董純, 蔣方亮, 季啟政, 楊林鵬

(北京東方計量測試研究所，北京 100086)

0 引 言

在多串口應(yīng)用中，使用多片ST16C2552為BF518擴(kuò)展串口設(shè)備。在uClinux系統(tǒng)中，基于字符設(shè)備驅(qū)動模型[1]開發(fā)ST16C2552串口驅(qū)動程序存在以下不足：第一，字符設(shè)備驅(qū)動模型只提供最基本的和操作系統(tǒng)的接口，不實(shí)現(xiàn)任何通用邏輯，因此所有串口功能都需要編程實(shí)現(xiàn)，比如數(shù)據(jù)緩沖邏輯、阻塞邏輯和配置命令等，開發(fā)和測試成本高；第二，為每個串口設(shè)備單獨(dú)開發(fā)驅(qū)動，由于同型號芯片操作方式相同，會產(chǎn)生大量重復(fù)代碼，代碼復(fù)用性差且不支持?jǐn)U展。采用uClinux平臺設(shè)備驅(qū)動技術(shù)和TTY終端設(shè)備驅(qū)動模型進(jìn)行串口驅(qū)動程序開發(fā)，TTY終端設(shè)備驅(qū)動中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了串口通用邏輯，因此只需對標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行實(shí)現(xiàn)[2]，就可以開發(fā)出功能完備的串口驅(qū)動程序，縮短了開發(fā)和測試周期。當(dāng)硬件連接更多擴(kuò)展芯片時，在系統(tǒng)中創(chuàng)建對應(yīng)的平臺設(shè)備，就可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動程序的復(fù)用和擴(kuò)展。

1 串口擴(kuò)展硬件原理

圖1描述了使用ST16C2552擴(kuò)展串口設(shè)備的硬件連接方式。為了提高BF518異步總線[3]的擴(kuò)展能力，使用CPLD對BF518異步總線的高位地址線(A16-A19)進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生多個片選信號。BF518通過CPLD連接了4片ST16C2552芯片，一片ST16C2552提供2個獨(dú)立串口，因此總共擴(kuò)展出8個串口。為每個串口分配一個用來連接中斷信號線的GPIO。

圖1 BF518與ST16C2552硬件連接圖

2 uClinux下的串口驅(qū)動程序

2.1 平臺設(shè)備驅(qū)動

平臺設(shè)備驅(qū)動架構(gòu)包含總線、設(shè)備和驅(qū)動，總線自動完成設(shè)備和驅(qū)動的匹配工作[4]。使用平臺設(shè)備驅(qū)動技術(shù)可以隔離板級信息和驅(qū)動程序，在平臺設(shè)備信息中定義設(shè)備使用的資源、設(shè)備的具體配置信息，而在驅(qū)動中，使用標(biāo)準(zhǔn)API去獲取資源和信息，做到了板相關(guān)代碼和驅(qū)動代碼的分離，使驅(qū)動具有擴(kuò)展性。

2.2 平臺設(shè)備驅(qū)動的注冊與卸載

ST16C2552驅(qū)動程序使用module_init(st16c2552_uart_init)與module_exit(st16c2552_uart_exit)指定加載函數(shù)與卸載函數(shù)。st16c2552_uart_init函數(shù)調(diào)用uart_register_driver和platform_driver_register完成uart_driver和platform_driver的注冊，st16c2552_uart_exit函數(shù)調(diào)用uart_unregister_driver和platform_driver_unregister完成uart_driver和platform_driver的卸載。

2.3 平臺設(shè)備接口和驅(qū)動接口的實(shí)現(xiàn)

platform_device是平臺設(shè)備接口，對于每個串口設(shè)備，都需要實(shí)現(xiàn)該接口。platform_device數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含name、id、resource等成員變量。name是平臺驅(qū)動中實(shí)現(xiàn)驅(qū)動和設(shè)備匹配的關(guān)鍵，總線會根據(jù)name尋找對應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動[5]。id字段用來區(qū)分name字段完全相同的平臺設(shè)備。resource是資源數(shù)組,將內(nèi)存基地址和中斷號信息抽取出來保存到資源數(shù)組中，是實(shí)現(xiàn)設(shè)備相關(guān)代碼與驅(qū)動代碼分離的關(guān)鍵。根據(jù)ST16C2552的芯片特性，在這個數(shù)組中定義了兩個元素：基地址資源、中斷號資源。數(shù)組元素中的flags字段表示該資源類別，IORESOURCE_MEM表示內(nèi)存資源，IORESOURCE_IRQ表示中斷資源。驅(qū)動程序需要支持8個串口，因此建立8個platform_device，每個platform_device的name成員設(shè)置相同內(nèi)容，id成員從0依次累加，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置每片ST16C2552的基地址和中斷號。

platform_driver是平臺驅(qū)動接口，需要為probe和remove函數(shù)指針及name變量賦值，platform_device和platform_driver匹配時會調(diào)用probe指向的函數(shù)，注銷platform_device或platform_driver時會調(diào)用remove指向的函數(shù)。name字段用來匹配對應(yīng)的platform_device。

platform_driver中的probe函數(shù)主要完成驅(qū)動程序的初始化工作，首先創(chuàng)建uart_port，然后使用標(biāo)準(zhǔn)API獲取platform_device中的基地址和中斷號信息，對uart_port進(jìn)行初始化，最后通過調(diào)用dev_set_drvdata函數(shù)設(shè)置uart_port與platform_device關(guān)聯(lián)，調(diào)用uart_add_one_port函數(shù)設(shè)置uart_port與uart_driver關(guān)聯(lián)。上述操作完成后，系統(tǒng)中會生成與uart_port對應(yīng)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，設(shè)備名稱由uart_driver的dev_name與uart_port的line編號組成。

2.4 TTY終端設(shè)備驅(qū)動接口的實(shí)現(xiàn)

1)uart_driver與uart_port接口的實(shí)現(xiàn)

在驅(qū)動程序中實(shí)現(xiàn)uart_driver接口，該接口driver_name字段是驅(qū)動名稱，dev_name字段是設(shè)備名稱，major是主設(shè)備號，minor是從設(shè)備起始號，nr是uart_driver對應(yīng)串口設(shè)備的最大數(shù)量，硬件上擴(kuò)展了8個串口，所以設(shè)定為8。

uart_port用來保存了串口設(shè)備信息，初始化uart_port時，需要設(shè)置晶振頻率、發(fā)送FIFO大小、line編號、iotype 等參數(shù)字段，還要為其關(guān)聯(lián)uart_ops操作函數(shù)集。uart_ops包含與硬件相關(guān)的底層操作函數(shù)接口，需要編程實(shí)現(xiàn)這些操作函數(shù)。

2)startup函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

在應(yīng)用層調(diào)用open函數(shù)時，會最終調(diào)用uart_ops中的startup函數(shù)，該函數(shù)主要完成申請中斷、設(shè)置中斷處理函數(shù)以及使能ST16C2552接收中斷的操作。為了實(shí)現(xiàn)驅(qū)動程序的復(fù)用性，ST16C2552芯片寄存器的訪問地址通過計算方式獲得，使用基地址加上ST16C2552芯片內(nèi)部寄存器的偏移地址，得到硬件訪問地址。

3)set_termios函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

在應(yīng)用層進(jìn)行串口參數(shù)設(shè)置時，會最終調(diào)用uart_ops中的set_termios函數(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)置串口參數(shù)，包括數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗和波特率等功能。該函數(shù)獲取來自應(yīng)用層的termios數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中讀取串口參數(shù)的設(shè)置值，根據(jù)波特率計算分頻值，然后關(guān)閉ST16C2552中斷使能，將分頻值寫入DLL和DLM寄存器，將設(shè)置值寫入LCR寄存器，最后使能ST16C2552中斷，根據(jù)最新的設(shè)置值更新端口的timeout值。

4)start_tx函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

用戶發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過“write()系統(tǒng)調(diào)用-TTY核心-線路規(guī)程”的層層調(diào)用，最終調(diào)用uart_ops中的start_tx函數(shù)。在start_tx函數(shù)中，首先在ST16C2552中斷使能寄存器中設(shè)置發(fā)送中斷使能位，然后將發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)依次傳遞給ST16C2552發(fā)送寄存器。發(fā)送緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)比較多時，未發(fā)送的數(shù)據(jù)會在后續(xù)的發(fā)送中斷處理程序中發(fā)送出去。

5)中斷服務(wù)程序的實(shí)現(xiàn)

ST16C2552提供了基于優(yōu)先級的中斷管理機(jī)制，ISR(中斷狀態(tài)寄存器)中總是保存當(dāng)前優(yōu)先級最高的中斷代碼，其余中斷則保存到隊列中等待后續(xù)服務(wù)，需要將中斷觸發(fā)方式設(shè)置為電平觸發(fā)，在中斷處理程序中讀取ISR寄存器，根據(jù)中斷代碼判斷中斷類型，然后進(jìn)行相應(yīng)處理。

圖2是中斷處理函數(shù)流程圖。首先讀取ST16C2552中斷狀態(tài)寄存器獲得中斷代碼，然后判斷中斷類型。如果是接收中斷，先讀取線路狀態(tài)寄存器，然后讀取數(shù)據(jù)接收寄存器，接收數(shù)據(jù)計數(shù)累加，判斷是否產(chǎn)生錯誤，有則設(shè)置錯誤標(biāo)志，調(diào)用uart_insert_char函數(shù)，將接收到的數(shù)據(jù)拷貝到tty_struct結(jié)構(gòu)體的buf緩沖區(qū)中，最后調(diào)用tty_flip_buffer_push將數(shù)據(jù)拷貝到tty_struct結(jié)構(gòu)體的read_buf緩沖區(qū)中。如果是發(fā)送中斷，意味著硬件已經(jīng)將之前的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，串口發(fā)送硬件處于空閑狀態(tài)，這時可以將新的數(shù)據(jù)傳遞給硬件。程序先檢查發(fā)送緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)的數(shù)量和停止發(fā)送標(biāo)志，如果發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)里沒有待發(fā)送的數(shù)據(jù)或停止標(biāo)志有效，就將ST16C2552中斷使能寄存器的發(fā)送中斷使能標(biāo)志清零，禁用發(fā)送中斷，以減少對CPU資源的消耗，接下來檢查是否設(shè)置了高優(yōu)先級的字符，如果設(shè)置了，就先發(fā)送高優(yōu)先級字符，然后將發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)依次寫入ST16C2552的發(fā)送寄存器，由硬件發(fā)送，每次將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送寄存器時，對已發(fā)送字符個數(shù)進(jìn)行一次累加，最后檢查發(fā)送緩沖區(qū)中剩余字符的個數(shù)，如果小于256個，就喚醒向發(fā)送緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)的線程。

3 串口驅(qū)動程序測試

3.1 驅(qū)動安裝

使用insmod指令將所有platform_device和platform_driver安裝到系統(tǒng)中，進(jìn)入/dev目錄，執(zhí)行l(wèi)s命令列出所有設(shè)備節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)自動生成tty_ST16C2552_UART0～tty_ST16C2552_UART7共8個串口設(shè)備節(jié)點(diǎn)。

3.2 驅(qū)動調(diào)用測試

首先使用open系統(tǒng)調(diào)用打開串口，然后使用tcgetattr函數(shù)獲取當(dāng)前的termios數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，設(shè)置8數(shù)據(jù)位、1停止位、無奇偶校驗、波特率9 600 bps、原始輸入模式，設(shè)置更新termios數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[6]，循環(huán)中使用read系統(tǒng)調(diào)用接收數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)通過write系統(tǒng)調(diào)用發(fā)送出去。將測試板串口與計算機(jī)串口相連，在計算機(jī)上運(yùn)行串口調(diào)試助手，設(shè)置與測試程序一致的串口參數(shù)，使用串口調(diào)試助手發(fā)送數(shù)據(jù)，停止發(fā)送后觀測到發(fā)送與接收字節(jié)數(shù)及數(shù)據(jù)內(nèi)容都一致，證明串口驅(qū)動工作正常。

圖2 中斷處理函數(shù)流程圖

4 結(jié)束語

使用平臺設(shè)備驅(qū)動技術(shù)及TTY終端設(shè)備驅(qū)動模型相結(jié)合的方法開發(fā)了串口驅(qū)動程序，并編寫應(yīng)用程序?qū)︱?qū)動程序進(jìn)行調(diào)用測試，測試結(jié)果顯示該驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)了預(yù)期功能，目前已經(jīng)投入到項目使用中。使用該方案開發(fā)串口驅(qū)動程序主要有兩個優(yōu)點(diǎn)：第一，當(dāng)硬件連接更多ST16C2552時，只需編寫platform_device并動態(tài)加載到系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)對新增ST16C2552串口設(shè)備的支持，體現(xiàn)了驅(qū)動程序的動態(tài)擴(kuò)展特性；第二，uClinux下的TTY設(shè)備驅(qū)動模型已包含通用邏輯的實(shí)現(xiàn)，只需要實(shí)現(xiàn)它提供的一組接口函數(shù)，就可以開發(fā)出功能完備的串口驅(qū)動程序，降低了開發(fā)和測試成本，提高了驅(qū)動程序的可靠性。