(1.西安精密機械研究所，西安 710075; 2.陜西海泰電子有限責(zé)任公司，西安 710075)

0 引言

隨著嵌入式技術(shù)快速發(fā)展，功能更加齊全，性能更加強大的臺式儀器已經(jīng)面世，例如LXI儀器，其數(shù)據(jù)傳輸吞吐率，基于時間觸發(fā)，組建遠程分布式測控系統(tǒng)都具有明顯優(yōu)勢，但GPIB經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，總線協(xié)議已經(jīng)相當(dāng)成熟，仍然受到傳統(tǒng)用戶的青睞，因此眾多國內(nèi)外測試測量研發(fā)商開發(fā)高端的臺式儀器時，都會保留傳統(tǒng)的GPIB接口。由于LINUX操作系統(tǒng)內(nèi)核是開源的，使用者可以根據(jù)自身的需求，對其進行裁減配置，形成高效的嵌入式操作系統(tǒng)，使得LINUX成為當(dāng)前最流行的嵌入式操作系統(tǒng)之一，但不足之處是，它不像WINDOWS，有微軟專門的研發(fā)團隊對其進行不斷優(yōu)化和升級，LINUX并非以商業(yè)盈利為目的，沒有專門組織對其進行官方維護，從而LINUX內(nèi)核在集成各個芯片廠商的驅(qū)動時，不少驅(qū)動在一些應(yīng)用情況下，傳輸性能還不夠理想，尤其像GPIB這種只是測試測量領(lǐng)域里的專用總線，相比應(yīng)用廣泛的USB、LAN，更具典型性。

為了提升LINUX系統(tǒng)下GPIB傳輸性能，文章對其驅(qū)動進行了優(yōu)化。將GPIB中斷服務(wù)程序分割成頂半部和底半部，在底半部里開辟了配置成非原子操作的工作隊列，同時采用睡眠機制，高效的實現(xiàn)了驅(qū)動運行效率；在數(shù)據(jù)接收流程里，采用FIFO半滿位判斷標(biāo)準(zhǔn)，使得從FIFO中收數(shù)據(jù)到內(nèi)核緩沖區(qū)和向FIFO里傳數(shù)據(jù)可以并發(fā)進行，從而提升了數(shù)據(jù)傳輸速率；設(shè)備文件操作中的讀寫函數(shù)可能會同時操作臨界資源，應(yīng)用信號量避免了競態(tài)的發(fā)生，增強了驅(qū)動可靠性。

1 LINUX字符設(shè)備驅(qū)動模型分析

LINUX字符設(shè)備驅(qū)動程序[5]一般包括3部分：初始化、中斷服務(wù)、設(shè)備文件操作。在驅(qū)動程序初始化時，要向系統(tǒng)注冊此驅(qū)動程序，系統(tǒng)后續(xù)才能調(diào)用驅(qū)動里各設(shè)備文件操作接口。在Linux系統(tǒng)里，是通過調(diào)用register_chrdev向系統(tǒng)注冊設(shè)備驅(qū)動程序，初始化部分除了注冊設(shè)備驅(qū)動程序，一般還需要給驅(qū)動程序申請系統(tǒng)資源，包括內(nèi)存、時鐘、I/O端口等，芯片的初始化也在這里進行，另外還要設(shè)置清除，它是讓在初始化里注冊的資源，全部從內(nèi)核里注銷掉。對于設(shè)備經(jīng)常會提出請求給CPU，來執(zhí)行設(shè)備需要完成的操作，這就需要有中斷服務(wù)，驅(qū)動程序通過調(diào)用request_irq函數(shù)來申請中斷，其原型：int request_irq(unsigned int irq,void(*handler)(int irq,void dev_id,struct pt_regs*regs),unsigned long flags,const char*device,void*dev_id)；參數(shù)irq表示所要申請的硬件中斷號，handler為向系統(tǒng)申請的中斷服務(wù)程序，中斷產(chǎn)生時由系統(tǒng)來調(diào)用，調(diào)用時所帶參數(shù)irq為中斷號，dev_id為申請時告訴系統(tǒng)的設(shè)備標(biāo)識，regs為中斷響應(yīng)時信息寄存器地址；flag是申請時的選項，它決定中斷處理程序的一些特性，其中最重要的是影響處理速率和資源開銷的中斷響應(yīng)方式；device為設(shè)備名，在/proc/interrupts文件里被記錄，中斷服務(wù)具體的內(nèi)容由設(shè)備需要完成的操作來決定。設(shè)備文件操作是指file_operations結(jié)構(gòu)中的成員，它們?nèi)渴呛瘮?shù)指針，每個函數(shù)都完成一種設(shè)備操作，如讀寫操作，選擇操作，控制操作等。

字符設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)流程是：

1)查看原理圖及芯片資料理解設(shè)備的工作原理；

2)定義主設(shè)備號、注冊資源、注銷設(shè)備號及資源；

3)設(shè)計芯片初始化流程；

4)設(shè)計中斷服務(wù)；

5)定義file_operations結(jié)構(gòu)，設(shè)計所要實現(xiàn)的文件操作；

6)編寫用戶態(tài)測試程序，調(diào)試設(shè)備驅(qū)動。

調(diào)試時是通過insmod和rmmod命令實現(xiàn)驅(qū)動的加載和卸載，加載與卸載的原理如圖1所示。

圖1 加載與卸載的原理

2 GPIB驅(qū)動程序優(yōu)化設(shè)計

2.1 TNT4882原理

TNT4882是美國NI公司的一款高速且聽講功能兼?zhèn)涞腉PIB(General purpose interface bus)接口專用芯片。它內(nèi)部集成了Turbo488(高速傳輸電路)及NAT4882(IEEE488.2兼容電路)，能夠兼容ANSI IEEE Standard 488.1和ANSI IEEEStandard 488.2規(guī)范，其內(nèi)置還具有16個增強型IEEE488兼容收發(fā)器[6]。

TNT4882 內(nèi)部寄存器[7]共32個，每個寄存器的控制字都是8位，地址通常是TNT4882的基地址加上各個寄存器所對應(yīng)的偏移量而確定的。在GPIB驅(qū)動設(shè)計中，只有對寄存器進行正確設(shè)置，才能實現(xiàn)對GPIB的各種操作。工作模式可分為單芯片模式和Turbo + 9914模式，工作模式的選擇和轉(zhuǎn)換，由寄存器的設(shè)置來決定。Turbo+9914相當(dāng)于TMS9914A芯片的工作模式，目地是為了兼容此款芯片，但此時功能更加強大，單芯片工作模式是NI公司推薦的TNT4882工作模式，工作時的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于單芯片模式采用的是最簡單又是最快速的結(jié)構(gòu)，并且是推薦的TNT4882工作模式，因此，本驅(qū)動是在這種模式下進行設(shè)計。

圖2 單芯片工作模式

2.2 初使化函數(shù)設(shè)計

在初使化函數(shù)里除了注冊設(shè)備號以外，還要有以下方面要實現(xiàn)：寄存器硬地址映射到內(nèi)存的虛擬地址；分別初始化讀寫互斥的信號量、中斷服務(wù)程序底半部的工作隊列、阻塞的等待隊列；初始化芯片。

由于內(nèi)核無法訪問TNT4882寄存器硬地址，所以要通過映射到內(nèi)存的虛擬地址，來訪問TNT4882寄存器，映射的實現(xiàn)是通過調(diào)用內(nèi)核函數(shù)ioremap()來實現(xiàn)，此函數(shù)第一個參數(shù)設(shè)置為TNT4882芯片的首地址，TNT4882芯片的首地址是由硬件使用的片選信號線決定，函數(shù)的返回值便是首地址在內(nèi)存的映射地址，由于芯片手冊給出了每個寄存器的偏移量，這樣TNT4882的首地址在內(nèi)存的映射地址加上偏移量就是每個寄存器在內(nèi)存的地址。

信號量的本質(zhì)是一個整數(shù)值，它和一對函數(shù)聯(lián)合使用，這一對函數(shù)通常稱為P和V，P函數(shù)使信號量的值增加，V函數(shù)使信號量的值減少。如果信號量的值大于零，則進程可以操作臨界區(qū)的資源，反之，如果值小于零，則進程不能操作臨界區(qū)的資源[8]。由于讀寫函數(shù)可能會操作同一資源，這種情況會產(chǎn)生競態(tài)，嚴(yán)重時會導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)核的崩潰，所以需要通過信號量互斥，使用信號量之前要對其進行初使化，一般放在驅(qū)動初使化函數(shù)里，調(diào)用的內(nèi)核函數(shù)為init_MUTEX()；由于中斷處理是獨占CPU的，這樣如果整個任務(wù)需要別的進程在中斷后很短時間立刻執(zhí)行，那么中斷處理就不能耗時過長，所以經(jīng)常把中斷處理分為頂半部和底半部，頂半部只用來響應(yīng)中斷而底半部通過開辟個內(nèi)核進程進行真正的處理，而內(nèi)核進程是不獨占CPU的，這樣別的進程也可同時執(zhí)行，在底半部開辟進程常用的機制就是工作隊列，而且工作隊列還允許睡眠機制，使用工作隊列時同樣也需進行初使化，它通過調(diào)用INIT_WORK ()完成；阻塞是實現(xiàn)進程睡眠的機制，進程在運行時如果需要等待一個事件來到才能繼續(xù)運行，這時就需要用阻塞來使進程睡眠，由于應(yīng)用層的進程需要等待數(shù)據(jù)來到才能繼續(xù)處理，所以在內(nèi)核的讀函數(shù)里需要添加阻塞，內(nèi)核給驅(qū)動提供的最簡便的阻塞，就是等待隊列機制，使用前一樣要進行初使化，調(diào)用的函數(shù)是init_waitqueue_head()。

TNT4882芯片在上電運行前，要進行初使化，初使化的流程為：復(fù)位TNT4882芯片中的Turbo電路；將 TNT4882設(shè)置成Turbo+7210式;將TNT4882設(shè)置成單芯片模式；使Local_ PowerOn信號有效；設(shè)置TNT4882的GPIB主地址，屏蔽副地址以及設(shè)置GPIB握手參數(shù)；清除Local_ PowerOn信號后,開始GPIB操作。此過程全部是給寄存器賦值，這可通過內(nèi)核iowrite8()函數(shù)進行。

2.3 中斷服務(wù)優(yōu)化設(shè)計

中斷函數(shù)的流程如圖3所示，ATN(Attention)代表注意命令，REN(Remote Enable)代表遠控使能狀態(tài)，LACS(Listener Active State)代表聽者作用狀態(tài)，TACS(Talker Active State)代表講者作用狀態(tài)。GPIB主設(shè)備發(fā)來ATN命令，TNT4882產(chǎn)生中斷，如果GPIB接口處是遠控使能和聽者作用狀態(tài)，那么GPIB接口就準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，如果GPIB接口處是遠控使能和講者作用狀態(tài)，那么GPIB接口就可以發(fā)送數(shù)據(jù)。具體實現(xiàn)的方法是:利用linux字符設(shè)備驅(qū)動中斷注冊接口request_irq，將中斷響應(yīng)注冊到內(nèi)核里，中斷號設(shè)置成硬件設(shè)計時占用中斷向量表中的中斷號，從參數(shù)*device得到的GPIB設(shè)備名，寫入/proc/interrupts文件里，同時將中斷響應(yīng)屬性flags配置成中斷底半部獨立運行，用iowrite8()將TNT4882中斷使能寄存器中有關(guān)的ATN、REN、TAC、SLACS全部使能，在中斷服務(wù)程序中，用ioread8()讀TNT4882中斷響應(yīng)信息寄存器的信息，出現(xiàn)與LACS相同的信息，調(diào)用收操作，出現(xiàn)與TACS一致的信息，調(diào)用發(fā)操作。

對于TNT4882芯片，收發(fā)操作首先要對收發(fā)數(shù)據(jù)狀態(tài)初始化，然后循環(huán)收發(fā)數(shù)據(jù)，最后退出收發(fā)數(shù)據(jù)狀態(tài)。對于具體流程，發(fā)送數(shù)據(jù)流程，如圖4所示。由于GPIB是通過接口之間的握手協(xié)議來進行通信，所以接收和發(fā)送流程的初始化和退出要完全按照協(xié)議規(guī)定來設(shè)計，他們是一致的，這樣在接收數(shù)據(jù)的具體流程中，只詳細(xì)分析了數(shù)據(jù)接收過程，如圖5所示。TNT4882的FIFO是一個16字節(jié)深的緩沖區(qū)，TNT4882不僅提供了它的全滿標(biāo)志位而且還提供了半滿標(biāo)志位，此流程中沒有使用傳統(tǒng)的全滿位作為接收數(shù)據(jù)的判斷位，而是采用了FIFO半滿位進行判斷，這樣從FIFO中收數(shù)據(jù)到內(nèi)核緩沖區(qū)和向FIFO里傳數(shù)據(jù)可以同時并發(fā)進行，而如果用全滿位進行判斷，只有先收數(shù)據(jù)后，有了空間才能向FIFO里傳數(shù)據(jù)，所以采用半滿位可以提高數(shù)據(jù)接收速率。

圖3 中斷函數(shù)的流程

圖4 數(shù)據(jù)發(fā)送流程 圖5 數(shù)據(jù)接收流程

在中斷函數(shù)里，數(shù)據(jù)收發(fā)操作是通過調(diào)用自定義的兩個函數(shù)：short Receive(void)，short Send(void)來實現(xiàn)的。對于收是直接調(diào)用收函數(shù)，而對于發(fā)則是間接調(diào)用，通過調(diào)用工作隊列來調(diào)用發(fā)函數(shù)，如果直接調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)，那么根據(jù)中斷服務(wù)程序運行是獨占CPU的原理，導(dǎo)致用戶態(tài)的應(yīng)用程序只能等中斷服務(wù)程序結(jié)束才能執(zhí)行，這樣數(shù)據(jù)還沒有過來，就先執(zhí)行數(shù)據(jù)發(fā)送，反復(fù)輪詢，這顯然是低效的，而調(diào)用工作隊列，等于內(nèi)核開辟了一個進程，便釋放了CPU，并配置成非原子操作模式[9]，這樣內(nèi)核態(tài)的工作隊列和用戶態(tài)的進程可同時運行，當(dāng)在工作隊列開始處再加上睡眠，數(shù)據(jù)到達內(nèi)核后，喚醒工作隊列，此時再調(diào)用發(fā)函數(shù)，數(shù)據(jù)進行發(fā)送，此時運行效率明顯提升。

數(shù)據(jù)收發(fā)操作具體實現(xiàn)的方法是:在數(shù)據(jù)發(fā)操作方面，用creat_workque創(chuàng)建工作隊列，將該創(chuàng)建的工作隊列賦給queue_work函數(shù)第一個參數(shù)，將Send(void)函數(shù)指針賦給queue_work函數(shù)第二個參數(shù)，從而將Send(void)函數(shù)插入工作隊列，并將workqueue_struct 類型的結(jié)構(gòu)體變量中的屬性成員配置成非原子操作，中斷服務(wù)程序運行到queue_work接口處，內(nèi)核將自動開辟進程執(zhí)行Send(void)，在開辟進程開始處，調(diào)入wait_event_interruptible()使Send(void)睡眠，在文件操作寫函數(shù)結(jié)束處，調(diào)入wake_up_interruptible()來喚醒該睡眠；對于Send(void)本身，用memset函數(shù)將TNT4882的FIFO清空，并用iowrite8()在傳輸寄存器里配置傳輸參數(shù)和傳輸字節(jié)數(shù)，配置完成后，再用ioread8()讀取傳輸就緒位，等待傳輸就緒，最后使能傳輸位，完成初始化；設(shè)置傳輸字符計數(shù)變量，讀取FIFO狀態(tài)寄存器，判斷是否FIFO為滿，不為滿時往里面循環(huán)寫數(shù)據(jù)，直到計數(shù)變量到達此次發(fā)送字符數(shù)，退出發(fā)送操作，注意發(fā)操作結(jié)束后，要利用的destroy_workque注銷工作隊列。在數(shù)據(jù)收操作方面，初始化與發(fā)操作一致，不做贅述，用ioread8()讀取中斷使能寄存器的聽狀態(tài)位，如果是聽狀態(tài)，并且FIFO至少半滿，設(shè)置接收計數(shù)變量，開始從FIFO中用循環(huán)取數(shù)據(jù)，直至取FIFO半滿的數(shù)據(jù)，然后再判斷中斷使能寄存器的聽狀態(tài)位，如果仍是聽狀態(tài)，重復(fù)以上操作，如果聽狀態(tài)結(jié)束，F(xiàn)IFO中仍有數(shù)據(jù)，用ioread8()將數(shù)據(jù)取回，退出收操作。

2.4 設(shè)備文件操作讀寫優(yōu)化設(shè)計

GPIB驅(qū)動里的讀寫函數(shù)即read和write分別實現(xiàn)用戶態(tài)從內(nèi)核收數(shù)據(jù)和用戶態(tài)向內(nèi)核發(fā)數(shù)據(jù)，實際上就是在read和write里分別調(diào)用內(nèi)核的copy_to_user和copy_from_user來實現(xiàn)的。根據(jù)在初使化里的分析，讀寫要進行互斥，采用的方式是信號量。 具體實現(xiàn)的思路是：設(shè)信號量為驅(qū)動全局變量并調(diào)用內(nèi)核函數(shù)DECLARE MUTEX()使其初始值為1，在讀寫函數(shù)里的開始處調(diào)用down()使信號量減1，結(jié)束處調(diào)用up()使信號量加1。這樣如果寫進程操作了臨界資源，信號量的值變?yōu)榱悖x進程則無法操作臨界資源，當(dāng)寫進程結(jié)束后，信號量的值恢復(fù)為1，此時讀進程可以操作臨界資源，信號量的值又變?yōu)榱悖瑢戇M程則無法操作臨界資源，當(dāng)讀進程結(jié)束后，信號量的值又恢復(fù)為1，此時寫進程又可再次操作臨界資源，這樣就實現(xiàn)了讀寫互斥，消除了競態(tài)。

除此之外，由于內(nèi)核的讀函數(shù)是給應(yīng)用程序調(diào)用的函數(shù)接口，為了實現(xiàn)應(yīng)用程序在數(shù)據(jù)沒有到來的時候能夠被掛起，內(nèi)核的讀函數(shù)還要實現(xiàn)阻塞，具體實現(xiàn)的思路是：在讀函數(shù)里的開始處可以通過調(diào)用wait_event_interruptible()來使讀函數(shù)進入睡眠狀態(tài)，wait_event_interruptible()要放到down()前面，否則會產(chǎn)生死鎖，在GPIB接口處聽者作用狀態(tài)結(jié)束時，通過wake_up_interruptible()來喚醒睡眠狀態(tài)，這樣就實現(xiàn)了讀阻塞。

3 測試驗證

將儀器與計算機通過GPIB電纜相連，將mknod建立設(shè)備結(jié)點命令和insmod向內(nèi)核插入驅(qū)動命令的參數(shù)均設(shè)置為優(yōu)化后的GPIB驅(qū)動模塊，然后將以上命令編寫成腳本，在LINUX終端下運行此腳本，GPIB驅(qū)動便加載到LINUX內(nèi)核，并運行測試程序，因為在GPIB驅(qū)動的read函數(shù)里用了阻塞機制，所以在數(shù)據(jù)沒有到來之前，程序在阻塞狀態(tài)。從圖6可以看到GPIB設(shè)備已打開，驅(qū)動被成功加載到內(nèi)核。

圖6 優(yōu)化后的GPIB驅(qū)動被成功加載到內(nèi)核

接著在計算機上運行GPIB管理器軟件，*IDN？[10]命令隨軟件啟動自動發(fā)送，枚舉當(dāng)前在線儀器，圖7展示了儀器的信息成功返回；最后再對GPIB驅(qū)動進行命令快速連續(xù)發(fā)送測試，如圖8所示。

圖7 儀器信息成功返回

圖8 命令快速連續(xù)發(fā)送測試

從以上測試步驟可以看到，優(yōu)化后的GPIB驅(qū)動加載到LINUX內(nèi)核，系統(tǒng)運行正常，說明與系統(tǒng)兼容性良好，利用GPIB管理器軟件對在線GPIB儀器進行枚舉，設(shè)備被正常識別，說明驅(qū)動通信正常，以上兩方面的測試，反映了優(yōu)化后的GPIB驅(qū)動并沒有影響驅(qū)動原有的正常運行和功能，最后再針對向儀器發(fā)命令的頻率比較高時，GPIB驅(qū)動傳輸性能不是很理想的問題，進行命令快速連續(xù)發(fā)送測試，所有命令返回值均立即并正確返回，GPIB管理器軟件并無警告或異常報錯提示，這表明優(yōu)化后的GPIB驅(qū)動，使此問題得到了有效的改善。

4 結(jié)束語

本文主要從中斷服務(wù)程序和設(shè)備文件操作讀寫函數(shù)對GPIB驅(qū)動進行了優(yōu)化設(shè)計。在中斷服務(wù)程序底半部里，利用非原子操作工作隊列，實現(xiàn)了內(nèi)核態(tài)的進程和用戶態(tài)的進程并行，并結(jié)合了睡眠機制，從而提高了驅(qū)動運行效率；受并行工作思想的啟發(fā)，提出了FIFO半滿位作為接收數(shù)據(jù)流程中的判斷標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了FIFO中收數(shù)據(jù)到內(nèi)核緩沖區(qū)和向FIFO里傳數(shù)據(jù)可以并發(fā)進行，對加快數(shù)據(jù)傳輸速率起到了較好的效果；在讀寫函數(shù)里，應(yīng)用了信號量，避免了讀寫可能同時操作臨界資源的隱患，對驅(qū)動的可靠運行進行了加固。在對驅(qū)動運行效率，傳輸速率，可靠性幾方面的優(yōu)化后，GPIB驅(qū)動傳輸性能得到了一定的提升。