基于arm和uclinux多串口通訊的設計與實現(xiàn)3

1、基于 AR M 和 uClinux 多串口通訊的設計與實現(xiàn) 3王 欣 羅志祥 沈 光(華中科技大學光電子科學與工程學院 武漢 430074摘 要 以 AR M7嵌入式處理器 S3C44B0X 、 TI (T L16C752B 為硬件開發(fā) 平臺 , 設計基于 uClinux 。關鍵詞 AR M uClinux 串行設備驅動 中圖分類號 TP316. 891 引言通用異步接收發(fā)送芯片 UART 產(chǎn)生于上個世 紀 70年代 , 是第一塊大規(guī)模集成電路 。 1981年的 推出的 I B M PC 采用了 8250UART 芯片與外設進 行數(shù)據(jù)通信 , 直到上個世紀末 , UART 一直是 PC 中 最

2、主要的串行通信接口 。嵌入式系統(tǒng)的多串口擴展的應用范圍很廣 。 它可以用來做多串口服務器 /多串口卡 , 工業(yè) /自動 化現(xiàn)場 RS -485控制 , 使用 CDMA /GPRS MODE M 的無線數(shù)據(jù)傳輸 , 車載信息平臺 /車載 GPS 定位系 統(tǒng) , 遠傳自動抄表 (AMR 系統(tǒng) , 稅控 P OS/銀行終 端等金融機具 , DSP 數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)等 。 本文給出了系統(tǒng)的多串口擴展完整硬件和驅 動解決方案 。 該方案對于多串口擴展應用以及以 L inux/uClinux類的操作系統(tǒng)為基礎的驅動開發(fā)有 一定的指導意義和參考價值 。2 硬件方案設計目前嵌入式處理器常見的有 AR M 、

3、 Po werPC 、 M I PS 、 Mot or ola 68K 、 ColdFire (冷火 等 , 但 ARM 占 據(jù)了絕對主流 。由于低端市場上 AR M7/9型嵌入 式處理器非?；鸨?, 本文就選用了其中一種流行的 ARM7型處理器 S3C44B0X 作為硬件開發(fā)平臺 。 因為處理器 S3C44B0X 不帶內存管理單元 MMU (無內存分頁和地址映射機制 , 所以不能使用虛擬 內存 , 所以選用支持無存儲管理單元微處理器的 uClinux 操作系統(tǒng)作為軟件驅動開發(fā)平臺 。截止到目前 , 全球范圍內有超過 40種 UART 芯片可以選擇 , 大多數(shù) UART 芯片是以計算機總線 轉

4、換 UART 為應用基礎的 , 其管腳 、 寄存器基本相 同 。 這就使得 UART 芯片有很好的通用性 。本文 選用了其中較復雜的通用異步接收發(fā)送 (UART 芯片 T L16C752B 來擴展異步串行通訊口 。2. 1 UART 芯片 T L16C752B 工作原理圖 1 T L16C752B 功能模塊圖 1T L16C752B 芯片與 UART 芯片 ST16C2550引 腳兼容 , 使用外部晶振時有高達 3Mbp s 的波特率 , 內置兩套 UART 系統(tǒng) , 每套都能獨立工作 , 具有可 選的流控功能等 。T L16C752B 具有 64字節(jié)發(fā)送 /接收 F I F O , 收 、

5、發(fā) F I F O 的觸發(fā)等級可通過軟件編程實現(xiàn) , 能減少 對 CP U 中 斷 次 數(shù) , 提 高 芯 片 收 發(fā) 效 率 。 T L16C752B 芯片功能模塊如圖 1所示 。2. 2 接口電路設計處理器 S3C44B0X 2與 T L16C752B 之間的硬 件連接如圖 2所示 , D0D7通過總線收發(fā)芯片 S N74LVC16245A 連接 CP U 數(shù)據(jù)總線的低 8位 , 是441 計算機與數(shù)字工程 第 35卷 3收到本文時間 :2006年 9月 20日作者簡介 :王欣 , 男 , 碩士研究生 , 研究方向 :嵌入式系統(tǒng) 、 數(shù)字圖像處理 。 羅志祥 , 男 , 副教授 , 碩士生

6、導師 , 研究方 向 :寬帶光通信 , 傳感器網(wǎng)絡 。 沈光 , 男 , 碩士研究生 , 研究方向 :嵌入式系統(tǒng) 。UART 的 數(shù) 據(jù) 輸 入 與 輸 出 通 道 , 其 中 S N74LVC16245A 是用來延時和增強數(shù)據(jù)總線驅動能力 ; 片選 CS A 、 CS B 連接 Bank4和 Bank5的引腳 nCGS4、 nGCS5, 這兩個片選可以確定 2個 UART 端 口的起始地址 , 分別是 0x08000000、 0x0a000000。 即高位地址部分已固定 , 而片內寄存器的地址主要 由地址低 3位 A0A2確定 。只有在片選信號和 地址信號都有效時 , 才能對片內相應的寄存器

7、進行 正常讀寫 。 要注意的是 , Bank4和 Bank5的控制寄 存器的設置要參考 T L16C752B 圖 2 S3C44B0X 與 T L16C752B 硬件連接圖采用中斷方式通知 CP U 接收到新的字符或字 符已發(fā)送 , 這樣可以提高系統(tǒng)的實時性 。 這里中斷 引腳 I N T A 、 I N T B 直接連接 S3C44B0X 的外部中斷 引腳 EX I N T2EX I N T3。接入 T L16C752B 的外接 時鐘頻率最好是使用的波特率的倍數(shù) 。本文使用 的是 11. 0592M 的外部時鐘 , 輸出的的串口波特率 是 115200。 T L16C752B 內部寄存器的映

8、射表及訪 問方法在參考文獻 1中可查到 。3 串行設備驅動程序設計3. 1 uClinux 系統(tǒng)內核架構圖 3 uClinux 內核架構 (字符型設備 設備驅動程序是操作系統(tǒng)內核與機器硬件之間的接口 。 它為應用程序屏蔽了硬件的細節(jié) 。在 應用程序看來 , 硬件設備只是一個設備文件 , 應用 程序可以像操作普通文件一樣對硬件設備進行操 作 。 而事實上 , 對硬件的所有實際操作都是由用戶 空間的應用程序調用內核空間的驅動程序來完成 操作的 。 在 uClinux (本文使用 2. 4. 20 中 :、 網(wǎng)絡接口型 。 其中字 , (比如文件 一樣被訪問 。 open 、 cl ose 、 re

9、ad 和 write 等系統(tǒng)調用 , 如圖 3所示 。 3. 2 串行設備驅動的分析在 uClinux 內核中提供了訪問串行硬件的設 備 , 通常叫 tty 設備 (tty 是 Teletype 的簡寫 , 也可稱 為終端設備 , 現(xiàn)在用來表示任何基于字符的數(shù)據(jù) 終端 。 uClinux 提供了三類 tty 設備 :串行設備 (有 的書中干脆稱為串口 , 控制臺 , 偽終端 (p ty 。其 中 , 后兩者的命名只是因為從程序員的角度來看 , 它們和典型的 tty 設備 (即串行設備 以相似的方式工作 , 且它們的驅動程序已經(jīng)被編寫好了 , 而且 可能也不必為這兩類 tty 驅動程序編寫其他的

10、驅動 程序 。 這使得任何使用 tty 核心與用戶和系統(tǒng)交互 的新驅動程序都可以被看成是串行設備驅動程序 。 本文所設計的硬件就是典型的串行設備 。下面將 詳細介紹 tty 類設備驅動的層次結構和串行設備驅 動的實現(xiàn) 。3. 2. 1 TTY 驅動的層次結構在 uClinux 系統(tǒng)中 , tty 驅動根據(jù)它們與設備的 關系 , 以及在執(zhí)行流程中的位置 , 可以分為 tty 驅動 程序和與上層直接聯(lián)系的 tty 驅動接口程序 。 可以 用圖 4示意圖來表示這種控制關系 。各種串行設 備都有自己的 tty 驅動程序來控制硬件 。在 tty 驅 動程序上層接口中 , tty 驅動程序的核心緊挨在標

11、準字符設備驅動層之下 , 并提供了一系列的功能 , 作為接口被終端類型設備使用 。內核負責控制通 過 tty 設備的數(shù)據(jù)流 , 并且格式化這些數(shù)據(jù) 。這使 得 tty 驅動程序把重點放在處理流向或者流出硬件 的數(shù)據(jù)上 , 而不必重點考慮使用常規(guī)方法與用戶空 間的交互 。 為了控制數(shù)據(jù)流 , 有許多不同的線路設 置 (line disci p line 可虛擬地 “ 插入 ” 任何的 tty 設備 上 , 這由不同的 tty 線路設置驅動程序實現(xiàn) 。tty 線路設置對于 tty 驅動程序來說是不透明的 。 驅動程序不能直接與線路設置通信 , 甚至不知 541第 35卷 (2007 第 8期 計算

12、機與數(shù)字工程 道它的存在 。 在某種意義上講 , 驅動程序的作用是 將發(fā)送給它的數(shù)據(jù)格式化成硬件能理解的格式 , 并 從硬件那里接收數(shù)據(jù) 。 tty 線路設置的作用就是使 用特殊的方法 , 把從用戶或者硬件那里接收的數(shù)據(jù) 格式化 。 這種格式化通常使用一些協(xié)議來完成轉換 , 比如 PPP 或者是藍牙 (B luet ooth 3 。圖 4 tty 驅動層次結構圖 在 tty 驅動中使用到了一些數(shù)據(jù)結構 , 這些數(shù) 據(jù)結構關聯(lián)了整個 tty 驅動的各個層次 。 如圖 4和 圖 5所示 , 這些數(shù)據(jù)結構有如下幾種 。 在終端驅動 程序上層接口 tty_i o . c 文件中定義了終端驅動程 序的文

13、件操作結構 file_operations 實例 -用于和用 戶空間通訊 , 這是典型的字符設備的結構 , 它的每 一個成員函數(shù)都將與系統(tǒng)調用的 read 、 write 、 i octl 等關聯(lián)起來 。 在文件中還定義了 tty_struct 結構實 例 (如圖 4虛線框所示 , 它內部包含了下面的三種 結構 -它描述了通用 (或高層 tty 的屬性 , 主要是 在當 tty 設備打開的時候 , tty 核心將當前特定的 tty 端口的狀態(tài)保存在此結構中 。在默認線路設置模 塊 n_tty. c 文件和其它文件如 ppp 協(xié)議的線路設置 文件 ppp_async. c 中 , 定義了 tty

14、_ldisc 結構實例5-它列出了所有的當前線路設置的入口 。在各種串行設備的 tty 驅動程序中定義了 tty_driver結構 實例 (如圖 4虛線框所示 , 它內部包含了下面的 ter m i os 結構 -用來向 tty 核心注冊一個 tty 驅動程序 。 tty_driver結構中還包含所有的回調函數(shù) , 它們被 tty 驅動程序設置 , 并被 tty 核心調用 。 這些 回調函數(shù)的實現(xiàn)需要調用到底層硬件控制 , 對具體 寄存器進行讀寫 , 完成串行設備的收發(fā)操作 。ter m i os 結構 (如下所示 -每個 tty 驅動程序都包含有這樣一個結構實例 , 結構中的標志集合控 制終

15、端接口的各種特征 。用戶進程就是通過 ter 2m i os 結構來設置和修改終端屬性的 。struct ter m i os tcflag_tc_iflag;/3輸入模式標志 3/tcflag_tc_oflag;/3輸出模式標志 3/tcflag_tc_cflag;/3控制模式標志 3/tcflag_tc_lflag;/3局部模式標志 3/cc_tc_line;/3線路設置 3/cc_tc_ccNCCS;/33/;3. 2. 2tty 驅動中最重要的一 中 , tty 核心從用戶那里得到將被 tty 設備的數(shù)據(jù) , 然后把數(shù)據(jù)發(fā)送給 tty 線路設 置驅動程序 , 該驅動程序負責把數(shù)據(jù)傳遞給

16、 tty 驅 動程序 。 tty 驅動程序對數(shù)據(jù)進行格式化 , 然后才 能發(fā)送給硬件 。 從 tty 硬件那里接受的數(shù)據(jù)將回溯 至 tty 驅動程序 , 然后流入 tty 線路設置驅動程序 , 接著是 tty 核心 , 最后用戶從 tty 核心那里得到數(shù)據(jù) 。 有時 tty 驅動程序直接與 tty 核心通信 , tty 核 心將數(shù)據(jù)直接發(fā)送給 tty 驅動程序 , 但通常是 tty 線 路設置驅動程序修改在二者之間流動的數(shù)據(jù)3。在不同的線路設置中 , 數(shù)據(jù)的流向和處理方式 是不同的 。 例如如圖 5所示 , 串行設備在默認狀態(tài) 下和 ppp 撥號連接建立時的數(shù)據(jù)處理方式是不同 的 , 而且數(shù)據(jù)

17、傳入的用戶空間 (或是傳出的用戶空 間 也是不同的 。圖 5中描述了串行設備驅動所 涉及的重要模塊是如何注冊的 (注冊是為了允許 每個程序塊能像內核模塊一樣被調用 , 以及串行 數(shù)據(jù)是如何在不同的線路設置情況下傳輸?shù)?。其 中實線箭頭表示串行設備驅動在默認的線路設置 下的情況下數(shù)據(jù)在不同的驅動程序文件間的流向 , 而點劃線箭頭描述了串行設備驅動在 ppp 撥號連 接的線路設置下的情況 。 3. 3 串行設備驅動的實現(xiàn)如前面所述 , 實現(xiàn)串行設備驅動 (即 tty 驅動 程序 , 就是要定義 tty_driver結構實例和實現(xiàn)結構 中的回調函數(shù) 。而在 uClinux 內核中 (如圖 5所 示

18、, 為了簡化并標準化串行設備驅動的編寫 , 又 在 tty 驅動程序中抽象出了一個串行核心驅動層 serial_core,其中申明了 uart_driver結構 (用來向串行核心驅動注冊一個串行設備硬件控制驅動 , 并 將對串行設備硬件的一組標準控制方法接口 (供 tty_driver結構中的回調函數(shù)使用 封裝在 uart_op s 6結構中 , 另外在 uart_port結構中封裝了串行設備端口的相關參數(shù) , 還對外提供了注冊串行設備 硬件控制驅動的輔助函數(shù) 。6 41 王 欣等 :基于 AR M 和 uClinux 多串口通訊的設計與實現(xiàn) 第 35卷圖 5 串行設備驅動模塊關聯(lián)圖 由于串行

19、核心驅動 serial_core封裝的大部分 的通用串行設備的操作 , 且為串行設備硬件控制驅 動提供了一組實現(xiàn)串行硬件控制的標準接口 , 這就 大大簡化了編寫此類串行設備驅動的難度 。只需 針對特定的硬件實現(xiàn)這一組方法和對應的中斷服 務程序 , 就基本上實現(xiàn)了串行設備驅動 。 (如果在 某些情況下不適合使用這套標準接口 , 也可以不借 助串行核心驅動 , 而單獨編寫串行設備驅動 。 具體 情況請參考 L inux/uClinux 的串行設備驅動源碼 。 因此 , 實現(xiàn)串行設備硬件控制驅動是本文編寫 串行設備驅動的主要目標 。本文中所需做的就只 是在串行設備硬件控制驅動程序中對端口進行注 冊和

20、實現(xiàn) uart_ops 結構中提供的對端口的一組控 制方法及所需的中斷服務程序 (I SR 。uart_ops 結構是串行核心驅動 serial_core和串 行設備硬件控制驅動之間的主要接口 。它包含控 制硬件的所有方法 。其中重要函數(shù)的偽碼及說明 如下所示 :int (3startup (struct uart_port3port, struct uart_info 3info 重置串行設備對應端口的 F I F O 隊列 ;清除對應端口中斷相關的寄存器的值 ;檢查對應端口線路狀態(tài)寄存器的值判斷 UART 是否存 在 , 如果不存在 , 則立即返回 ;搶占對應端口的中斷資源 , 如果中斷申

21、請出錯 , 則立即 返回 ;初始化對應端口的狀態(tài) ;使能對應的端口中斷并再次重置 F I F O 隊列 ;該函數(shù)在接收字符時調用并使能端口 。此外 , 還有 void (3shutdown (struct uart_port 3port, struct uart_info 3inf o 函數(shù) , 它與 startup ( 函數(shù)操作相反 , 該函數(shù)在關閉端口時調用 , 并釋放 所有的中斷資源 。在串行設備硬件控制驅動中還使用了串行核 心驅動提供的一些輔助函數(shù) 。如在模塊初始化函 數(shù)中使用了 int uart_register_driver(struct uart_driv2 er 3drv 函數(shù)

22、來注冊一個串行設備端口 ; 在模塊卸 載函數(shù)中使用了 void uart_unregister_driver(struct uart_driver3drv 函數(shù)移除串行設備端口 。 中斷處理是串行設備硬件控制驅動中的重要 部分 , 當接收 F I F O 中的字符和發(fā)送 F I F O 中的字 符數(shù)到達觸發(fā)等級的時候都會觸發(fā)系統(tǒng)中斷進行 處理 。為了減少中斷次數(shù) , 提高收發(fā)效率 , 在設置 端口參數(shù)時 , 設置接收 F I F O 至少有 8個字符時就 觸發(fā)中斷 , 設置發(fā)送 F I F O 至少有 8個空位時就觸 發(fā)中斷 。當注冊中斷服務程序時 , 如“ request_irq (port

23、 ->irq, handler, S A _I N TERRUPT, “ tl16c751buart_int_pr oc ” , info ; ” , 驅動將通知內 核該串行設備將使用 port ->irq 對應的中斷號 (本文驅動中使用的中斷號是 22、 23 。 handler 指 向的是中斷服務函數(shù)的地址 , S A _I N TERRUPT 說 明注冊的是一個快速中斷 。由于每個 UART 都分 配了一個中斷 , 且 UART 收發(fā)字符都會產(chǎn)生中斷 , 因此在中斷服務函數(shù)中應對兩種中斷分別進行處 理 , 這可由中斷標示寄存器 II R 的值來區(qū)分 。 其中 發(fā)送中斷的操作如

24、圖 7所示 。為了解決字符型設備的外設處理速度和 CP U 的處理速度不匹配問題 , 往往需要緩沖 。一般的 7 41第 35卷 (2007 第 8期 計算機與數(shù)字工程 UART 控制器都帶有不多于幾十個比特的 F I F O,但這遠遠不夠 , 還需要從主存中開辟緩沖區(qū) , 具體大小視情況而定 。 在 tty 驅動程序中緩沖區(qū)采用的 是一種環(huán)形緩沖區(qū) , 如圖 6所示 。 當接收中斷到來 后中斷服務程序從 UART 的 F I F O 中讀入接收的字 節(jié) , 放入接收環(huán)形緩沖區(qū)的頭 , 然后喚醒處于睡眠 狀態(tài)的用戶讀操作 。用戶讀操作將接收緩沖區(qū)尾 部的數(shù)據(jù)傳給用戶空間 。 當用戶進程想讀操作

25、 , 而 接收緩沖區(qū)無數(shù)據(jù)時 , 用戶讀進程睡眠在讀等待隊 列上 , 直到 UART 有新的數(shù)據(jù)到來 , 斷時才被喚醒。 當發(fā)送中斷到來后 , , 當 用戶進程想寫操作 , 用戶寫進 程睡眠在寫等待隊列上 , 直到 UART 產(chǎn)生新的發(fā)送 中斷 , 讀走發(fā)送緩從區(qū)的數(shù)據(jù)時才被喚醒。當中斷服務函數(shù)退出前 , 應該清除中斷 。 清除 中斷有兩步 :一是清除 UART 端口的中斷請求信 號 , 只需設置 UART 的中斷使能寄存器關閉中斷即 可 。 二是清除 CP U 的相應中斷請求 位 , 只需對 S3C44B0X 的中斷掛起寄存器相應位置 1即可 。圖 6 接收 /發(fā)送緩沖示意圖中斷服務程序的偽碼如下所示 :void tl16c752buart_int_pr oc (int irq , void 3dev_id , struct p t_regs3regs 清除中斷請求位 ;判斷該中斷來自哪個 UART 端口 ; 讀取該端口的中斷標示寄存器 ;if (端口的 tty_struct結構不存在或中斷未發(fā)生 退出本程序 ;s witch (中斷標示寄存器 case 發(fā)送中斷 :調用中斷發(fā)送函數(shù) ;break; case 接收中斷 :case 接收超時中斷 :調用中斷接收函數(shù) ;break; default:break; 中