基于ARM的Linux下LonWorks總線設備驅動設計

摘　要：利用神經(jīng)元芯片CYC53120和S3C2410芯片，實現(xiàn)嵌入式平臺下LONWorks總線的運用；同時介紹嵌入式Linux 下設備驅動程序的構成，描述了LonWorks設備驅動程序的軟件框架，為嵌入式Linux設備的開發(fā)提供借鑒。

LonWorks是美國Echelon公司1992年推出的局部操作網(wǎng)絡，最初主要用于樓宇自動化，但很快發(fā)展到工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)。LonWorks技術為設計和實現(xiàn)可互操作的控制網(wǎng)絡提供了一套完整、開放、成品化的解決途徑，它協(xié)議完整、通信可靠，而且為用戶提供了功能強大的開發(fā)工具(LONBU ILDER，NODEBU ILDER)。

在LonWorks現(xiàn)場總線設備的使用過程中，由于其設備驅動與操作系統(tǒng)的相關性，從而要求開發(fā)者在開發(fā)過程不僅實現(xiàn)硬件構成，更需要熟悉操作系統(tǒng)及設備驅動程序的制定。本文給出在ARM平臺下實現(xiàn)LonWorks總線設備的互聯(lián)，并在嵌入式Linux系統(tǒng)下，介紹LonWorks現(xiàn)場總線設備驅動程序的設計與實現(xiàn)。

1 LonWorks總線設備的構成

LonWorks技術的核心是神經(jīng)元芯片(Neuron Chip)。該芯片內(nèi)部裝有3個微處理器：MAC處理器完成介質訪問控制；網(wǎng)絡處理器完成OSI的3～6層網(wǎng)絡協(xié)議；應用處理器完成用戶現(xiàn)場控制應用。它們之間通過公用存儲器傳遞數(shù)據(jù)。同時神經(jīng)元芯片共設置11個I/O口，這些I/O口可根據(jù)不同需求，利用Neuron C編程來靈活配置與外圍設備的接口，如RS232、并口、定時/計數(shù)、位I/O等。其芯片結構如圖1所示[1]。

在本系統(tǒng)設計中，基于嵌入式ARM平臺下實現(xiàn)對LonWorks總線的訪問，設計原理是利用S3C2410芯片的SPI(Serial Peripheral Interface)接口[2]與Neuron芯片來實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，其原理如圖2所示。

SPI總線系統(tǒng)可直接與各個廠家生產(chǎn)的多種標準外圍器件直接接口，它有4條引腳：SSEL(從器件選擇線)、MOSI(主機輸出、從機輸入數(shù)據(jù)線)、MISO(主機輸入、從機輸出數(shù)據(jù)線)、SCK(同步串行時鐘線)。S3C2410包含2個SPI接口，本文利用SPI1與Neuron芯片CY7C53120相連。

2 Linux下設備驅動程序

設備驅動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核與機器硬件之間的接口。在Linux中，設備驅動程序為應用程序屏蔽了硬件的細節(jié)，對應用程序而言，硬件設備只是一個設備文件，可以通過相應的系統(tǒng)調(diào)用像操作普通文件一樣對硬件設備進行操作。

Linux系統(tǒng)的設備分為字符設備(char device)、塊設備(block device)和網(wǎng)絡設備(network device)3種[3-4]。字符設備是指存取時沒有緩存的設備；塊設備的讀寫則都有緩存來支持，只能以塊為單位進行讀寫，并且塊設備必須能夠隨機存取(random access) ；而Linux的網(wǎng)絡設備開發(fā)則主要基于BSD Unix的socket機制。本文要開發(fā)的Lonworks設備驅動程序是一個字符型的設備，其基本組成如圖3所示。

Linux設備驅動程序可以分為設備初始化子程序及卸載程序、服務子I/O請求的子程序和中斷服務子程序3個主要組成部分：

(1)設備初始化子程序及卸載程序。Init_module用以負責檢測所要驅動的硬件設備是否存在和是否能正常工作。如果該設備正常，則對這個設備及其相關的設備驅動程序需要的軟硬件進行初始化，其初始化程序流程如圖4所示。

Cleanup_module用以完成卸載設備時要做的工作，其設備卸載流程如圖5所示。

(2)服務于I/O請求的子程序，又稱為驅動程序的上半部。應用程序可以通過系統(tǒng)來調(diào)用此部分程序。此部分程序在執(zhí)行時，系統(tǒng)仍認為是與應用程序進程屬于同一個進程，具有進行此系統(tǒng)調(diào)用的用戶程序的運行環(huán)境，只是由用戶態(tài)變成了核心態(tài)，因而可以在其中調(diào)用sleep()等與進程運行環(huán)境有關的函數(shù)。

此部分的設計主要是對file_operations結構的各個入口點的實現(xiàn)。從而實現(xiàn)了支持文件系統(tǒng)的調(diào)用(如open，close，read等)。file_operations結構是Linux操作系統(tǒng)中用于實現(xiàn)驅動程序的最重要的數(shù)據(jù)結構，對Linux提供I/O 請求的子程序的一系列入口點進行了封裝。下面給出用于Lonworks設備驅動的file_operations結構示例。

　　struct file_operations{

　　int(*lseek)(struct inode *inode，struct file *flip，off_t off，int pos)；

　　int(*read)(struct inode *inode，struct file *filp，char *buf，int count)；

　　int(*write)(struct inode *inode，struct file *filp，char *buf，int count)；

　　int(*ioctl)(struct inode *inode，struct file *filp，unsigned int cmd，unsigned int arg)；

　　int(*open)(struct inode *inode，struct file *filp)；

　　viod(*release)(struct inode *inode，struct file *filp)；

　　}

由上可見file_operations 結構中的成員全部是函數(shù)指針，該結構實質上就是函數(shù)跳轉表。每個應用進程對設備的操作，都可以根據(jù)設備號，轉換成對file_operations 結構的訪問，通過調(diào)用相關函數(shù)完成具體操作。

(3)中斷服務子程序，又稱為驅動程序的下半部。在Linux系統(tǒng)中，并不直接從中斷向量表中調(diào)用設備驅動程序的中斷服務子程序，而是由Linux系統(tǒng)來接收硬件中斷，再由系統(tǒng)來調(diào)用中斷服務子程序。

中斷可以在任何一個進程運行時產(chǎn)生，因而中斷服務程序的調(diào)用，不依賴于任何進程的狀態(tài)，即不能調(diào)用任何與進程運行環(huán)境有關的函數(shù)。在系統(tǒng)內(nèi)部，I/O設備的存/取通過一組固定的入口點來進行，這組入口點是由每個設備的驅動程序提供的。對于本文涉及的LonWorks設備驅動，下面分析其作為字符型設備驅動程序所需用的常用入口點。

Lon_open(struct inode *inode，struct file *filp)入口點用以打開設備準備I/O操作。對字符設備文件進行打開操作，都會調(diào)用設備的open入口點。open子程序必須對將要進行的I/O操作做好必要的準備工作，如清除緩沖區(qū)等。Lon_release(struct inode *inode，struct file *filp)入口點用以關閉設備。當最后一次使用設備終結后，調(diào)用release子程序。

Lon_read(struct inode *inode，struct file *filp，char *buf，int count)入口點用以從設備上讀數(shù)據(jù)?？梢岳盟O定的緩沖區(qū)進行I/O操作，從緩沖區(qū)里讀數(shù)據(jù)。對設備進行讀操作將調(diào)用read子程序。相似的，Lon_write(struct inode *inode，struct file *filp，char *buf，int count)入口點用以往設備上寫數(shù)據(jù)。對設備進行寫操作將調(diào)用write子程序。

Lon_ioctl(struct inode *inode，struct file *filp，unsigned int cmd，unsigned int arg)入口點執(zhí)行讀、寫之外的一些硬件控制操作，操作命令代碼通過cmd參數(shù)傳送，命令參數(shù)通過arg參數(shù)傳送。此函數(shù)也為功能擴展提供接口。

實現(xiàn)了以上3部分，核心驅動模塊部分就完成了。對以上模塊進行編譯并加載后，Linux用戶可用mknod命令利用動態(tài)分配的主設備號建立相應的設備文件，并對它設置恰當讀寫權限后，就可以在應用程序中通過這個設備文件來操作LonWorks總線設備了。這樣做不僅使得應用程序編程風格更加統(tǒng)一，代碼更具魯棒性，應用系統(tǒng)更加安全更易于維護，而且可在核心級來保證關鍵部分的實時響應，從而降低用戶程序開發(fā)的難度。

以上介紹了在ARM9平臺的嵌入式Linux2.6.x系統(tǒng)中實現(xiàn)Lonwork通信的一種方法，并在以武漢創(chuàng)維特公司的JXARM9-2410實驗箱為基礎擴展的硬件平臺上實驗完成。后期可在此基礎上，結合Linux在網(wǎng)絡通信中的特長，實現(xiàn)對Lonwork網(wǎng)絡的應用管理或與其他通信網(wǎng)絡的互連，有較好的實用性。