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1、uClinux操作系統(tǒng)概述 uClinux是Linux2.0的一個分支，它被設(shè)計用于沒有MMU的微控制器領(lǐng)域，即被廣泛應(yīng)用于嵌入式Linux領(lǐng)域。uClinux的最大特征就是沒有MMU（內(nèi)存管理單元模塊）。它很適合那些沒有MMU的處理器，如ARM7TDMI，m68ez328等。 uClinux具有完全的TCP/IP協(xié)議棧，同時對其他許多的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都提供支持。這些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都在uClinux上得到了很好的實現(xiàn)。uClinux可以稱作是一個針對嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)秀網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。 2、Linux驅(qū)動程序設(shè)計概述 Linux系統(tǒng)內(nèi)核通過設(shè)備驅(qū)動程序與外圍設(shè)備交互，設(shè)備驅(qū)動程序是Linux內(nèi)核的一部分，它是一組數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)，這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)通過定義的接口控制一個或多個設(shè)備。 和UNIX一樣，Linux中所有的設(shè)備均作為文件來對待，這些文件一般稱為特殊文件，這樣做的一個好處是使用戶或應(yīng)用程序可按操縱普通文件的方式進(jìn)行訪問控制硬件設(shè)備。 Linux內(nèi)核有三種類型的設(shè)備驅(qū)動程序：字符設(shè)備驅(qū)動程序、塊設(shè)備驅(qū)動程序和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序。Linux的設(shè)備由一個主設(shè)備號（major）和一個次設(shè)備號（minor）標(biāo)識。主設(shè)備號唯一標(biāo)識了設(shè)備類型，它是塊設(shè)備表或字符設(shè)備表中設(shè)備表的索引。次設(shè)備號僅由設(shè)備驅(qū)動程序解釋，用于識別同類設(shè)備中，I/O請求所涉及到的那個設(shè)備。設(shè)備驅(qū)動程序可以分為3個主要組成部分： （1）自動配置和初始化子程序，負(fù)責(zé)檢測所要驅(qū)動的硬件設(shè)備是否能正常工作。 （2）服務(wù)于I/O請求的子程序，又稱為驅(qū)動程序的上半部分。 （3）中斷服務(wù)子程序，又稱為驅(qū)動程序的下半部分。 3、uClinux下CAN設(shè)備的驅(qū)動程序編寫 根據(jù)上文對LINUX下設(shè)備驅(qū)動程序的描述，以及參考相關(guān)的實例分析，下面對CAN總線設(shè)備SJA1000的驅(qū)動程序進(jìn)行編寫。 CAN設(shè)備驅(qū)動程序?qū)嶋H上是linux內(nèi)核直接對sja1000器件的初始化與讀寫操作。經(jīng)分析，Sja1000 CAN驅(qū)動程序構(gòu)成包括如下幾個部分： 1）定義sja1000芯片內(nèi)所有寄存器的訪問地址，用于完成對其內(nèi)部寄存器以及緩沖區(qū)的讀寫訪問。例如： #define IO_PMOD (*(volatile unsigned *)0x3ff5000) #define IO_PDATA (*(volatile unsigned *)0x3ff5008) #define IO_PCON (*(volatile unsigned *)0x3ff5004) #define SJA_MOD (0x2700000) #define SJA_CMR (0x2700004) ………………… #define SJA_CANRXB7 (0x270006c) #define SJA_CANRXB8 (0x2700070) 因為在我們的系統(tǒng)中，對sja1000的讀寫是采用的部分模擬時序的方式，所以用到了S3C4510的IO端口。下面對sja1000地址的定義進(jìn)行分析。因為uClinux運(yùn)行的時候，采用的是32位方式，即兩個相鄰地址間相隔4個字節(jié)，而在sja1000內(nèi)部的地址間的間隔只有1個字節(jié)。雖然可以對S3C4510的內(nèi)部寄存器定義為在訪問sja1000的時候，將位寬度定義為8位，但這樣會與linux系統(tǒng)運(yùn)行不匹配，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)讀寫不正常。所以將sja1000的地址定義為32位寬度。于是各個寄存器地址為（基址＋sja1000內(nèi)部地址×4）。這里將sja1000的基址定義為0x2700000。 2）編寫對SJA1000內(nèi)部寄存器訪問的讀寫函數(shù) 因為S3C4510B處理器的地址和數(shù)據(jù)總線是分開的，而SJA1000的地址與數(shù)據(jù)總線是8位分時復(fù)用的。所以我們只有采用先向sja1000的8位地址數(shù)據(jù)總線上送出地址，然后再送數(shù)據(jù)或者讀數(shù)據(jù)的方式。片選信號/CS，讀信號/RD，寫信號/WR仍由S3C4510B自己產(chǎn)生。需要模擬的是鎖存信號ALE、地址數(shù)據(jù)總線AD0-AD7。參照sja1000時序圖，具體的操作步驟見下面程序和注釋。 寫子程序如下： void sja_write(unsigned int data, unsigned int addr) { unsigned char tmp; tmp=(addr)>>2;//將32位地址右移2位，tmp的低8位即為sja1000實際地址。 outl(tmp,addr);//將地址信息作為數(shù)據(jù)送往SJA1000數(shù)據(jù)總線 IO_PDATA=0x32;//ALE=0，讓SJA1000將該地址鎖存 outl(data,addr);//將數(shù)據(jù)信息送往SJA1000數(shù)據(jù)總線 O_PDATA=0x33; } //將ALE置高電平，74HC245的/OE置高位 讀子程序如下： unsigned char sja_read(unsigned int addr) { unsigned char data; volatile unsigned int data1; unsigned char tmp; tmp=(addr)>>2; //將32位地址右移2位，tmp的低8位即為sja1000實際地址S3C2410 outl(tmp,addr); //將地址信息作為數(shù)據(jù)送往SJA1000數(shù)據(jù)總線 IO_PDATA=0x32; //p0-ALE=0，鎖存地址信息 IO_PDATA=0x12; //p5-245dir=0，將74HC245的方向置為CPU輸入方向 data1=inl(addr); //讀出所需的數(shù)據(jù) IO_PDATA=0x33; //ALE置高，74HC245置為不工作狀態(tài) data=data1; return(data); }//返回數(shù)據(jù) 后面對sja1000的初始化、CAN發(fā)送與CAN接收函數(shù)中需要對寄存器操作均調(diào)用sja_write()和sja_read()函數(shù)進(jìn)行。 3）定義驅(qū)動程序的文件結(jié)構(gòu) 在LINUX系統(tǒng)中，對硬件設(shè)備的訪問也是被當(dāng)作文件來操作的。這里定義的文件接口將可以在外部的應(yīng)用程序中被調(diào)用。在CAN驅(qū)動程序中，只定義了讀CAN信息（CAN接收）、向CAN節(jié)點(diǎn)寫信息（CAN發(fā)送）、打開CAN設(shè)備、關(guān)閉CAN設(shè)備等4個文件接口。定義信息如下面的程序所示。在sja1000_fops中所定義的函數(shù)都必須在驅(qū)動程序中編寫。 static struct file_operations sja1000_fops = { read: sja1000_read, //CAN接收數(shù)據(jù) write: sja1000_write,//CAN發(fā)送 open: sja1000_open, //打開設(shè)備S3C2410 開發(fā)板II（B）+3.5寸帶觸摸TFT液晶屏 release: sja1000_release, };//關(guān)閉設(shè)備 4）定義sja1000_write ：CAN發(fā)送函數(shù)（寫函數(shù)） static int sja1000_write(struct file *filp, const char *buf, size_t size, loff_t *offp){ } 在CAN總線控制器Sja1000初始化完成后，即可設(shè)置CAN發(fā)送，具體對sja1000寄存器的相關(guān)操作的相關(guān)程序可參閱SJA1000器件的數(shù)據(jù)手冊。 5）定義sja1000_read ：CAN接收函數(shù)（讀函數(shù)） static int sja1000_read(struct file *filp, char *buf, size_t size, loff_t *offp) { } 該函數(shù)完成對CAN總線網(wǎng)絡(luò)上相應(yīng)信息的接收。在本系統(tǒng)中CAN接收采用的是查詢方式。 6）編寫sja1000_open：文件打開函數(shù) static int sja1000_open(struct inode *inode,struct file *file) { }S3C2410 開發(fā)板II（B）+3.5寸帶觸摸TFT液晶屏 進(jìn)程調(diào)用該函數(shù)表示對設(shè)備的占用。如果返回為－1，表示設(shè)備已被其他進(jìn)程占用，打開非法。如果采用中斷方式，對中斷的注冊也可放在本函數(shù)中。 7）編寫sja1000_release：文件關(guān)閉函數(shù) static int sja1000_release(struct inode *inode, struct file *file) { } 該函數(shù)進(jìn)程完成對設(shè)備占有權(quán)的釋放，釋放后，其他的進(jìn)程就可以訪問這個設(shè)備了。 8）編寫sja1000_init(void)：void sja1000_init(void) { } CAN設(shè)備初始化函數(shù) 該函數(shù)完成設(shè)備在LINUX內(nèi)核中的登記。并完成對sja1000初始化。 Sja1000寄存器配置通過調(diào)用上面已寫好的sja_write()函數(shù)完成。驅(qū)動函數(shù)登記我們采用的是靜態(tài)加載的方式，通過調(diào)用register_chrdev()完成，程序如下： if(result = register_chrdev(254,"sja1000",&sja1000_fops)) S3C2410 開發(fā)板II（B）+3.5寸帶觸摸TFT液晶屏 printk("S3C4510-sja1000: Error %d registering device sja1000\n", result); 其中，254是為sja1000設(shè)備分配的主設(shè)備號，“sja1000”是顯示在/dev中的設(shè)備名，sja1000_fops為對應(yīng)的文件系統(tǒng)指針。返回值小于0表示失敗，大于或等于0表示成功。 9）將驅(qū)動程序加到uClinux內(nèi)核中 當(dāng)驅(qū)動程序sja1000.c編寫完成后，下面的工作就是將它加到uClinux內(nèi)核中了。這需要修改uClinux的源代碼，然后重新編譯uClinux內(nèi)核。 ①將設(shè)備驅(qū)動程序文件sja1000.c復(fù)制到/uClinux－dist/linux/drivers/char目錄下。該目錄保存了uClinux字符設(shè)備的設(shè)備驅(qū)動程序。修改該目錄下mem.c文件，在Init chrdev_init()函數(shù)中增加如下代碼： #ifdef CONFIG_SJA1000_DRIVER device_init() #endifS3C2410 開發(fā)板II（B）+3.5寸帶觸摸TFT液晶屏 其中CONFIG_SJA1000_DRIVER是在配置uClinux內(nèi)核時賦值的。 ②在uClinux/linux/drivers/char目錄下 Makefile中增加如下代碼： ifeq($(CONFIG_SJA1000_DRIVER,y) L_OBJS+=sja1000.c endif 如果在配置uClinux內(nèi)核的時候選擇了支持我們定義的設(shè)備，則在編譯內(nèi)核的時候會編譯sja1000.c，生成 sja1000.o文件。 ③修改 /uClinux-dist/linux/arch/m68knonunu目錄下 config.in文件，在 comment' Character devices’語句下面加上 bool 'support for sja1000 driver'CONFIG_SJA1000_DRIVERS3C2410 開發(fā)板II（B）+3.5寸帶觸摸TFT液晶屏 這樣，在編譯內(nèi)核，運(yùn)行make menuconfig的時候，且在配置字符設(shè)備時就會有選項： support for sja1000 driver 當(dāng)選中這個選項的時候，設(shè)備驅(qū)動就加到內(nèi)核中了。 ④在romfs中加上設(shè)備驅(qū)動程序?qū)?yīng)的設(shè)備文件。設(shè)備文件都被包含在/dev目錄下。uClinux中使用的根文件系統(tǒng)是romfs文件系統(tǒng)。這個文件系統(tǒng)是一個只讀文件系統(tǒng)，所以設(shè)備文件必須在編譯內(nèi)核的時候加到romfs文件系統(tǒng)的image中。 不同的硬件系統(tǒng)對應(yīng)不同的設(shè)備文件，在/uClinux-dist/vendors目錄下，分別定義了它們的Makefile文件。在uClinux－dist/Vendors里S3C4510對應(yīng)的目錄下找到它的Makefile文件，并找到區(qū)域DEVICES＝\ tty,c,5,0 console,c,5,1 cua0,c,5,64 cual,c,5,65\,在后面再加上設(shè)備項 sja1000,c,254,1\就行了。 ③重新編譯內(nèi)核；在shell中將當(dāng)前目錄cd到uClinux-dist目錄下，然后：S3C2410 開發(fā)板II（B）+3.5寸帶觸摸TFT液晶屏 #make menuconfig #make dep #make 當(dāng)驅(qū)動程序和uClinux內(nèi)核一起編譯鏈接并生成映像下載到目標(biāo)板運(yùn)行以后，可以通過查看/proc/devices，如果已經(jīng)顯示有sja1000，則表明設(shè)備加載成功。如果使用了中斷，也可以查看/proc/interrupts，該文件記錄了當(dāng)時已經(jīng)完成的所有系統(tǒng)中斷情況。 4、結(jié)束語 實時性方面,可以使用進(jìn)程間通信如管道、消息隊列、共享內(nèi)存等方法將CAN總線的接收中斷與應(yīng)用程序直接關(guān)聯(lián)，加快系統(tǒng)對CAN總線事件的響應(yīng)速度。進(jìn)一步可以通過RTLinux和RTAI(Real Time Application Interface)這兩種方案增強(qiáng)uClinux的實時性。 本文作者創(chuàng)新點(diǎn):有效地解決了在沒有MMU的CPU之上開發(fā)一些簡單任務(wù)操作系統(tǒng)或控制程序效率低、程序簡單的缺點(diǎn)。通過使用嵌入式uClinux,它既保存了原先Linux操作系統(tǒng)穩(wěn)定性、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，又對內(nèi)核的代碼重新編寫，減少了內(nèi)核容量，提高了效率。同時也提出了在CAN總線設(shè)備下設(shè)計驅(qū)動程序的方法。 |
