基于華邦W90P710處理器的Linux內(nèi)核應(yīng)用及串口驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

嵌入式Linux是一種很受歡迎的操作系統(tǒng)，具有開放源碼、不存在黑箱技術(shù)、內(nèi)核小、功能強(qiáng)大、運(yùn)行穩(wěn)定、效率高、易于定制裁減等特點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用于工控產(chǎn)品。很多工控產(chǎn)品需要和外部設(shè)備進(jìn)行信息交換，而串口通信是最簡單快捷的實(shí)現(xiàn)方法。在不同的工控產(chǎn)品中，由于對所選用的串口元件或者串口通信的數(shù)據(jù)格式、波特率等有不同的需求,需要對串口驅(qū)動(dòng)進(jìn)行開發(fā)。華邦W90P710采用ARM的ARM7TDMI微處理器核心，采用?滋CLinux-2.4.20內(nèi)核，支持4組通用異步接收發(fā)送口(UART)，下面基于華邦W90P710的串口驅(qū)動(dòng)詳細(xì)分析串口驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)備通過串口對外通信。

1 華邦W90P710 UART介紹

華邦W90P710支持4組UART，串口的控制主要通過以下寄存器實(shí)現(xiàn)[2]：
(1)行寄存器（UART_LCR）：設(shè)置數(shù)據(jù)位長度、奇偶校驗(yàn)、停止位數(shù)。
(2)波特率除數(shù)寄存器（UART_DLL、UART_DLM）：波特率發(fā)生器的公式為：BaudOut=crystal clock/16×[Divisor +2]，Divisor為當(dāng)前波特率。
(3)Modem控制寄存器（UART_MCR）：控制RTS、CTS等信號。
(4)FIFO控制寄存器（UART_FCR）：設(shè)置FIFO的長度，復(fù)位FIFO等控制。
(5)接收超時(shí)寄存器（UART_TOR）：收到首個(gè)字節(jié)后接收器啟動(dòng)本超時(shí)，之后每收到一個(gè)字節(jié)后都會(huì)重置該值，在此超時(shí)時(shí)間內(nèi)不再收到數(shù)據(jù)時(shí)，接收器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)接收中斷。
(6)中斷控制器（UART_IER）：設(shè)置接收、發(fā)送、行中斷等。
在使用RXDn、TXDn前必須對GPIO進(jìn)行配置，使能RXDn、TXDn，串口才可正常運(yùn)行。GPIO配置對應(yīng)表如表1所示。


2 Linux系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)介紹

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機(jī)器硬件之間的接口。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閼?yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)，這樣在應(yīng)用程序看來，硬件設(shè)備只是一個(gè)設(shè)備文件，應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣對硬件設(shè)備進(jìn)行操作。同時(shí)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是內(nèi)核的一部分[3]。圖1所示為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口流程圖。

Linux系統(tǒng)的設(shè)備分為字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備三種。字符設(shè)備是指存取時(shí)沒有緩存的設(shè)備，只能順序讀寫。典型的字符設(shè)備包括鼠標(biāo)、鍵盤、串行口等；塊設(shè)備一般都有緩存來支持，并且塊設(shè)備必須能夠支持隨機(jī)存取。塊設(shè)備主要包括硬盤設(shè)備、CD-ROM等；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在Linux系統(tǒng)中用做專門的處理，Linux的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要是基于BSD Unix的socket機(jī)制[4]。

3 串口驅(qū)動(dòng)程序詳細(xì)介紹

一般來說，Linux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序包括驅(qū)動(dòng)程序的注冊和注銷、設(shè)備的打開和釋放、設(shè)備的讀寫操作、設(shè)備的控制操作、設(shè)備的中斷和輪詢處理等功能。下面就這些功能對串口驅(qū)動(dòng)進(jìn)行詳細(xì)說明。

(1)串口設(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括串口參數(shù)接收發(fā)送緩沖區(qū)等。串口參數(shù)包括波特率、數(shù)據(jù)位、數(shù)據(jù)起始位、奇偶校驗(yàn)、串口類型、發(fā)送緩沖區(qū)、接收緩沖區(qū)等，每個(gè)串口對應(yīng)一個(gè)如下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

typedef struct{
intbps;
intdatabits;
intstopbits;
intparity;
intsiotype;//串口參數(shù)
intopenflag;
intrecvTrigTimeout;
SIO_D_SEND_BUFFER*pSendBuf;//發(fā)送緩沖區(qū)
SIO_D_RECV_BUFFER*pRecvBuf;//接收緩沖區(qū)
struct fasync_struct *fasync_queue;
wait_queue_head_tread_wait;
}serial_dev;
static serial_dev serial_device;

(2)文件系統(tǒng)操作

入口函數(shù)對應(yīng)文件操作函數(shù)read ()、write()、ioctl()、open()、close()。
struct file_operations serial_fops = {
owner:THIS_MODULE,
poll:serial_poll,
read:serial_read,
write:serial_write,
ioctl:serial_ioctl,
open:serial_open,
release:serial_release,
};

(3)驅(qū)動(dòng)程序注冊和注銷。

驅(qū)動(dòng)程序在應(yīng)用前，需要在模塊初始化時(shí)將設(shè)備注冊到系統(tǒng)設(shè)備表中；不再使用時(shí)，將設(shè)備從系統(tǒng)中卸除。注冊包括初始化定時(shí)器、初始化串口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)serial_device和字符設(shè)備注冊。注銷時(shí)直接調(diào)用設(shè)備注銷函數(shù)[5]。
int __init topbandserial1_init(void)
{
init_timer(&timer);//初始化定時(shí)器結(jié)構(gòu)
memset(&serial_device, 0, sizeof(serial_device));
result=register_chrdev(SERIAL1_MAJOR, "serial1",
&serial_fops);
…
}

(4)串口設(shè)備打開包括分配串口的接收發(fā)送緩沖區(qū)及中斷注冊[5]。
static int serial_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
dev->pRecvBuf = kmalloc(sizeof(SIO_D_RECV_BUFFER), GFP_KERNEL);
request_irq(INT_UART1,serial_interrupt,SA_SHIRQ,
"TopbandSerial1",&serial_device)；
…
}

(5)串口設(shè)備釋放包括釋放內(nèi)存空間、注銷中斷和刪除定時(shí)器[5]。
static int serial_release(struct inode *inode, struct file *flip)
{
serial_dev *dev = flip->private_data;//釋放內(nèi)存空間
kfree(dev->fasync_queue);
CSR_WRITE(COM_IER_1, 0x00); /* 中斷禁止 */
free_irq(INT_UART1, dev); //注銷中斷
del_timer(&timer);//刪除定時(shí)器
MOD_DEC_USE_COUNT;
dev->openflag = 0;
…
}

(6)串口讀數(shù)據(jù)是指返回接收緩沖區(qū)中已收到的數(shù)據(jù)。讀取數(shù)據(jù)有兩種方式，阻塞方式和非阻塞方式。阻塞方式[6]中用戶程序執(zhí)行讀操作時(shí)如果沒有數(shù)據(jù)可讀，即讓read（）操作等待直到數(shù)據(jù)可讀；非阻塞方式中當(dāng)用戶執(zhí)行讀操作時(shí)，不論串口是否接收到數(shù)據(jù)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)xxx_read（）函數(shù)會(huì)立刻返回，read（）函數(shù)系統(tǒng)調(diào)用也隨即返回。
static int serial_read(struct file *filp, char *buf, size_t
count, loff_t *f_pos)
{
if(filp->f_flags & O_NONBLOCK)/非阻塞方式讀取
retsts = serial_nonblock_read(dev,buf,count);
else/*阻塞方式讀取*/
retsts = serial_block_read(dev,buf,count);
…
}

(7)串口寫數(shù)據(jù)包括把數(shù)據(jù)存放在發(fā)送緩沖區(qū)、啟動(dòng)硬件發(fā)送及發(fā)送中斷。當(dāng)發(fā)送第一個(gè)字節(jié)后，硬件會(huì)產(chǎn)生發(fā)送中斷，剩下的數(shù)據(jù)將在中斷處理程序中發(fā)送。
static int serial_write(struct file *filp, const char *buf,
size_t count, loff_t *f_pos)
{
copy_from_user(&pSendBuf->frameData[pSendBuf->
bufWritex].data[0],buf, count)；
CSR_WRITE(CMBOARD_GPIO_DATAOUT1,status1);
enable_tx_interrupt_1();
…
}

(8)串口控制包括設(shè)置串口波特率、奇偶校、停止位等，還可以定義其他特殊的控制。應(yīng)用程序通過ioctl（）調(diào)用把串口的參數(shù)傳遞給驅(qū)動(dòng)程序，驅(qū)動(dòng)程序再通過對硬件串口控制寄存器進(jìn)行設(shè)置，來滿足應(yīng)用層用戶要求。

static int serial_ioctl(struct inode *inode, struct file *flip,
unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
switch(cmd){
case SERIAL_IOC_BPS:
…
break;
case SERIAL_IOC_SENDBUF:
…
break;
}
}

(9)中斷處理包括對接收中斷、發(fā)送中斷、異常中斷的處理。讀取中斷寄存器的狀態(tài)，根據(jù)不同的中斷類型分別處理。當(dāng)收到數(shù)據(jù)時(shí)，硬件會(huì)產(chǎn)生接收中斷，驅(qū)動(dòng)程序把串口的數(shù)據(jù)讀取出來，放在接收緩沖區(qū)中，直到所有數(shù)據(jù)讀取完成；當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，硬件會(huì)產(chǎn)生發(fā)送中斷，驅(qū)動(dòng)程序把發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，直到所有數(shù)據(jù)發(fā)送完成；當(dāng)串口接收或發(fā)送發(fā)生異常時(shí)，會(huì)產(chǎn)生異常中斷，驅(qū)動(dòng)程序根據(jù)情況把串口重新初始化，以便串口恢復(fù)正常。

static void serial_interrupt(int irq, void * dev_id,
struct pt_regs *regs)
{
status = CSR_READ(COM_IIR_1);
while(status & UART_IIR_STATUS_NO) == 0)
{
switch(status)
{
case UART_IIR_STATUS_RDA:
case UART_IIR_STATUS_TOUT:
receive_chars(dev,status);
break;
case UART_IIR_THRE:
transmit_chars(dev);
break;
}
status = CSR_READ(COM_IIR_1);
}
}

(10)定時(shí)器處理。中斷接收程序只負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)讀取到緩沖區(qū)，并沒有指示緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)可被用戶使用，這時(shí)需要在超時(shí)程序中把可用標(biāo)志置上，當(dāng)用戶調(diào)用read（）函數(shù)時(shí)就可把接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)返回。

static void serial_timer(unsigned long dummy)
{
…
serial_device.pRecvBuf->frameData
[serial_device.pRecvBuf->bufWritex].finished = 1;
mod_timer(&timer,jiffies+2);/* 20 ms 進(jìn)一次 */
}

通過以上幾個(gè)函數(shù)的處理，實(shí)現(xiàn)了串口的驅(qū)動(dòng)。

4 驅(qū)動(dòng)程序編譯進(jìn)Linux內(nèi)核

以下以UART1為例，介紹驅(qū)動(dòng)程序編譯進(jìn)Linux內(nèi)核的過程，步驟如下：

(1)添加主次設(shè)備號。

主次設(shè)備號用來標(biāo)識一個(gè)具體設(shè)備。主設(shè)備號用于標(biāo)識設(shè)備類型，每種類型的設(shè)備需要一個(gè)對應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。一個(gè)主設(shè)備可以有多個(gè)具體的設(shè)備與之對應(yīng)。次設(shè)備號用于區(qū)分使用同種驅(qū)動(dòng)程序的同類設(shè)備中多個(gè)不同的設(shè)備實(shí)例[7]。

在W90P710-?滋Clinux/?滋Clinux-distlinux-2.4.x/include/
linux目錄下的major.h中定義主設(shè)備號，添加如下代碼：
#define SERIAL1_MAJOR230
在W90P710-?滋Clinux/?滋Clinux-dist/vendors/Winbond/W90P710目錄下的makefile中建立設(shè)備主次設(shè)備號(主設(shè)備號為230，次設(shè)備號為1)，添加如下代碼：
serial1,c,230,1

(2)在W90P710-?滋Clinux/?滋Clinux-dist/linux-2.4.x/drivers/char目錄下的makefile中添加如下代碼：

obj-$(CONFIG_TOPBAND_SERIAL1)+=w90p710_serial_1.o

(3)在W90P710-?滋Clinux/?滋Clinux-dist/linux-2.4.x/drivers/char目錄下的config.in字符設(shè)備段中添加如下代碼：

#if [ "$CONFIG_TOPBAND_SERIAL1" = "y" ]; then
bool ‘Topband serial1 support‘ CONFIG_TOPBAND_
SERIAL1
#fi

(4)在W90P710-?滋Clinux/?滋Clinux-dist目錄下運(yùn)行make menuconfig，在menuconfig的字符設(shè)備選項(xiàng)中可以看見剛剛添加的“CONFIG_TOPBAND_SERIAL1”選項(xiàng)，選上該項(xiàng)。使用make dep、 make clean、make三個(gè)命令編譯Linux內(nèi)核，生成內(nèi)核文件linux.bin[8]。

(5)在W90P710-?滋Clinux/romdisk/dev目錄下創(chuàng)建設(shè)備文件，輸入命令：
mknod serial1 c 230 1
生成設(shè)備文件“serial1”，應(yīng)用程序通過使用“/dev/ serial1”這個(gè)設(shè)備文件名就可對串口進(jìn)行操作。

最后編寫簡單的串口測試程序，編譯生成鏡像文件；再把鏡像文件romfs.img和內(nèi)核文件linux.bin下載到開發(fā)板，把開發(fā)板的串口和PC機(jī)相連，PC機(jī)端使用串口調(diào)試工具發(fā)送測試數(shù)據(jù)，開發(fā)板能正確收發(fā)數(shù)據(jù)。

本文按驅(qū)動(dòng)程序的功能詳細(xì)介紹了W90P710微處理器實(shí)現(xiàn)串口驅(qū)動(dòng)的方法，串口驅(qū)動(dòng)程序是很典型的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，其他字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)和串口的實(shí)現(xiàn)方法是相同的，這對開發(fā)其他字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序有一定的借鑒作用。