基于ARM9的Linux嵌入式字符驅(qū)動(dòng)GPIO設(shè)計(jì)

劉 進(jìn)，肖克亮，鄧 睿

（貴州省電子工業(yè)研究所 貴州 貴陽(yáng) 550004）

隨著嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，各種嵌入式平臺(tái)紛紛涌現(xiàn)，ARM9作為新一代嵌入式平臺(tái)憑借其強(qiáng)大的功能與良好的設(shè)備支持受到了普遍的關(guān)注。它采用5級(jí)流水線，具有指令和數(shù)據(jù)Cache，支持協(xié)處理器和片上調(diào)試。在數(shù)據(jù)通信、多媒體顯示和手持計(jì)算等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其最大的優(yōu)勢(shì)在于支持Linux操作系統(tǒng)，對(duì)Linux源代碼的移植和開(kāi)發(fā)提供了很好的平臺(tái)，所以在ARM基礎(chǔ)之上發(fā)展的嵌入式Linux操作系統(tǒng)層出不窮。本文主要研究和實(shí)現(xiàn)基于ARM9的Linux嵌入式字符驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)流程，同時(shí)利用QT4界面的開(kāi)發(fā)完成LED燈與蜂鳴器的開(kāi)關(guān)，從而對(duì)已開(kāi)發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行測(cè)試。

1 嵌入式系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)

設(shè)備驅(qū)動(dòng)是操作系統(tǒng)和輸入輸出設(shè)備間的粘合劑，負(fù)責(zé)將操作系統(tǒng)的請(qǐng)求傳輸，并且轉(zhuǎn)化為物理設(shè)備控制器能夠理解的指令[4]。它直接與硬件設(shè)備打交道，向上層提供訪問(wèn)的函數(shù)接口。在linux系統(tǒng)中通常是利用設(shè)備文件的概念統(tǒng)一設(shè)備的訪問(wèn)接口，從而使得系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的操作顯得簡(jiǎn)捷方便。在整個(gè)系統(tǒng)中分為3個(gè)部分，應(yīng)用程序、linux內(nèi)核和硬件設(shè)備，結(jié)構(gòu)體系如圖1所示。

圖1 Linux體系結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of Linux

在應(yīng)用程序與內(nèi)核之間通常是通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)通信，應(yīng)用程序在發(fā)出系統(tǒng)調(diào)用的指令后，系統(tǒng)進(jìn)入內(nèi)核狀態(tài)，內(nèi)核則通過(guò)文件的結(jié)構(gòu)識(shí)別設(shè)備。再利用定義好的file-operation的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)建立文件系統(tǒng)與設(shè)備驅(qū)動(dòng)函數(shù)的關(guān)聯(lián)，其結(jié)構(gòu)體的每個(gè)成員都對(duì)應(yīng)著一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用。在完成文件與設(shè)備驅(qū)動(dòng)函數(shù)的關(guān)聯(lián)獲取了對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的操作函數(shù)指針后，整個(gè)控制權(quán)就移交給了該操作函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件設(shè)備的操作和相應(yīng)的功能，這就是設(shè)備驅(qū)動(dòng)的工作原理。

2 字符驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)流程

驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)任務(wù)可以分為幾個(gè)部分：設(shè)備驅(qū)動(dòng)的初始化和退出、file－operations的定義以及函數(shù)指針的實(shí)體實(shí)現(xiàn)和程序編譯下載。

2.1 設(shè)備的定義以及初始化

2.1.1 初始化以及退出函數(shù)定義

驅(qū)動(dòng)程序的init主要完成3件事：調(diào)用register_chrdev_region詢(xún)問(wèn)內(nèi)核該設(shè)備號(hào)是否有設(shè)備占用，如果沒(méi)有就繼續(xù)下面操作，初始化設(shè)備結(jié)構(gòu)體變量cdev和向內(nèi)核注冊(cè)字符IO設(shè)備。

這兩個(gè)函數(shù)是模塊的框架，定義如下：

字符模塊退出函數(shù)主要是刪除內(nèi)核中的字符設(shè)備并卸載驅(qū)動(dòng)程序，分別調(diào)用cdev_del和unregister_chrdev_region。

2.1.2 模塊函數(shù)的內(nèi)核申請(qǐng)

在Linux系統(tǒng)下，驅(qū)動(dòng)程序都是以模塊存在的，模塊是向內(nèi)核動(dòng)態(tài)的增加功能，每個(gè)模塊都包括module_init和module_exit兩個(gè)函數(shù)，分別在向系統(tǒng)插入模塊和移除模塊時(shí)被調(diào)用。所以需要向內(nèi)核申請(qǐng)mydriver_init和mydriver_exit函數(shù)以及LICENSE。

從而 mydriver_init和mydriver_exit便通過(guò) module_init和module_exit兩個(gè)宏注冊(cè)到內(nèi)核，這樣在通過(guò)insmod和rmmod命令往內(nèi)核增加和移除時(shí)候就會(huì)調(diào)用。

2.2 文件操作file-operation的結(jié)構(gòu)定義以及操作函數(shù)實(shí)體

2.2.1 file-operation的結(jié)構(gòu)定義

設(shè)備都是有一些操作的，應(yīng)用程序就通過(guò)這些接口操作函數(shù)來(lái)使用驅(qū)動(dòng)程序?qū)υO(shè)備的控制。如下：

2.2.2 設(shè)備操作函數(shù)

本文主要實(shí)現(xiàn)對(duì)GPIO口的驅(qū)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)LED以及蜂鳴器的控制操作，所以函數(shù)主要為GPIO的寫(xiě)操作。

//配置 GPF0，1，2，3 為輸出引腳

static int mydriver_open （struct inode*inode，struct file*file）

在應(yīng)用程序執(zhí)行open（）系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，mydriver_open函數(shù)將被調(diào)用。將LED的GPIO引腳設(shè)為輸出功能。

//GPIO口實(shí)際的寫(xiě)操作驅(qū)動(dòng)函數(shù)

static ssize_t mydriver_write （struct file*file， const char__user*buf， size_t count， loff_t*ppos）

在應(yīng)用程序執(zhí)行 write（）系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，mydriver_write函數(shù)將被調(diào)用。將LED的GPIO引腳設(shè)為輸出功能。

2.3 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編譯及下載

2.3.1 編譯環(huán)境

內(nèi)核版本:linux－2.6.31

交叉編譯器：arm－linux－gcc 4.1.2

操作系統(tǒng)：linux－redhad 9.0

鏈接的 QT 庫(kù)：qt－embedded－linux－opensource－src－4.5.3

2.3.2 編譯過(guò)程

1）將驅(qū)動(dòng)程序 mydriver.c和 beep.c放到虛擬機(jī)的linux內(nèi)核的/driver/char/目錄下，修改該目錄下的Kconfig文件，在第14行加入：

2）修改該目錄下Makefile文件，在13行加入：

3）配置內(nèi)核，支持驅(qū)動(dòng)模塊：

回到linux一級(jí)目錄，執(zhí)行：make M=driver/char/modules編譯完成后，會(huì)在driver/char/目錄下生成mydriver.ko，的文件，將這個(gè)文件復(fù)制到開(kāi)發(fā)板的根文件系統(tǒng)下lib/modules/2.6.31/下。而QT應(yīng)用程序則在mydriver文件 （內(nèi)有mydriver_test.c）里面先后執(zhí)行：

#qmake project

#qmake

#make

完成后，就會(huì)在mydriver文件夾里生成mydriver的可執(zhí)行文件。

4）將mydriver的可執(zhí)行文件下載到ARM9開(kāi)發(fā)板的usr/bin目錄下，并執(zhí)行：chmod 777 mydiver給予其所有的權(quán)限，同時(shí)修改該目錄下的kconfig，在其中加入mydiver╞qws&讓QT程序在后臺(tái)運(yùn)行。

由于驅(qū)動(dòng)程序加入了自動(dòng)創(chuàng)建文件節(jié)點(diǎn)，故為了方便，讓驅(qū)動(dòng)在ARM9上電時(shí)自動(dòng)加載驅(qū)動(dòng)，可在etc/init.d/rcS中加入 insmod lib/modules/2.6.31/mydriver.ko即可，于此同時(shí)加入kconfig&上電之后自動(dòng)加載kconfig腳本。

3 測(cè)試程序設(shè)計(jì)流程

Qt是一個(gè)多平臺(tái)的C++圖形用戶(hù)界面應(yīng)用程序框架。它提供給應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者建立藝術(shù)級(jí)的圖形用戶(hù)界面所需的所用功能。Qt是完全面向?qū)ο蟮暮苋菀讛U(kuò)展，并且允許真正地組件編程，設(shè)計(jì)出來(lái)的界面很美觀。它是一種高效與跨平臺(tái)的應(yīng)用程序，Qt支持的平臺(tái)很多，其中就支持Linux嵌入式操作系統(tǒng)[7]。如下以蜂鳴器功能為例：

以上就是基于QT4的界面設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)蜂鳴器相關(guān)功能的操作函數(shù)。設(shè)置了界面的個(gè)性化（用于7寸液晶屏），以及各種按鈕的添加和設(shè)置，再用connect將相關(guān)按鈕連接到曹函數(shù)中，以實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能；關(guān)于beep操作函數(shù)，首先，執(zhí)行open函數(shù)，即打開(kāi)設(shè)備，調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序下的mydriver_open函數(shù)，對(duì)相關(guān)管腳進(jìn)行配置；再執(zhí)行write函數(shù)，即可調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序下的mydriver_write函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)功能。測(cè)試界面如圖2所示。

圖2 測(cè)試界面圖Fig.2 The GUI of testing

4 結(jié)束語(yǔ)

本文很適合linux初學(xué)者對(duì)于驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，首先，要知道驅(qū)動(dòng)程序必須要有框架，即初始化和退出。然后，每個(gè)設(shè)備都有與之對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體，而應(yīng)用層要使用驅(qū)動(dòng)程序，其中必須要有接口操作函數(shù)。文中將LED和蜂鳴器對(duì)應(yīng)的寄存器進(jìn)行配置在mydriver_open實(shí)現(xiàn)，而不是在初始化函數(shù)中設(shè)置，是因?yàn)椋弘m然加載了模塊，但是這個(gè)模塊卻不一定會(huì)被用到，所以在使用時(shí)才去設(shè)置。應(yīng)用程序在內(nèi)核的字符設(shè)備數(shù)組中能夠找到主設(shè)備號(hào)，根據(jù)設(shè)備號(hào)找到該設(shè)備的結(jié)構(gòu)體cdev，訪問(wèn)結(jié)構(gòu)體中的變量*ops，而*ops指向file_operation結(jié)構(gòu)體，該結(jié)構(gòu)體中有被應(yīng)用層調(diào)用的函數(shù)。

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