ARM9和Linux的DS18B20驅(qū)動(dòng)程序研究

本文介紹了Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的類型和文件操作接口函數(shù)，以及驅(qū)動(dòng)程序的基本開發(fā)過程。以ARM9為平臺(tái)，基于Linux2.6.30開發(fā)DS18B20的驅(qū)動(dòng)程序，以模塊的形式加載到內(nèi)核，最后通過應(yīng)用層調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序，獲得溫度數(shù)據(jù)。


引言

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，基于ARM和Linux的嵌入式產(chǎn)品越來越多，DS18B20溫度采集傳感器在工業(yè)和生活上應(yīng)用廣泛，研究開發(fā)基于ARM9和Linux的DS18B20的驅(qū)動(dòng)程序可以滿足大部分溫度采集平臺(tái)的應(yīng)用。

1 Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)的開發(fā)過程

Linux操作系統(tǒng)通過各種驅(qū)動(dòng)程序來操作硬件設(shè)備，它屏蔽了各種設(shè)備，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和硬件之間的接口。從應(yīng)用程序來看，硬件只是一個(gè)設(shè)備文件，應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣操作硬件設(shè)備。

1.1設(shè)備的分類

Linux看待設(shè)備可區(qū)分為3種基本設(shè)備類型，分別為字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：

①字符設(shè)備：字符設(shè)備是一種可以當(dāng)作一個(gè)字節(jié)流來存取的設(shè)備，相當(dāng)于一個(gè)文件，字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)通常實(shí)現(xiàn)open、close、read和write系統(tǒng)調(diào)用；②塊設(shè)備：如同字符設(shè)備，塊設(shè)備通過位于/dev目錄的文件系統(tǒng)結(jié)點(diǎn)來存取，塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要通過傳輸固定大小的隨機(jī)數(shù)據(jù)來訪問設(shè)備，塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是核心內(nèi)存與其他存儲(chǔ)介質(zhì)之間的管道；③網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：網(wǎng)絡(luò)接口和一個(gè)已經(jīng)掛載的塊設(shè)備類似，網(wǎng)絡(luò)接口使用特定的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)注冊(cè)，與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)調(diào)用，與塊設(shè)備只響應(yīng)來自內(nèi)核的請(qǐng)求不同，Linux內(nèi)核的網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成完全與協(xié)議無關(guān)，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序異步地接收來自外界的數(shù)據(jù)包。

1.2字符設(shè)備開發(fā)過程

本項(xiàng)目開發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序都是字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，因此簡(jiǎn)單介紹字符設(shè)備的開發(fā)過程。

1.2.1重要的文件操作

接口函數(shù)file_operation file_operation是一個(gè)字符驅(qū)動(dòng)如何建立底層驅(qū)動(dòng)與應(yīng)用程序連接的結(jié)構(gòu)體，包含以下重要的函數(shù)接口：

①int（*open）（struct inode*，struct file*）：打開設(shè)備操作。

②ssize_t（*read）（struct file*，char__user*，size_t，loff_t*）：從設(shè)備中獲取數(shù)據(jù)，非負(fù)返回值代表成功讀取的字節(jié)數(shù)。

③ssize_t（*write）（struct file*，const char__user*，size_t，loff_t*）：發(fā)送數(shù)據(jù)給設(shè)備，非負(fù)返回值代表成功寫入的字節(jié)數(shù)。

④int（* ioctl）（struct inode*，struct file*，unsigned int，unsigned long）：系統(tǒng)調(diào)用提供了發(fā)出設(shè)備特定命令的方法。

1.2.2設(shè)備打開與關(guān)閉

open方法在應(yīng)用程序調(diào)用open（）系統(tǒng)調(diào)用時(shí)被調(diào)用，作用是打開設(shè)備；release方法在應(yīng)用程序調(diào)用close（）系統(tǒng)調(diào)用時(shí)被調(diào)用，作用是關(guān)閉設(shè)備。

1.2.3驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用程序交換

數(shù)據(jù)交換的方式最直接的方法是在struct file_operation中的read/write方法中與用戶空間的buffer進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換：unsigned long copy_to_user（void__user*to，const void*from，unsigned long count）：從內(nèi)核空間拷貝數(shù)據(jù)到用戶空間；unsigned long copy_from_user（void*to，const void__user*from，unsigned long count）：從用戶空間拷貝數(shù)據(jù)到內(nèi)核空間；1.2.4設(shè)備控制ioctl設(shè)備控制接口如下：①應(yīng)用程序調(diào)用接口：int ioctl（int fd，unsigned longcmd，…）：②設(shè)備驅(qū)動(dòng)的相應(yīng)接口：int（*ioctl）（struct inode*inode，struct file*filp，unsigned int cmd，unsigned long arg）。

應(yīng)用程序通過ioctl發(fā)送命令，從而調(diào)用驅(qū)動(dòng)接口的ioctl.因此，在Linux字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中主要實(shí)現(xiàn)open、read、write和ioctl函數(shù)分別對(duì)應(yīng)Linux系統(tǒng)調(diào)用的open、read、write和ioctl來完成數(shù)據(jù)交互和設(shè)備操作。

2溫度傳感器驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)

DS18B20采用獨(dú)特的單總線接口方式，每只DS18B20都有一個(gè)唯一存儲(chǔ)在ROM中的64位編碼。最前面8位是單線系列編碼：28H，接著的48位是一個(gè)唯一的序列號(hào)，最后8位是以上56位的CRC編碼。通過單線總線端口訪問DS18B20的協(xié)議如下：①初始化；②發(fā)送ROM操作指令；③發(fā)送DS18B20功能指令。

主要功能指令，如表1所列。

根據(jù)DS18B20的讀寫協(xié)議以及操作指令和功能指令，可以得出DS18B20的復(fù)位過程如圖1所示，寫操作流程如圖2所示，讀操作流程如圖3所示。

根據(jù)DS18B20復(fù)位、讀寫操作過程，利用Linux編寫DS18B20驅(qū)動(dòng)程序。過程描述如下。

（1）復(fù)位操作流程

①設(shè)總線為輸出模式；②向總線發(fā)送一個(gè)上升沿，保持高電平100 ms；③向總線發(fā)送一個(gè)下降沿，保持低電平800 ms；④向總線發(fā)送一個(gè)上升沿，延時(shí)100 ms；⑤設(shè)總線為輸入模式；⑥判斷總線狀態(tài)，如果為低電平，則復(fù)位成功。

（2）寫操作流程

①設(shè)總線為輸出模式，并設(shè)置8次循環(huán)；②向總線發(fā)送一個(gè)下降沿，保持低電平；③判斷寫入數(shù)據(jù)是0還是1，如果是1，則向總線發(fā)送一個(gè)上升沿，保持高電平；如果是0，則保持總線低電平不變；④延時(shí)60 ms，設(shè)總線為高電平，再延時(shí)15 ms；⑤循環(huán)操作步驟②～④；⑥設(shè)總線為高電平。

（3）讀操作流程

①設(shè)循環(huán)次數(shù)為8；②設(shè)總線為輸出，向總線發(fā)送一個(gè)下降沿，保持低電平，并延時(shí)1 ms；③向總線發(fā)送一個(gè)上升沿，并設(shè)為輸入；④讀總線狀態(tài)，并保存為1位，并延時(shí)60 ms；⑤循環(huán)操作步驟②～④，讀取1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。

（4）溫度讀寫過程

①循環(huán)判斷DS18B20直到復(fù)位，延時(shí)120ms；②寫入CCH命令，跳過讀序列號(hào)過程；③寫入44H命令，開始溫度轉(zhuǎn)換，延時(shí)5 ms；④循環(huán)判斷DS18B20直到復(fù)位，延時(shí)200 ms；⑤寫入CCH命令，跳過讀序列號(hào)過程；⑥寫入BEH命令，讀取寄存器；⑦讀溫度整數(shù)部分；⑧讀溫度小數(shù)部分。

（5）驅(qū)動(dòng)程序編寫

選定S3C2440一個(gè)GPIO引腳作為連接DS18B20的數(shù)據(jù)線，經(jīng)過查電路圖和S3C2440的芯片手冊(cè)，選擇GPF3為連接引腳；主要對(duì)GPF的控制寄存器GPFCON和數(shù)據(jù)寄存器GPFDAT進(jìn)行操作，GPF3主要對(duì)應(yīng)GPFCON第6位和第7位，以及GPFDAT的第3位進(jìn)行操作；對(duì)GPFCON[7：6]設(shè)00為輸人，設(shè)01為輸出；GPFDAT[3]設(shè)為輸入時(shí)，相應(yīng)的位即為引腳的狀態(tài)，設(shè)為輸出則可以對(duì)引腳進(jìn)行置1和置0操作；結(jié)合S3C2440的寄存器GPFCON和GPFDAT，以及DS18B20時(shí)序，可以利用C語言編寫Linux下驅(qū)動(dòng)程序，本驅(qū)動(dòng)程序采用實(shí)現(xiàn)read接口函數(shù)的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

3部分代碼

最后將data通過read接口函數(shù)發(fā)送到用戶層——copy_to_user（buf，data，2），即將8位整數(shù)和8位小數(shù)部分送到用戶層，完成一次數(shù)據(jù)讀取過程。

4系統(tǒng)運(yùn)行與測(cè)試

加載驅(qū)動(dòng)后，通過用戶層調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序，圖4為通過串口調(diào)試測(cè)試結(jié)果。

結(jié)語

完成了基于ARM9和Linux2.6.30的DS18B20驅(qū)動(dòng)程序編寫，實(shí)現(xiàn)了溫度數(shù)據(jù)的采集以及傳輸。以ARM9為平臺(tái)，基于Linux2.6.30開發(fā)DS18B20的驅(qū)動(dòng)程序，以模塊的形式加載到內(nèi)核，最后通過應(yīng)用層調(diào)用驅(qū)動(dòng)，獲得溫度數(shù)據(jù)。