馬 旭

(西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安710071)

在眾多操作系統(tǒng)中，Linux操作系統(tǒng)以其獨有開放性和靈活性成為重要的系統(tǒng)之一，因而開發(fā)Linux設(shè)備驅(qū)動具有重要意義。Linux設(shè)備驅(qū)動是在Linux內(nèi)核下硬件設(shè)備和上層應(yīng)用程序的紐帶，使得應(yīng)用程序只需調(diào)用系統(tǒng)軟件的應(yīng)用程序編程接口(API)就可以完成對硬件設(shè)備的操作。作為一個橋梁，其在實現(xiàn)具體功能的過程中發(fā)揮著重要的作用，接口豐富的驅(qū)動設(shè)備程序?qū)こ痰拈_發(fā)有著重要的意義。Linux對所有連接在系統(tǒng)上的設(shè)備都會使用一個設(shè)備驅(qū)動程序，這個基本設(shè)備驅(qū)動指令成為了內(nèi)核的一部分。通過使用設(shè)備驅(qū)動程序文件，設(shè)備對系統(tǒng)來說變成了一個可以尋址、重定向并通過管道符導(dǎo)向的普通文件［1］。

1 雙口RAM讀寫設(shè)備驅(qū)動的開發(fā)背景

在基于MPC8313E的大容量視頻存儲系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要實現(xiàn)通過千兆以太網(wǎng)接口與上位機進行通信，按上位機發(fā)送的命令解析后送給FPGA，進而通過FPGA發(fā)出的曝光脈沖控制高速相機MC1362工作。當(dāng)存儲任務(wù)完成后，F(xiàn)PGA將存儲陣列中的數(shù)據(jù)讀入雙口RAM并傳至MPC8313E中，Linux端服務(wù)器利用千兆以太網(wǎng)接口將數(shù)據(jù)上傳到上位機中，由上位機完成圖像還原。

在構(gòu)造大容量高速上傳通道的過程中，系統(tǒng)采用飛思卡爾MPC8313E芯片，該芯片有兩個增強型三速(10/100/1 000 Mbit·s－1)以太網(wǎng)控制器，支持IEEE802.3協(xié)議，同時該芯片還支持16/32位的DDR SDRAM數(shù)據(jù)接口，最高支持333 MHz的數(shù)據(jù)頻率，512 MB可尋址空間以及4個直接存儲器訪問(DMA)通道，可以滿足系統(tǒng)設(shè)計要求［2］。該驅(qū)動設(shè)備主要實現(xiàn)從FPGA雙口RAM中乒乓讀取圖像數(shù)據(jù)信息，利用掛載在MPC8313E總線上的FPGA完成數(shù)據(jù)上傳，同時也需要解析上位機命令后傳遞給FPGA。

2 Linux驅(qū)動模塊的程序設(shè)計基礎(chǔ)

在Linux/μClinux的框架結(jié)構(gòu)中，和設(shè)備相關(guān)的處理可以分為兩個層次:文件系統(tǒng)層和設(shè)備驅(qū)動層。設(shè)備驅(qū)動層屏蔽具體設(shè)備細(xì)節(jié)，文件系統(tǒng)層則向用戶提供一組統(tǒng)一、規(guī)范的用戶接口［3］。這種設(shè)備管理方法可以很好地做到“設(shè)備無關(guān)性”，使Linux可以根據(jù)硬件外設(shè)的發(fā)展進行擴展［4］。

圖1 Linux設(shè)備框架結(jié)構(gòu)

Linux系統(tǒng)允許內(nèi)核以模塊的方式加載設(shè)備，這大幅提高了Linux設(shè)備結(jié)構(gòu)的多樣性，同時可以通過裁剪內(nèi)核減少系統(tǒng)不必要的開支，提高工作效率。一般情況下，Linux內(nèi)核的驅(qū)動模塊通常只實現(xiàn)一個驅(qū)動程序，因此它可以分類，在Linux操作系統(tǒng)中有3類主要的設(shè)備文件系統(tǒng):塊設(shè)備、字符設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備［5］。

字符設(shè)備:可以像文件一樣訪問字符設(shè)備，這樣的驅(qū)動程序通常會實現(xiàn)如open、close、read和write系統(tǒng)調(diào)用。

塊設(shè)備:是文件系統(tǒng)的宿主。Linux允許像字符設(shè)備一樣讀取塊設(shè)備，允許一次傳輸任意數(shù)量的字節(jié)。結(jié)果塊設(shè)備與字符設(shè)備只在內(nèi)核內(nèi)部的管理上有所區(qū)別，即在內(nèi)核/驅(qū)動的軟件接口上有所區(qū)別。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備:任何網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都是通過接口實現(xiàn)的，既可以和其他宿主交換數(shù)據(jù)設(shè)備。通常情況下，接口是一個硬件設(shè)備，但也可以像lookback(回路)接口一樣是軟件工具。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)議而不是文件系統(tǒng)層。

3 雙口RAM讀寫設(shè)備驅(qū)動設(shè)計

介于以上第二部分的分析，雙口RAM設(shè)備選擇為塊設(shè)備，以便傳輸任意數(shù)量的數(shù)據(jù)。同時該驅(qū)動設(shè)備基于Linux2.6.23內(nèi)核開發(fā)，以模塊的方式加載至內(nèi)核中，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙口RAM驅(qū)動設(shè)備框架

代碼編寫好后在正式編譯前還要準(zhǔn)備好內(nèi)核頭文件和庫函數(shù)，這需要先編譯一遍相應(yīng)的內(nèi)核，在2.6.23內(nèi)核源代碼中將MPC8313RDB的配置文件用作默認(rèn)配置，編譯內(nèi)核。完成后書寫驅(qū)動的Makefile，然后連接目標(biāo)板，在NFS下調(diào)試設(shè)備驅(qū)動和應(yīng)用程序。用戶可以使用通過交叉編譯得到的.ko文件通過insmod動態(tài)加載至內(nèi)核中，也可以通過修改啟動腳本文件，加電后自啟動將驅(qū)動加載到內(nèi)核中。

4 處理結(jié)果

經(jīng)過打包處理的圖像數(shù)據(jù)通過MPC8313E的服務(wù)器上傳至上位機后，按照圖像格式進行拼圖，每包數(shù)據(jù)含有42 240 Byte數(shù)據(jù)，每幀圖像數(shù)據(jù)總量為1 280×1 024 Byte的圖像像素點信息和附加區(qū)信息，共接收35包數(shù)據(jù)后就可還原一幅完整的圖像。上位機在拼圖時裁剪掉一部分?jǐn)?shù)據(jù)，最終合成1 024×1 024 Byte的圖像，如圖3所示。

圖3 上位機完成壓縮1 024×1 024 Byte圖像

5 結(jié)束語

雙口RAM驅(qū)動程序是整個存儲系統(tǒng)的核心模塊，它對存儲數(shù)據(jù)的上傳速度和準(zhǔn)確提取圖像信息有重要的影響，通過對MPC8313E寄存器的配置和讀寫以及中斷函數(shù)對硬件的控制來實現(xiàn)對RAM的讀寫，利用MPC8313E現(xiàn)有的接口和傳輸算法，最終實現(xiàn)圖像信息的高速上傳，驗證得出上傳數(shù)據(jù)最快可達104 Mbit·s－1，滿足設(shè)計要求。

［1］ 張芳.Linux系統(tǒng)下設(shè)備驅(qū)動程序解析［J］.湖南科技學(xué)院學(xué)報，2005，26(11):204－205.

［2］Freescale Semiconductor.MPC8313E PowerQUICCTMII pro integrated processor family reference manual［M］.EL USA:Technical Information Center，F(xiàn)reescale Semiconductor，2008.

［3］ 寇向暉，田家林，孫洪石.基于S3C44B0X+μcLinux的嵌入式以太網(wǎng)設(shè)計［J］.電子產(chǎn)品世界，2005(16):97－99.

［4］RAGHAVAN P，AMOL L，SRIRAM N.嵌入式Linux系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)［M］.宋勁彬，王華勇，邸海霞，等，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［5］JONATHAN C，ALESSANDRO R，GREG K H.Linux設(shè)備驅(qū)動程序［M］.魏永明，耿岳，鐘書毅，譯.北京:中國電力出版社，2006.