摘要：嵌入式操作系統(tǒng)I/O驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是實(shí)現(xiàn)嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵問題。 文章，首先給出I/O驅(qū)動(dòng)的硬件設(shè)計(jì)；其次，針對(duì)硬件給出I/O驅(qū)動(dòng)程序的模塊初始化、模塊的卸載、設(shè)備文件操作接口定義與實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程；最后，給出驅(qū)動(dòng)模塊的加載過程與測(cè)試方法。

關(guān)鍵詞：嵌入式操作系統(tǒng)；驅(qū)動(dòng)程序；內(nèi)核；系統(tǒng)調(diào)用

中圖分類號(hào)：TP316文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2008)09-11742-03

Research of I/O Driver of Embedded Operating System

XIAO Yao-nan， XIAO Liao-liang

(Hunan Railway Professional-Technology College， Zhuzhou 412001， China)

Abstract: The design and implementation of driver system of EOS is the key point for the application of EOS. In this paper， Firstly， the hardware design of the I/O driver is proposed; Secondly， the design of module initialization， module exit， interface definition and implementation of the equipment file operation is presented; Finally， the process of mounding the driver and the test method is presented.

Key words: EOS; Driver; Kernel; System Call

1 引言

隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展，嵌入式操作系統(tǒng)越來越微型化和專業(yè)化，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)重要組成部分。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)硬件電路，裁剪系統(tǒng)內(nèi)核，并量身定制應(yīng)用場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)程序是目前嵌入式操作系統(tǒng)到實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。為此，文章對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)I/O驅(qū)動(dòng)的硬件設(shè)計(jì)、I/O驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)模塊的編譯與測(cè)試三個(gè)方面進(jìn)行了一些研究。

2 嵌入式操作系統(tǒng)I/O驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)

2.1 I/O驅(qū)動(dòng)的硬件設(shè)計(jì)

本文以S3C44B0X作為控制CPU，本系統(tǒng)利用74HC574對(duì)S3C44B0X的數(shù)據(jù)端口進(jìn)行擴(kuò)展，地址線BA20～BA22通LC138擴(kuò)展，形成集成塊的片選信號(hào)。當(dāng)?shù)刂沸盘?hào)為0x10000000時(shí)，I/O_CS0低電平有效，即選中IC12，當(dāng)?shù)刂沸盘?hào) 0x10200000時(shí)，I/O_CS2低電平有效，將選中其它集成塊，精簡(jiǎn)I/O驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展電路如圖1所示。

2.2 I/O驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

Linux操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行在內(nèi)核空間[2]，而應(yīng)用程序則運(yùn)行在用戶空間，通過系統(tǒng)調(diào)用或硬件中斷完成從用戶空間到內(nèi)核空間的控制轉(zhuǎn)移[3]。設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊的功能就是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用與中斷處理，從而擴(kuò)展操作系統(tǒng)內(nèi)核的功能[4]。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程是首先調(diào)用入口函數(shù)init_module()實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的加載，即調(diào)用register_xxx()函數(shù)，該函數(shù)完成設(shè)備驅(qū)動(dòng)的初始化，如寄存器置位、結(jié)構(gòu)體賦值等一系列工作，其中最重要的一個(gè)工作就是向內(nèi)核注冊(cè)該設(shè)備。注冊(cè)成功后，該設(shè)備獲得系統(tǒng)分配的主設(shè)備號(hào)、自定義的次設(shè)備號(hào)，并建立起與文件系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)。關(guān)聯(lián)建立后上層用戶程序可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用，即可對(duì)設(shè)備實(shí)施操作，比如open、read、write、ioctl等。最后通過調(diào)用unregister_xxx()卸載驅(qū)動(dòng)，回收相應(yīng)的資源，使設(shè)備的相應(yīng)寄存器復(fù)位并從系統(tǒng)中注銷該設(shè)備。設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊動(dòng)態(tài)掛載、卸載和系統(tǒng)調(diào)用的全過程如圖2所示。

以下將針對(duì)圖1驅(qū)動(dòng)模塊硬件結(jié)構(gòu)詳細(xì)分析I/O驅(qū)動(dòng)程序的編寫方法并給出設(shè)計(jì)過程。

2.2.1 模塊初始化

模塊初始化module_init(Xiao_I/O_Opr_init)函數(shù)通過參數(shù)Xiao_I/O_Opr_init調(diào)用I/O端口驅(qū)動(dòng)模塊初始化函數(shù)static int_init Xiao_I/O_Opr_init(void)，該函數(shù)利用系統(tǒng)函數(shù)void * ioremap(unsigned long offset， unsigned long size)為片選信號(hào)BA22～BA20分配內(nèi)存I/O虛擬地址，從而設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序能訪問I/O內(nèi)存地址。同時(shí)，在模塊初始化函數(shù)中，register_chrdev()函數(shù)完成字符設(shè)備在內(nèi)核系統(tǒng)中的注冊(cè)，并建立與文件系統(tǒng)（Xiao_fops）的關(guān)聯(lián)。模塊初始化函數(shù)如下所示：

#define DEVICE_NAME \"Xiao_I/O_Opr\"

#define SEG_CS00x10000000 //A22，A21，A20=000 ->I/O_CS0

#define SEG_CS10x10200000 //A22，A21，A20=010 ->I/O_CS1

#define SEG_CS20x10300000 //A22，A21，A20=011 ->I/O_CS2

static int_init Xiao_I/O_Opr_init(void)

{ int ret;

cs1_address=ioremap(I/O_CS0， 4);

cs2_address=ioremap(I/O_CS1， 4);

cs3_address=ioremap(I/O_CS2， 4);

ret = register_chrdev(61， DEVICE_NAME， Xiao_fops);

if (ret < 0) {

printk(DEVICE_NAME \" can't get major number\\");

return ret;}

return 0; }

2.2.2 模塊的卸載

模塊卸載module_exit(Xiao_I/O_Opr_exit)函數(shù)從內(nèi)核卸載時(shí)，通過參數(shù)Xiao_I/O_Opr_exit來識(shí)別并調(diào)用static void_exit Xiao_I/O_Opr_exit(void)函數(shù)。設(shè)備卸載時(shí)利用iounmap()回收相應(yīng)的資源，并利用unregister_chrdev()函數(shù)從內(nèi)核中注銷設(shè)備。模塊卸載函數(shù)如下所示：

static void_exit Xiao_I/O_Opr_exit(void)

{ iounmap(cs1_address);

iounmap(cs2_address);

iounmap(cs3_address);

unregister_chrdev(61， DEVICE_NAME); }

2.2.3 設(shè)備文件操作接口定義與實(shí)現(xiàn)

設(shè)備文件操作接口定義是用戶使用該驅(qū)動(dòng)設(shè)備的關(guān)鍵，合理定義接口函數(shù)有利于上層應(yīng)用程序?qū)Φ讓佑布目刂撇僮?。本系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模塊定義了open、write、release、ioctl四種設(shè)備文件操作，內(nèi)容如下所示：

static struct file_operatI/Ons Xiao_fops = {

open: Xiao_I/O_Opr_open，

write: Xiao_I/O_Opr_write，

release: Xiao_I/O_Opr_release，

ioctl: Xiao_I/O_Opr_ioctl，

owner: THIS_MODULE，};

根據(jù)設(shè)備文件操作接口定義，每一個(gè)設(shè)備文件操作對(duì)應(yīng)一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，在用戶程序中利用系統(tǒng)調(diào)用對(duì)設(shè)備文件進(jìn)行open/write/release/ioctl操作，系統(tǒng)調(diào)用通過設(shè)備文件的主設(shè)備號(hào)找到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，然后獲取設(shè)備文件操作接口定義的相應(yīng)的函數(shù)指針，接著把控制權(quán)交給該操作函數(shù)。open文件操作的結(jié)構(gòu)如下所示：

static int Xiao_I/O_Opr_open(struct inode *inode， struct file *filp)

{……

/* open操作的具體實(shí)現(xiàn) */

……}

其它三個(gè)操作不再闡述。

3 驅(qū)動(dòng)模塊的編譯與測(cè)試

3.1 模塊的編譯

驅(qū)動(dòng)程序編寫完后，應(yīng)根據(jù)硬平臺(tái)編寫Makefile編譯文件，以下為驅(qū)動(dòng)模塊的Makefile內(nèi)容，應(yīng)注意交叉編譯工具變量CC和變量INCLUDEDIR的設(shè)定應(yīng)根據(jù)編譯平臺(tái)的實(shí)際路徑進(jìn)行修改。

CC = /opt/xscalev1/bin/arm-linux-gcc

INCLUDEDIR = /XSBase270/2.4/Kernel/xsbase/linux-2.4.21 /include

CFLAGS = -D_KERNEL_-DMODULE -Wall -O2

CFLAGS += -I.. -I$(INCLUDEDIR)

TARGET = XIAO_I/O_OPR

OBJ_I/O = $(TARGET).o

SOURCE_I/O= $(TARGET).c

all: $(OBJ_I/O)

$(OBJ_I/O): $(SOURCE_I/O)

$(CC) $(CFLAGS) -c -o $(OBJ_I/O) $(SOURCE_I/O)

clean:

rm -rf $(OBJ_I/O)

3.2 驅(qū)動(dòng)模塊的加載與測(cè)試

將編譯好的驅(qū)動(dòng)模塊下載到硬件平臺(tái)上，進(jìn)入硬件平臺(tái)系統(tǒng)后，利用mknod命令在/dev目錄下建立該設(shè)備的節(jié)點(diǎn)。然后利用下述步驟檢查驅(qū)動(dòng)模塊的正確性。

$insmod XIAO_I/O_OPR.o (掛載驅(qū)動(dòng))

$lsmod(查看當(dāng)前已掛載驅(qū)動(dòng)模塊，將看到驅(qū)動(dòng)XIAO_I/O_OPR)

$rmmodXIAO_I/O_OPR (卸載驅(qū)動(dòng)XIAO_I/O_OPR)

$lsmod(查看當(dāng)前已掛載模塊，XIAO_I/O_OPR驅(qū)動(dòng)被卸載)

上述過程通過后就可以編寫上層用戶應(yīng)用程序調(diào)用并測(cè)試驅(qū)動(dòng)程序邏輯。

4 結(jié)束語

嵌入式操作系統(tǒng)I/O驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是實(shí)現(xiàn)嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵問題。 文章，首先系統(tǒng)地介紹了Linux操作系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)；其次，給出了I/O驅(qū)動(dòng)的硬件設(shè)計(jì)；再次，針對(duì)硬件給出了模塊初始化、模塊的卸載、設(shè)備文件操作接口定義與實(shí)現(xiàn)的計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)過程；最后，給出驅(qū)動(dòng)模塊的加載與測(cè)試方法。文章針對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)I/O驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程為拓展嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核研究搭建了一個(gè)良好的平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)：

[1] Michael K Johnson. Writing Linux Device Drivers[R]. DECUS'95 inWashington，1995.

[2] 程曉宇，畢篤彥. 基于Linux的MPEG-4視頻壓縮卡驅(qū)動(dòng)程序[J].計(jì)算機(jī)工程，2007，(8):270-271.

[3] 梁金千，張躍，甄成. Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序架構(gòu)的研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2002，(8):119-122.

[4] 杜博，方向忠. 嵌入式Linux系統(tǒng)下I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，(4):31-33.