嵌入式Linux字符設(shè)備驅(qū)動的設(shè)計與應(yīng)用

摘要：描述了基于嵌入式Linux的字符設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計方法和實現(xiàn)過程。以電機(jī)、數(shù)碼管、串口和mini鍵盤的驅(qū)動設(shè)計為例，詳細(xì)闡述了嵌入式linux下字符設(shè)備驅(qū)動設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)，包括設(shè)備的設(shè)備號、設(shè)備的操作及設(shè)備的注冊和卸載等。通過編寫相應(yīng)硬件設(shè)備的應(yīng)用程序，測試設(shè)備驅(qū)動的正確性。介紹了Troolltech公司開發(fā)的開源圖形用戶界面庫-Qt，并使用Qt編程方法設(shè)計出良好的人機(jī)交互界面。試驗結(jié)果表明設(shè)計的驅(qū)動程序完全正確，可以被應(yīng)用程序使用。

1引言

隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，嵌入式 Linux以其穩(wěn)定性和開放源代碼的優(yōu)點在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用。越來越多的軟硬件廠商使用嵌入式 Linux來開發(fā)自己的產(chǎn)品，對基于嵌入式 Linux平臺開發(fā)設(shè)備的驅(qū)動程序和應(yīng)用程序的需求在成倍增長。本文通過實現(xiàn)對 PXA255開發(fā)板外圍字符設(shè)備（電機(jī)、數(shù)碼管、串口和 mini鍵盤）的操作和控制，詳細(xì)討論了嵌入式 linux字符設(shè)備驅(qū)動的設(shè)計與應(yīng)用。

2系統(tǒng)的設(shè)計框架

系統(tǒng)的設(shè)計分為字符設(shè)備驅(qū)動程序和人機(jī)交互界面兩部分。驅(qū)動程序為應(yīng)用程序提供了操作設(shè)備的接口；人機(jī)交互界面的設(shè)計實現(xiàn)設(shè)備應(yīng)用程序并完成人機(jī)交互的功能。整個系統(tǒng)軟硬件的關(guān)系如圖 1：字符設(shè)備被映射到 Linux文件系統(tǒng)的文件和目錄，通過文件系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用接口 open(),write(),read(),close()等函數(shù)訪問字符設(shè)備，實現(xiàn)設(shè)備的操作。

圖 1 系統(tǒng)軟硬件的關(guān)系

3系統(tǒng)字符設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計方法

Linux驅(qū)動程序是設(shè)備與具體的應(yīng)用程序的中間層，它提供操作設(shè)備的接口，應(yīng)用程序員不需要知道具體設(shè)備工作細(xì)節(jié)，只要調(diào)用一組標(biāo)準(zhǔn)化的函數(shù)就能完成對設(shè)備的操作，這些標(biāo)準(zhǔn)化的函數(shù)與具體的驅(qū)動沒有關(guān)系，而將這些函數(shù)映射到作用于具體設(shè)備上的操作則與驅(qū)動程序相關(guān)[1]。Linux設(shè)備分為字符設(shè)備，塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，字符設(shè)備是能夠像字節(jié)流一樣被訪問的設(shè)備。以下通過描述字符設(shè)備（電動機(jī)、數(shù)碼管、串口、mini鍵盤）驅(qū)動的實現(xiàn)方法，深入討論了基于嵌入式 linux的字符設(shè)備驅(qū)動的設(shè)計方法和實現(xiàn)過程。

3.1初始化函數(shù)與清除函數(shù)

Linux系統(tǒng)中，設(shè)備驅(qū)動的初始化函數(shù)負(fù)責(zé)注冊設(shè)備，并完成驅(qū)動程序必要的初始化以及申請中斷等[2]，Linux系統(tǒng)使用 module_init宏指定初始化函數(shù)。在初始化函數(shù)中調(diào)用 regiSTer_chrdev函數(shù)向系統(tǒng)注冊字符設(shè)備，通過 request_IRq 函數(shù)申請中斷。例如電機(jī)設(shè)備的初始化函數(shù)如下：

　　static int __init moto_init(void){

　　int ret;

　　ret = register_chrdev(MOTO_MAJOR, moto, moto_fops);//注冊電機(jī)設(shè)備

　　if (ret) {

　　printk(KERN_ERR %s: can't get major %d.n,

　　__func__, MOTO_MAJOR);

　　return ret;

　　}

　　printk(KERN_INFO %s: register moto device successfully.n, __func__);

　　return 0;

　　} 其中，register_chrdev函數(shù)的第一個參數(shù)為主設(shè)備號，如果為0 則系統(tǒng)為此驅(qū)動程序動態(tài)地分配一個主設(shè)備號；第二個參數(shù)是設(shè)備名稱，這里是以moto為設(shè)備名稱；第三個參數(shù)moto_fops是默認(rèn)的struct file_operations結(jié)構(gòu)體 [3]。

清除函數(shù)的功能和初始化函數(shù)的功能相反，它將驅(qū)動程序所占用的系統(tǒng)資源、中斷號進(jìn)行釋放。Linux系統(tǒng)使用 module_exit宏指定清除函數(shù)。

3.2中斷

在 Linux 系統(tǒng)中，中斷是由系統(tǒng)來管理與維護(hù)的。中斷服務(wù)子程序在初始化函數(shù)中調(diào)用 request_irq 函數(shù)與相應(yīng)中斷號關(guān)聯(lián)，并將該中斷的相關(guān)信息添加到系統(tǒng)的中斷信息列表中。中斷發(fā)生時， Linux系統(tǒng)響應(yīng)中斷號來實現(xiàn)中斷處理程序的執(zhí)行。mini鍵盤按鍵觸發(fā)產(chǎn)生中斷號為 SIMPLE_KEY_IRQ的中斷，系統(tǒng)自動檢索并調(diào)用鍵盤中斷服務(wù)子程序。鍵盤中斷處理流程如圖 2：

3.3 設(shè)備驅(qū)動接口的實現(xiàn)

在Linux內(nèi)核中，字符設(shè)備使用 struct file_operations結(jié)構(gòu)體來實現(xiàn)設(shè)備的各種操作接口，這些操作主要用來實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用，命名為 open、read等等。file_operations結(jié)構(gòu)是定義在 linux/fs.h>中的函數(shù)指針數(shù)組，每個設(shè)備文件都與它自己的操作函數(shù)相關(guān)聯(lián)。編寫字符設(shè)備驅(qū)動程序，主要是實現(xiàn) struct file_operations結(jié)構(gòu)中的各個函數(shù)。

本系統(tǒng)各設(shè)備驅(qū)動的設(shè)計主要實現(xiàn) open、read、write和 release這四個方法接口。 file_operation結(jié)構(gòu)成員如下： /* DEVICE驅(qū)動程序設(shè)備操作方法集 */ struct file_operations device_fops = {

open方法提供給驅(qū)動程序以初始化的能力，從而為以后的操作完成初始化做準(zhǔn)備。本系統(tǒng)中存在多個設(shè)備共用一個驅(qū)動的情況，驅(qū)動中的 open方法程序框架如下：

　　int device_open(struct inode *inode, struct file *filp){ int minor = MINOR(kdev); //次設(shè)備號的讀取 switch(minor) {

　　case first_device: device_first_vaddr = (unsigned long)ioremap (DEVICE_ FIRST _ADDR, 2);

　　……

　　case second_device:

　　……

　　default:

　　……

　　} MOD_INC_USE_COUNT; // 遞增模塊引用計數(shù) , 防止模塊在使用中被卸載 if (down_interruptible(device_mutex)) { …… }； }

1）open方法調(diào)用 MINOR(kdev)宏實現(xiàn)次設(shè)備號的讀取，使用 switch語句完成設(shè)備的匹配初始化。Linux系統(tǒng)為每一個設(shè)備分配了一個主設(shè)備號和次設(shè)備號。主設(shè)備號標(biāo)識具體的設(shè)備驅(qū)動程序，次設(shè)備號標(biāo)識具體設(shè)備。開發(fā)板電機(jī)設(shè)備有直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，它們的主設(shè)備號都是 252，次設(shè)備號分別為 0和 1。數(shù)碼管、串口、 mini鍵盤的驅(qū)動設(shè)計只針對單個設(shè)備，次設(shè)備號設(shè)計為 0。

2）ioremap函數(shù)在 open方法中實現(xiàn)對電機(jī)、數(shù)碼管、串口、mini鍵盤寄存器的訪問。 PXA255處理器有專門的存儲器管理單元（MMU），在驅(qū)動中不能直接對設(shè)備 I/O內(nèi)存的物理地址進(jìn)行讀寫，需要調(diào)用ioremap 等內(nèi)核函數(shù)將寄存器的實際物理地址映射到內(nèi)核統(tǒng)一的地址空間中，從而實現(xiàn)了對物理地址的間接調(diào)用。例如寄存器 DEVICE_ FIRST _ADDR的讀寫操作，通過讀寫 device_first_vaddr變量實現(xiàn)。在 asm/arch/pxa-regs.h頭文件中定義了各種寄存器的宏，文件中的宏變量都是經(jīng)過地址映射的可以直接使用。

release方法的作用正好與 open相反，通過調(diào)用 iounmap函數(shù)撤銷 device設(shè)備的虛擬地址映射，同時釋放互斥鎖，遞減模塊引用計數(shù)，當(dāng)模塊引用計數(shù)減到 0時，close函數(shù)才能真正的關(guān)閉設(shè)備。read和 write方法的任務(wù)是相似的，主要完成用戶空間和內(nèi)核空間之間的數(shù)據(jù)拷貝。

read方法程序框架如下：

　　ssize_t device_read(struct file *filp, char *buf, size_t count, loff_t *offp){

　　……

　　if (copy_to_user(buf, (u8 *)BUF, count)) { ……} //寫數(shù)據(jù)給用戶空間

　　return count; // 返回成功讀取的字節(jié)數(shù) }

其中，copy_to_user函數(shù)實現(xiàn)內(nèi)核空間到用戶空間的數(shù)據(jù)拷貝。應(yīng)用程序調(diào)用該方法接口實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的接收。

write方法的實現(xiàn)同read方法類似。通過調(diào)用 copy_from_user函數(shù)實現(xiàn)用戶空間到內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)拷貝。該方法接口實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的發(fā)送、LED和MOTO控制寄存器的設(shè)置。

3.4 驅(qū)動的裝載和卸載

Linux驅(qū)動程序的編譯加載有兩種方式。一種是編譯成模塊在運行時加載，不需要重新啟動內(nèi)核，它使用 insmod工具將驅(qū)動模塊加載進(jìn)內(nèi)核，使用 rmmod從內(nèi)核中卸載模塊。該方法實現(xiàn)如下：1)編譯驅(qū)動并下載驅(qū)動到開發(fā)板：$ arm-linux-gcc device_driver.c -I /home/eflag/kernel/include/ -c生成 device_driver.o文件，通過 tftp工具下載到開發(fā)板；2)驅(qū)動的加載：$ insmod device_driver.o。設(shè)備驅(qū)動的加載成功后,可以編寫應(yīng)用程序進(jìn)行設(shè)備驅(qū)動的檢測；3)驅(qū)動的卸載：$ rmmod device_driver。

另一種是將驅(qū)動程序靜態(tài)編譯進(jìn)內(nèi)核，再運行新的內(nèi)核來測試驅(qū)動，該方法是在linux系統(tǒng)字符設(shè)備驅(qū)動文件夾linux/driver/char/中加入設(shè)備驅(qū)動源程序，同時修改 makefile文件，重新編譯內(nèi)核，下載新內(nèi)核到開發(fā)板，系統(tǒng)啟動后自動加載設(shè)備驅(qū)動 [3]。在驅(qū)動加載成功后就可以對該驅(qū)動的設(shè)備進(jìn)行讀寫等操作。 4 Qt人機(jī)界面的實現(xiàn)

Qt是由 Troolltech公司開發(fā)的一套開源圖形用戶界面庫。它給應(yīng)用程序開發(fā)者提供了開發(fā)圖形界面所需的各種功能。Qtopia core是嵌入式環(huán)境下所使用的 Qt，很多嵌入式產(chǎn)品如 PDA、手機(jī)都采用 qtopia core的圖形庫作為人機(jī)界面設(shè)計的框架。本系統(tǒng)使用 qtopia core的圖形庫進(jìn)行用戶界面的開發(fā)。

4.1 Qt應(yīng)用程序的設(shè)計

Qt的事件驅(qū)動機(jī)制是 single/slot（信號/槽）機(jī)制，通過 connect函數(shù)連接控件信號（Single）與槽函數(shù)(slot）。首先控件觸發(fā)產(chǎn)生 Single信號，然后由 signal信號觸發(fā)執(zhí)行槽函數(shù)[4]。本系統(tǒng)中槽函數(shù)為具體設(shè)備應(yīng)用程序。

設(shè)備應(yīng)用程序的開發(fā)主要是系統(tǒng)函數(shù)的調(diào)用，如 open（打開設(shè)備），read/write（讀寫設(shè)備），close（關(guān)閉設(shè)備）等。本系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)用程序開發(fā)如下： RS232收發(fā)數(shù)據(jù)功能； LED跑馬燈功能；操控電機(jī)轉(zhuǎn)動功能；mini鍵盤鍵值讀取功能。

Linux系統(tǒng)中設(shè)備作為文件被訪問，對設(shè)備進(jìn)行訪問前需建立設(shè)備節(jié)點：

　　$mknod /dev/device_name c MAJOR MINOR

其中 device_name是設(shè)備節(jié)點名， c是字符設(shè)備標(biāo)志， MAJOR是主設(shè)備號，MINOR是

次設(shè)備號。open函數(shù)使用/dev/device_name作為文件路徑來打開設(shè)備。

4.2Qt應(yīng)用程序的運行

1）編譯 Qtopia core應(yīng)用程序生成可執(zhí)行文件 application。通過 tftp工具下載可執(zhí)行文件到開發(fā)板；2）開發(fā)板中 application可執(zhí)行文件的運行： $ chomd +x application $ ./application –qws。

LCD顯示器顯示人機(jī)交互界面如圖 3，通過輸入設(shè)備如鼠標(biāo)、鍵盤、觸摸屏可以完成設(shè)備的操作。

5 總結(jié)

實現(xiàn)了電機(jī)、數(shù)碼管、串口和 mini鍵盤的驅(qū)動程序和應(yīng)用程序的開發(fā)，設(shè)計了人機(jī)交互界面。本文作者創(chuàng)新點：詳細(xì)分析了嵌入式 Linux下字符設(shè)備驅(qū)動程序的構(gòu)建過程。整個系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)過程對嵌入式 Linux系統(tǒng)的開發(fā)有一定的參考價值。

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