基于ARM9的Linux嵌入式字符驅動GPIO設計

劉 進，肖克亮，鄧 睿

（貴州省電子工業(yè)研究所 貴州 貴陽 550004）

隨著嵌入式技術的不斷發(fā)展，各種嵌入式平臺紛紛涌現(xiàn)，ARM9作為新一代嵌入式平臺憑借其強大的功能與良好的設備支持受到了普遍的關注。它采用5級流水線，具有指令和數(shù)據(jù)Cache，支持協(xié)處理器和片上調試。在數(shù)據(jù)通信、多媒體顯示和手持計算等領域得到了廣泛的應用。其最大的優(yōu)勢在于支持Linux操作系統(tǒng)，對Linux源代碼的移植和開發(fā)提供了很好的平臺，所以在ARM基礎之上發(fā)展的嵌入式Linux操作系統(tǒng)層出不窮。本文主要研究和實現(xiàn)基于ARM9的Linux嵌入式字符驅動的開發(fā)流程，同時利用QT4界面的開發(fā)完成LED燈與蜂鳴器的開關，從而對已開發(fā)的驅動程序進行測試。

1 嵌入式系統(tǒng)的設備驅動

設備驅動是操作系統(tǒng)和輸入輸出設備間的粘合劑，負責將操作系統(tǒng)的請求傳輸，并且轉化為物理設備控制器能夠理解的指令[4]。它直接與硬件設備打交道，向上層提供訪問的函數(shù)接口。在linux系統(tǒng)中通常是利用設備文件的概念統(tǒng)一設備的訪問接口，從而使得系統(tǒng)對設備的操作顯得簡捷方便。在整個系統(tǒng)中分為3個部分，應用程序、linux內核和硬件設備，結構體系如圖1所示。

圖1 Linux體系結構Fig.1 The structure of Linux

在應用程序與內核之間通常是通過系統(tǒng)調用實現(xiàn)通信，應用程序在發(fā)出系統(tǒng)調用的指令后，系統(tǒng)進入內核狀態(tài)，內核則通過文件的結構識別設備。再利用定義好的file-operation的數(shù)據(jù)結構來建立文件系統(tǒng)與設備驅動函數(shù)的關聯(lián)，其結構體的每個成員都對應著一個系統(tǒng)調用。在完成文件與設備驅動函數(shù)的關聯(lián)獲取了對應數(shù)據(jù)結構的操作函數(shù)指針后，整個控制權就移交給了該操作函數(shù)，從而實現(xiàn)對硬件設備的操作和相應的功能，這就是設備驅動的工作原理。

2 字符驅動程序開發(fā)流程

驅動程序的開發(fā)任務可以分為幾個部分：設備驅動的初始化和退出、file－operations的定義以及函數(shù)指針的實體實現(xiàn)和程序編譯下載。

2.1 設備的定義以及初始化

2.1.1 初始化以及退出函數(shù)定義

驅動程序的init主要完成3件事：調用register_chrdev_region詢問內核該設備號是否有設備占用，如果沒有就繼續(xù)下面操作，初始化設備結構體變量cdev和向內核注冊字符IO設備。

這兩個函數(shù)是模塊的框架，定義如下：

字符模塊退出函數(shù)主要是刪除內核中的字符設備并卸載驅動程序，分別調用cdev_del和unregister_chrdev_region。

2.1.2 模塊函數(shù)的內核申請

在Linux系統(tǒng)下，驅動程序都是以模塊存在的，模塊是向內核動態(tài)的增加功能，每個模塊都包括module_init和module_exit兩個函數(shù)，分別在向系統(tǒng)插入模塊和移除模塊時被調用。所以需要向內核申請mydriver_init和mydriver_exit函數(shù)以及LICENSE。

從而 mydriver_init和mydriver_exit便通過 module_init和module_exit兩個宏注冊到內核，這樣在通過insmod和rmmod命令往內核增加和移除時候就會調用。

2.2 文件操作file-operation的結構定義以及操作函數(shù)實體

2.2.1 file-operation的結構定義

設備都是有一些操作的，應用程序就通過這些接口操作函數(shù)來使用驅動程序對設備的控制。如下：

2.2.2 設備操作函數(shù)

本文主要實現(xiàn)對GPIO口的驅動從而實現(xiàn)對LED以及蜂鳴器的控制操作，所以函數(shù)主要為GPIO的寫操作。

//配置 GPF0，1，2，3 為輸出引腳

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

在應用程序執(zhí)行open（）系統(tǒng)調用時，mydriver_open函數(shù)將被調用。將LED的GPIO引腳設為輸出功能。

//GPIO口實際的寫操作驅動函數(shù)

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

在應用程序執(zhí)行 write（）系統(tǒng)調用時，mydriver_write函數(shù)將被調用。將LED的GPIO引腳設為輸出功能。

2.3 設備驅動程序的編譯及下載

2.3.1 編譯環(huán)境

內核版本: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：qt－embedded－linux－opensource－src－4.5.3

2.3.2 編譯過程

1）將驅動程序 mydriver.c和 beep.c放到虛擬機的linux內核的/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）配置內核，支持驅動模塊：

回到linux一級目錄，執(zhí)行：make M=driver/char/modules編譯完成后，會在driver/char/目錄下生成mydriver.ko，的文件，將這個文件復制到開發(fā)板的根文件系統(tǒng)下lib/modules/2.6.31/下。而QT應用程序則在mydriver文件 （內有mydriver_test.c）里面先后執(zhí)行：

#qmake project

#qmake

#make

完成后，就會在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開發(fā)板的usr/bin目錄下，并執(zhí)行：chmod 777 mydiver給予其所有的權限，同時修改該目錄下的kconfig，在其中加入mydiver╞qws&讓QT程序在后臺運行。

由于驅動程序加入了自動創(chuàng)建文件節(jié)點，故為了方便，讓驅動在ARM9上電時自動加載驅動，可在etc/init.d/rcS中加入 insmod lib/modules/2.6.31/mydriver.ko即可，于此同時加入kconfig&上電之后自動加載kconfig腳本。

3 測試程序設計流程

Qt是一個多平臺的C++圖形用戶界面應用程序框架。它提供給應用程序開發(fā)者建立藝術級的圖形用戶界面所需的所用功能。Qt是完全面向對象的很容易擴展，并且允許真正地組件編程，設計出來的界面很美觀。它是一種高效與跨平臺的應用程序，Qt支持的平臺很多，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的界面設計及實現(xiàn)蜂鳴器相關功能的操作函數(shù)。設置了界面的個性化（用于7寸液晶屏），以及各種按鈕的添加和設置，再用connect將相關按鈕連接到曹函數(shù)中，以實現(xiàn)相關功能；關于beep操作函數(shù)，首先，執(zhí)行open函數(shù)，即打開設備，調用驅動程序下的mydriver_open函數(shù)，對相關管腳進行配置；再執(zhí)行write函數(shù)，即可調用驅動程序下的mydriver_write函數(shù)，實現(xiàn)對應功能。測試界面如圖2所示。

圖2 測試界面圖Fig.2 The GUI of testing

4 結束語

本文很適合linux初學者對于驅動程序設計，首先，要知道驅動程序必須要有框架，即初始化和退出。然后，每個設備都有與之對應的結構體，而應用層要使用驅動程序，其中必須要有接口操作函數(shù)。文中將LED和蜂鳴器對應的寄存器進行配置在mydriver_open實現(xiàn)，而不是在初始化函數(shù)中設置，是因為：雖然加載了模塊，但是這個模塊卻不一定會被用到，所以在使用時才去設置。應用程序在內核的字符設備數(shù)組中能夠找到主設備號，根據(jù)設備號找到該設備的結構體cdev，訪問結構體中的變量*ops，而*ops指向file_operation結構體，該結構體中有被應用層調用的函數(shù)。

[1]Karm Yaghmour.Building Embedded Linux System [M].O’Relly&Associates，2003.

[2]Michael K.Johnson.Writing Linux Device Drivers[R].DECUS’ 95 in Washington，1995.

[3]WayneWolf.ComputersasComponentsPrinciplesof Embedded Computing System Design[M].Beijing：Beijing Publishing House of Machinery Industry，2002.

[4]宋寶華.Linux設備驅動開發(fā)詳解[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[5]馬忠梅，徐英慧.AT91系列ARM核微處理器結構與開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.

[6]鄒思軼.嵌入式Linux的設計與應用[M].北京：清華大學出版社，2002.

[7]蔡志明.精通qt4編程[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[8]周安棟，張伽偉，石鴻萍.ARM11嵌入式系統(tǒng)實時網(wǎng)絡通信和LCD顯示的實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術，2011（16）:7-9.ZHOU An-dong，ZHANG Ga-wei，SHI Hong-ping.ARM11 embedded systems to achieve real-time network traffic and LCD displays[J].Modern Electronics Technique，2011（16）:7-9.