制了操作系統(tǒng)和硬件設(shè)備之間的交互。Linux的設(shè)備管理是和文件系統(tǒng)緊密結(jié)合的，各種設(shè)備都以文件的形式存放在/dev目錄下，成為設(shè)備文件。應(yīng)用程序可以打開、關(guān)閉、讀寫這些設(shè)備文件，對設(shè)備的操作就像操作普通的數(shù)據(jù)文件一樣簡便。為開發(fā)便利、提高效率，本設(shè)計采用可安裝模塊方式開發(fā)調(diào)試觸摸屏驅(qū)動程序。

　　設(shè)備驅(qū)動在加載時首先需要調(diào)用入口函數(shù)init_module()，該函數(shù)完成設(shè)備驅(qū)動的初始化工作。其中最重要的工作就是向內(nèi)核注冊該設(shè)備，對于字符設(shè)備調(diào)用register_chrdev()完成注冊，對于塊設(shè)備需要調(diào)用register_blkdev()完成注冊。注冊成功后，該設(shè)備獲得了系統(tǒng)分配的主設(shè)備號、自定義的次設(shè)備號，并建立起與文件系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)。字符設(shè)備驅(qū)動程序向Linux內(nèi)核注冊登記時，在字符設(shè)備向量表chrdevs中增加一個device_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)條目，這個設(shè)備的主設(shè)備標識符用作這個向量表的索引。向量表中的每一個條目，即一個device_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括兩個元素：一個登記的設(shè)備驅(qū)動程序的名稱的指針和一個指向一組文件操作的指針。這塊文件操作本身位于這個設(shè)備的字符設(shè)備驅(qū)動程序中，每一個都處理特定的文件操作，比如打開、讀寫和關(guān)閉。所謂登記，就是將由模塊提供的file_operations結(jié)構(gòu)指針填入device_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)組的某個表項。登記以后，位于上層的模塊(內(nèi)核)可以“看見”這個模塊了。但是，應(yīng)用程序卻還不能“看見”它，因而還不能通過系統(tǒng)調(diào)用它。要使應(yīng)用程序能“看見”這個模塊或者它所驅(qū)動的設(shè)備，就要在文件系統(tǒng)中為其創(chuàng)建一個代表它的節(jié)點。通過系統(tǒng)調(diào)用mknod()創(chuàng)建代表此項設(shè)備的文件節(jié)點——設(shè)備入口點，就可使一項設(shè)備在系統(tǒng)中可見，成為應(yīng)用程序可以訪問的設(shè)備。另外，設(shè)備驅(qū)動在卸載時需要回收相應(yīng)的資源，令設(shè)備的相應(yīng)寄存器值復(fù)位并從系統(tǒng)中注銷該設(shè)備。

　　Linux操作系統(tǒng)通過系統(tǒng)調(diào)用和硬件中斷完成從用戶空間到內(nèi)核空間的控制轉(zhuǎn)移。設(shè)備驅(qū)動模塊的功能就是擴展內(nèi)核的功能，主要完成兩部分任務(wù)：一個是系統(tǒng)調(diào)用，另一個是處理中斷。圖2是一個設(shè)備驅(qū)動模塊動態(tài)掛接、卸載和系統(tǒng)調(diào)用的全過程。系統(tǒng)調(diào)用部分則是對設(shè)備的操作過程，比如open，read，write，ioctl等操作，設(shè)備驅(qū)動程序所提供的這組入口點由幾個結(jié)構(gòu)向系統(tǒng)進行說明，分別是file_operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、inode數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和file 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。內(nèi)核內(nèi)部通過file結(jié)構(gòu)識別設(shè)備，通過file_operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提供文件系統(tǒng)的入口點函數(shù)，也就是訪問設(shè)備驅(qū)動的函數(shù)，結(jié)構(gòu)中的每一個成員都對應(yīng)著一個系統(tǒng)調(diào)用。在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)中，我們一般僅僅實現(xiàn)其中幾個接口函數(shù)：read、write、open、ioctl及release就可以完成應(yīng)用系統(tǒng)需要的功能。寫驅(qū)動程序的任務(wù)之一就是完成file_operations中的函數(shù)指針。

　　觸摸屏驅(qū)動程序設(shè)計

　　觸摸屏驅(qū)動程序中重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　typedef struct {

　　unsigned short pressure;

　　unsigned short x;

　　unsigned short y;

　　unsigned short pad;

　　} TS_RET;

　　typedef struct {

　　unsigned int PenStatus;

　　TS_RET buf[MAX_TS_BUF];

　　unsigned int head, tail;

　　wait_queue_head_t wq;

　　spinlock_t lock;

　　} TS_DEV;

　　static struct file_operations s3c2410_fops = {

　　owner: THIS_MODULE,

　　open: s3c2410_ts_open,

　　read: s3c2410_ts_read,   release: s3c2410_ts_release,

　　poll: s3c2410_ts_poll,    };

　　在程序中有三個重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：用于表示筆觸點數(shù)據(jù)信息的結(jié)構(gòu)TS_RET，表示ADS7843中有關(guān)觸摸屏控制器信息的結(jié)構(gòu)TS_DEV，以及驅(qū)動程序與應(yīng)用程序的接口file_operations結(jié)構(gòu)的s3c2410_fops。

　　TS_RET結(jié)構(gòu)體中的信息就是驅(qū)動程序提供給上層應(yīng)用程序使用的信息，用來存儲觸摸屏的返回值。上層應(yīng)用程序通過讀接口，從底層驅(qū)動中讀取信息，并根據(jù)得到的值進行其他方面的操作。

　　TS_DEV結(jié)構(gòu)用于記錄觸摸屏運行的各種狀態(tài)，PenStatus包括PEN_UP、PEN_DOWN和PEN_FLEETING。buf[MAX_TS_BUF]是用來存放數(shù)據(jù)信息的事件隊列，head、tail分別指向事件隊列的頭和尾。程序中的筆事件隊列是一個環(huán)形結(jié)構(gòu)，當(dāng)有事件加入時，隊列頭加一，當(dāng)有事件被取走時，隊列尾加一，當(dāng)頭尾位置指針一致時讀取筆事件的信息，進程會被安排進入睡眠。wq等待隊列，包含一個鎖變量和一個正在睡眠進程鏈表。當(dāng)有好幾個進程都在等待某件事時，Linux會把這些進程記錄到這個等待隊列。它的作用是當(dāng)沒有筆觸事件發(fā)生時，阻塞上層的讀操作，直到有筆觸事件發(fā)生。lock使用自旋鎖，自旋鎖是基于共享變量來工作的，函數(shù)可以通過給某個變量設(shè)置一個特殊值來獲得鎖。而其他需要鎖的函數(shù)則會循環(huán)查詢鎖是否可用。MAX_TS_BUF的值為16，即在沒有被讀取之前，系統(tǒng)緩沖區(qū)中最多可以存放16個筆觸數(shù)據(jù)信息。

　　s3c2410_fops就是內(nèi)核對驅(qū)動的調(diào)用接口，完成了將驅(qū)動函數(shù)映射為標準接口。上面的這種特殊表示方法不是標準C的語法，而是GNU編譯器的一種特殊擴展，它使用名字進行結(jié)構(gòu)字段的初始化，它的好處體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)清晰，易于理解，并且避免了結(jié)構(gòu)發(fā)生變化帶來的許多問題。

　　init_module函數(shù)

　　這是模塊的入口函數(shù)。在函數(shù)內(nèi)部通過s3c2410_ts_init( )實現(xiàn)模塊的初始化工作。在本設(shè)計中設(shè)備與系統(tǒng)之間以中斷方式進行數(shù)據(jù)交換。整個觸摸屏的驅(qū)動程序處理比較復(fù)雜，而且耗時較長，因而觸摸屏驅(qū)動程序不可能在中斷服務(wù)程序中完成。在Linux操作系統(tǒng)中一般把中斷處理切為兩個部分或兩半。中斷處理程序是上半部——接收到一個中斷，它就立即開始執(zhí)行，但只做有嚴格時限的工作，例如對接收的中斷進行應(yīng)答或復(fù)位硬件。這些工作都是在所有中斷被禁止的情況下完成的，能夠被允許稍后完成的工作會推遲到下半部去。在Linux中下半部的實現(xiàn)有多種機制。按觸摸屏?xí)r，從ADS7843輸出的數(shù)值有一個抖動過程，即從ADS7846輸出的數(shù)值有一個不穩(wěn)定時期，這個過程大約為10ms。所以中斷處理程序的下半部處理函數(shù)采用內(nèi)核定時器機制，使下半部在中斷發(fā)生50ms后再作處理。這樣有效地避開了ADS7843輸出值的不穩(wěn)定時期，使中斷服務(wù)程序和中斷處理任務(wù)串行化，達到了處理時間較長的觸摸屏事件的目的。驅(qū)動程序通過request_irq函數(shù)注冊并激活一個中斷處理程序，以便處理中斷。

圖2 設(shè)備驅(qū)動在內(nèi)核中的掛接、卸載和系統(tǒng)調(diào)用過程

　　int reguest_irq(unsigned int irq, void(*handler)(int, void *, struct pt_regs *), unsigned long irq_flags, const char *dev_name, void *dev_id)

　　參數(shù)irq表示所要申請的中斷號；handler為向系統(tǒng)登記的中斷處理子程序，中斷產(chǎn)生時由系統(tǒng)來調(diào)用；dev_name為設(shè)備名；dev_id為申請時告訴系統(tǒng)的設(shè)備標識符；irq_flags是申請時的選項，它決定中斷處理程序的一些特性，其中最重要的是中斷處理程序是快速處理程序還是慢速處理程序。[!--empirenews.page--]

　　本設(shè)計中觸摸屏控制器ADS7843的中斷輸出通過外部中斷5接在中斷控制器上，當(dāng)觸摸屏上有觸摸事件發(fā)生時，會引發(fā)中斷號為IRQ_EINT5的中斷服務(wù)程序s3c2410_isr_tc()。圖3所示為該中斷處理程序的流程圖。

圖3 觸摸屏硬件中斷處理程序流程圖

　　在s3c2410_isr_tc()中設(shè)定了定時器的定時時間為50ms，并立即激活。因此有觸摸屏硬件中斷的情況下50ms后就會引發(fā)定時中斷，中斷服務(wù)程序為ts_timer_handler()，這個程序?qū)崿F(xiàn)了觸摸屏中斷的下半部，即在過了抖動時間之后如果觸摸屏確實有有效事件發(fā)生則采集觸摸屏坐標，并將定時器的時間重新設(shè)為100ms并重新激活，這樣做的目的是如果觸摸筆是拖動的情況，以后每100ms采集一次坐標值，并存入緩沖區(qū)，如果不是拖動在采集一次坐標值之后，在第二次進入ts_timer_handler()時，查詢管腳的狀態(tài)值，則變?yōu)楦唠娖?，就將觸摸屏狀態(tài)tsdev.PenStatus設(shè)為PEN_UP，并釋放定時器，為下次觸摸屏事件做好準備，定時中斷服務(wù)程序流程圖如圖4所示。

圖4 定時中斷服務(wù)程序流程圖

　　在s3c2410_ts_init()中的另一個重要任務(wù)是執(zhí)行接口函數(shù)s3c2410_ts_open()，在這個函數(shù)中初始化緩沖區(qū)的頭尾指針、觸摸屏狀態(tài)變量及觸摸屏事件等待隊列。

　　module_exit()

　　該函數(shù)調(diào)用s3c2410_ts_exit()，主要任務(wù)是撤銷驅(qū)動程序向內(nèi)核的登記以及釋放申請的中斷資源。

　　接口函數(shù)s3c2410_ts_read( )

　　這個函數(shù)實現(xiàn)的任務(wù)是將事件隊列從設(shè)備緩存中讀到用戶空間的數(shù)據(jù)緩存中。實現(xiàn)的過程主要是通過一個循環(huán)，只有在事件隊列的頭、尾指針不重合時，才能成功的從tsdev.tail指向的隊列尾部讀取到一組觸摸信息數(shù)據(jù)，并退出循環(huán)。否則調(diào)用讀取函數(shù)的進程就要進入睡眠。

　　坐標讀取函數(shù)s3c2410_get_XY()

　　在定時器中斷處理程序中，當(dāng)查詢到與相連的EINT5/GPF5為低電平時，即表示有有效事件，應(yīng)該調(diào)用s3c2410_get_XY()函數(shù)采集筆觸信息。

　　ADS7843有多種轉(zhuǎn)換時序，時序規(guī)定了芯片與設(shè)備及CPU間是如何配合工作的。設(shè)計中采用16個時鐘周期啟動一次轉(zhuǎn)換的坐標轉(zhuǎn)換方式。ADS7843的操作時序如圖5所示。坐標的讀取是通過多次采集取平均值的方法，以X坐標的讀取為例，其讀取過程如圖6所示。循環(huán)過程中的每一步都在8個時鐘周期內(nèi)完成，數(shù)據(jù)的處理嚴格按照時序進行，Y坐標的采集與X坐標類似。

圖5 ADS7843操作時序

圖6 X坐標采集流程

　　結(jié)語

　　在觸摸屏的設(shè)計中，抗干擾設(shè)計是難點和重點，直接關(guān)系到觸摸屏的工作性能。實驗發(fā)現(xiàn)坐標采集時，丟棄第一次采集值讀取的坐標轉(zhuǎn)換值效果較好。本文所介紹的驅(qū)動程序已經(jīng)在博創(chuàng)公司的教學(xué)實驗設(shè)備UP-NETarm2410-S平臺上經(jīng)過實際驗證，從數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和系統(tǒng)負載的角度看，效果良好。同時通過修改程序內(nèi)部的定時器時鐘頻率可以改變筆在屏上移動所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量。