實驗八 IO口驅(qū)動實驗

實驗八I/O口驅(qū)動實驗【實驗?zāi)康摹?、 了解PXA270微處理器GPIO的功能2、 熟悉PXA270微處理器GPIO驅(qū)動程序的編寫方法3、 掌握驅(qū)動程序的加載過程和方法【實驗原理】Linux以模塊的形式加載設(shè)備類型，通常來說一個模塊對應(yīng)一個設(shè)備驅(qū)動，因此是可以分類的。將模塊分成不同的類型或者類并不是一成不變的，開發(fā)人員可以根據(jù)實際工作需要在一個模塊中實現(xiàn)不同的驅(qū)動程序。一般情況，一個設(shè)備驅(qū)動對應(yīng)一類設(shè)備的模塊方式，這樣便于多個設(shè)備的協(xié)調(diào)工作也利于應(yīng)用程序的開發(fā)和擴展。設(shè)備驅(qū)動在準備好以后可以編譯到內(nèi)核中(參考實驗四的內(nèi)容)，在系統(tǒng)啟動時和內(nèi)核一起啟動，這種方法在嵌入式Linux系統(tǒng)中經(jīng)常被采用。通常情況下設(shè)備驅(qū)動的動態(tài)加載更為普遍(參考實驗七的內(nèi)容)，開發(fā)人員不必在調(diào)試過程中頻繁啟動機器就能完成設(shè)備驅(qū)動的開發(fā)工作。設(shè)備驅(qū)動在加載時首先調(diào)用入口函數(shù)init_module()，該函數(shù)完成設(shè)備驅(qū)動的初始化工作，比如寄存器置位、結(jié)構(gòu)體賦值等一系列工作，其中最重要的一個工作就是向內(nèi)核注冊該設(shè)備，對于字符設(shè)備調(diào)用register_chrdev()完成注冊，對于塊設(shè)備需要調(diào)用register_blkdev()完成注冊。注冊成功后，該設(shè)備獲得了系統(tǒng)分配的主設(shè)備號、自定義的次設(shè)備號，并建立起于文件系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)。設(shè)備在卸載時需要回收相應(yīng)的資源，令設(shè)備的響應(yīng)寄存器復(fù)位并從系統(tǒng)中注銷該設(shè)備，字符設(shè)備調(diào)用unregister_chrdev()、塊設(shè)備調(diào)用unregister_blkdev()。系統(tǒng)調(diào)用部分則是對設(shè)備的操作過程，比如open、read、write、ioctl等。圖8-1為一個設(shè)備驅(qū)動模塊動態(tài)掛載、卸載和系統(tǒng)調(diào)用的全過程。圖8-1設(shè)備驅(qū)動在內(nèi)核中的掛載、卸載和系統(tǒng)調(diào)用過程用戶空間I 內(nèi)核空間圖8-1設(shè)備驅(qū)動在內(nèi)核中的掛載、卸載和系統(tǒng)調(diào)用過程用戶空間I 內(nèi)核空間1<-模塊1111insmod*Init_module()-1—,廣,4 register_XXX1 系1統(tǒng)/—設(shè)備驅(qū)動調(diào)\r內(nèi)核模塊用rmmodClearup_module()- [ ? unregister_XXX設(shè)備驅(qū)動程序負責將應(yīng)用程序如讀、寫等操作正確無誤的傳遞給相關(guān)的硬件，并使硬件能夠做出正確反應(yīng)的代碼，因此在編寫設(shè)備驅(qū)動程序時，必須要了解相應(yīng)的硬件設(shè)備的寄存器、IO口及內(nèi)存的配置參數(shù)。1、硬件接口電路介紹（1）、LED和八段數(shù)碼顯示接口電路目標板LED和八段數(shù)碼顯示接口電路如圖8-2所示，74HC574為D鎖存器，在時鐘信號CLK作用下，該鎖存器將輸入信號進行鎖存，即xQ=xD（x=1?8）。從圖中可以看出，LED和八段數(shù)碼顯示電路將74HC574的時鐘信號輸入端作為片選信號，其中LED顯示的片選信號為LED_CS4、八段數(shù)碼顯示的片選信號為LED_CS1。在八段數(shù)碼顯示電路中，8位數(shù)據(jù)的高位（D7、D15:即數(shù)碼管的小數(shù)點dp段）用作八段數(shù)碼的公共選通信號，通過控制PNP三極管來控制數(shù)碼管的顯示。[1.2.6.8]BD[0:31]<<^-|\BDO2\ 3\ED24\BD35\ED57\ ，\EI”974HC574LED-CS4VCC5 0VCC_5FB1LBDR191680LSDh受>CLKOEVCC>CLK1190OPENSS8J50L.T1…5R202一VCC[1.2.6.8]BD[0:31]<<^-|\BDO2\ 3\ED24\BD35\ED57\ ，\EI”974HC574LED-CS4VCC5 0VCC_5FB1LBDR191680LSDh受>CLKOEVCC>CLK1190OPENSS8J50L.T1…5R202一VCC5F12QQ一I■SS8J50L.T1JJ22DidHD11□14□151191VCC3.3一R6574Hfti7422OPE雇R2161LED420gdp81A522OPE^D.1UFR216LEIM51iiD.1UFVCC3.3一R65LED420'77D1Q1D2Q2D3Q3D4Q4D5Q5D606D7Q7D8QG>CLKOOCgIHQ顯示電路中的片選信號LED_CSx,由目標板系統(tǒng)的PXA270xCPU的地址信號BA22?BA20通過BA20通過3-8譯碼器LC138產(chǎn)生（如圖8-3所示）。BA20BA21BA22圖8-3片選信號產(chǎn)生電路由圖可知，當BA22、BA21、BA20=101時產(chǎn)生LED顯示電路的片選信號LED_CS4,當BA22、BA21、BA20=010、011、100時分別產(chǎn)生八段數(shù)碼顯示電路的片選信號LED_CS1、LED_CS2、LED_CS3（另外2組八段顯示電路參考系統(tǒng)提供的總電路圖）。（2）、鍵盤接口電路目標平臺提供了陣列鍵盤（如圖8-4所示）和單按鍵鍵盤（如圖8-5所示）兩種鍵盤接口電路，其中陣列鍵盤中行控制信號線KP-MKIN0?2分別由CPU的通用IO口GPIO100?102控制，列控制信號線KP-MKOUT0?5分別由CPU的通用IO口GPIO103?105和GPIO108控制。單按鍵鍵盤的控制信號線KP-DKIN1?2,KP-DKIN5?6分別由CPU的通用IO口GPIO94?95和GPIO98?99控制。[1]KP-DKING[1]KP-DKIN1[1]KP-CKIN2[1]KP-DKIN5VCC_3.3KP-DK1M6KP-DK1M2KP-DK1H5xxKP-DK1H1[1]KP-DKING[1]KP-DKIN1[1]KP-CKIN2[1]KP-DKIN5VCC_3.3KP-DK1M6KP-DK1M2KP-DK1H5xxKP-DK1H1圖8-5單按鍵鍵盤接口、步進電機控制接口步進電機控制電路如圖8-6所示，步進電機的轉(zhuǎn)動方向控制信號和步進輸入信號GP1、GP2分別由CPU的通用IO口GPIO83和GPIO84控制。圖8-6步進電機控制接口電路2、I/O驅(qū)動程序設(shè)備驅(qū)動程序運行在內(nèi)核空間，而應(yīng)用程序則運行在用戶空間，Linux操作系統(tǒng)通過系統(tǒng)調(diào)用和硬件中斷完成從用戶空間到內(nèi)核空間的控制轉(zhuǎn)移，執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用的內(nèi)核代碼在進程的上下文中執(zhí)行，也就是說代表調(diào)用進程操作而且可以訪問進程地址空間的數(shù)據(jù)，中斷處理程序相對進程而言是異步的，而且與任何一個進程都無關(guān)。

設(shè)備驅(qū)動模塊的功能就是擴展內(nèi)核的功能，主要完成兩部分任務(wù)：一個是系統(tǒng)調(diào)用，另一個是中斷處理。下面分別以八段數(shù)碼顯示驅(qū)動模塊為例介紹如何在一個字符驅(qū)動設(shè)備實現(xiàn)對I/O驅(qū)動程序的編寫方法和過程(源碼實驗文件為XSB_EDR_8SEG..c)。模塊初始化模塊初始化module_init(Emdoor_8Seg_init)函數(shù)中的參數(shù)Emdoor_8Seg_init實際上為八段數(shù)碼顯示驅(qū)動模塊的初始化函數(shù)staticint_initEmdoor_8Seg_init(void)，該函數(shù)主要完成將產(chǎn)生數(shù)碼顯示的片選控制信號的BA22?BA20通過void*ioremap(unsignedlongoffset,unsignedlongsize)函數(shù)為I/O內(nèi)存區(qū)域分配虛擬地址，這樣設(shè)備驅(qū)動程序就能訪問I/O內(nèi)存地址，同時在模塊初始化函數(shù)中，register_chrdev()函數(shù)完成字符設(shè)備在內(nèi)核系統(tǒng)中的注冊并建立與文件系統(tǒng)(Emdoor_fops)的關(guān)聯(lián)。staticint__initEmdoor_8Seg_init(void){intret;cs1_address=ioremap(SEG_CS1,32);//distributeI/Omemorymapaddresscs2_address=ioremap(SEG_CS2,4);cs3_address=ioremap(SEG_CS3,4);ret=register_chrdev(61,DEVICE_NAME,&Emdoor_fops);//registerdevicenameif(ret<0){printk(DEVICE_NAME"can'tgetmajornumber\n");returnret;}return0;}其中數(shù)碼片選信號SEG_CS1~3和設(shè)備文件名在程序中采用#define宏定義進行定義。#defineDEVICE_NAME"emdoor_8seg"#defineSEG_CS1#defineSEG_CS2#defineSEG_CS3#defineSEG_CS1#defineSEG_CS2#defineSEG_CS30x102000000x103000000x10400000//A22,A21,A20=011->LED_CS2//A22,A21,A20=100->LED_CS3模塊的卸載模塊的卸載module_exit(Emdoor_8Seg_exit)函數(shù)中參數(shù)Emdoor_8Seg_exit實際上是模塊的從內(nèi)核卸載時所調(diào)用的staticvoid_exitEmdoor_8Seg_exit(void)；設(shè)備在卸載時需要回收相應(yīng)的資源，并利用unregister_chrdev(涵數(shù)從內(nèi)核中將設(shè)備注銷。staticvoid__exitEmdoor_8Seg_exit(void){iounmap(cs1_address);//releaseI/Omemorymap,reclaimsystemresourceiounmap(cs2_address);iounmap(cs3_address);unregister_chrdev(61,DEVICE_NAME);//unregisterdevice}設(shè)備文件操作接口定義設(shè)備文件操作接口定義是用戶使用該設(shè)備的關(guān)鍵，合理的定義可簡化應(yīng)用程序設(shè)計，縮短項目的整體開發(fā)周期。八段數(shù)碼顯示驅(qū)動模塊定義了open、write、release、ioctl等四種設(shè)

備文件操作，內(nèi)容如下所示:staticstructfile_operationsEmdoor_fops=(Emdoor_8Seg_open,Emdoor_8Seg_write,Emdoor_8Seg_release,Emdoor_8Seg_open,Emdoor_8Seg_write,Emdoor_8Seg_release,Emdoor_8Seg_ioctl,//openoperationfunction//writeoperationfunction//releaseoperationfunction//IOcontroloperationfunctionwrite:release:ioctl:owner:THIS_MODULE,};設(shè)備文件操作根據(jù)設(shè)備文件操作接口定義，每一個設(shè)備文件操作對應(yīng)一個系統(tǒng)調(diào)用，在用戶程序中利用系統(tǒng)調(diào)用對設(shè)備文件進行諸如open/write等操作時，系統(tǒng)調(diào)用通過設(shè)備文件的主設(shè)備號找到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序，然后讀取設(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)。在八段數(shù)碼顯示驅(qū)動模塊定義了open、write、release>ioctl等四種設(shè)備文件操作。.打開設(shè)備操作staticintEmdoor_8Seg_open(structinode*inode,structfile*filp){structseg*seg_7;seg_7=kmalloc(sizeof(structseg),GFP_KERNEL);//distributememoryinkernelspaceseg_7->negative=LED_MODULE;filp->private_data=seg_7;//privatedatapointerpointtoseg_7MOD_INC_USE_COUNT;//currentmodulecounteradd1return0;}.寫設(shè)備操作staticssize_tEmdoor_8Seg_write(structfile*file,constchar*buffer,size_tcount,loff_t*ppos){inti;structseg*seg_7=file->private_data;charled_forall[6];if(count!=6)//LEDamount{printk(KERN_EMERG"thecountofinputisnotsix!!");return0;}copy_from_user(led_forall,buffer,6);//copydatafromuserspacetokernelspacefor(i=1;i<=6;i++){value_seting(seg_7,i,LED[i-1]);}Updateled(seg_7);//lightentheLEDreturn6;}.I/O控制操作unsignedlongarg)staticintEmdoor_8Seg_ioctl(structinode*ip,structfile*fp,unsignedintcmd,unsignedlongarg)charval=0x00;structseg*seg_7=fp->private_data;if(!arg)return-EINVAL;if(copy_from_user(&val,(int*)arg,sizeof(char)))return-EFAULT;switch(cmd){//controltheLEDcommandwordcase1:value_seting(seg_7,1,val);//controlthefirst8LEDbreak;case2:value_seting(seg_7,2,val);//controlthesecond8LEDbreak;case3:value_seting(seg_7,3,val);//controlthethird8LEDbreak;case4:value_seting(seg_7,4,val);break;case5:value_seting(seg_7,5,val);break;case6:value_seting(seg_7,6,val);//controlthesixth8LEDbreak;case0: //clearallLEDseg_7->negative=LED_MODULE;break;default:printk(KERN_EMERG"ioctlparameterinputerror,pleaseinputnumber0-6");break;}Updateled(seg_7);//lightenLEDreturn0;}④.釋放設(shè)備操作staticintEmdoor_8Seg_release(structinode*inode,structfile*filp){kfree(filp->private_data);//releasememorywhichdistributedbykmallocMOD_DEC_USE_COUNT;//currentmodulecountersubtract1return0;}5）內(nèi)部自定義函數(shù)在八段數(shù)碼顯示驅(qū)動程序中，自定義了一個點亮數(shù)碼管的函數(shù) Updateled(structseg*seg_7)staticvoidUpdateled(structseg*seg_7){unsignedshortbuff=0x00;buff=seg_7->led1_val;buff=buff|(seg_7->led2_val<<8);writew(buff,cs1_address);//write16bitsdataintoI/Omemorybuff=0x00;buff=seg_7->led3_val;buff=buff|(seg_7->led4_val<<8);writew(buff,cs2_address);buff=0x00;buff=seg_7->led5_val;buff=buff|(seg_7->led6_val<<8);writew(buff,cs3_address);return;}和設(shè)置數(shù)碼管所顯示數(shù)值的函數(shù)value_seting(structseg*seg_7,charposition,charvalue)。voidvalue_seting(structseg*seg_7,charposition,charvalue){if(seg_7->negative==0)value=~value&~(0x1<<7);elsevalue=(0x1<<7)|value;if(position==1)seg_7->led1_val=value;elseif(position==2)seg_7->led2_val=value;elseif(position==3)seg_7->led3_val=value;elseif(position==4)seg_7->led4_val=value;elseif(position==5)seg_7->led5_val=value;elseif(position==6)seg_7->led6_val=value;}3、驅(qū)動模塊的編譯在編譯驅(qū)動模塊程序時，應(yīng)當編寫適合于特定目標平臺的Makefile編譯文件（具體參考實驗七和實驗二的內(nèi)容)，下面為八段數(shù)碼顯示驅(qū)動模塊的Makefile內(nèi)容,，必須注意的是交叉編譯工具變量CC和模塊將要使用和運行的內(nèi)核源碼的include變量INCLUDEDIR兩個變量的設(shè)定必須根據(jù)編譯平臺的實際路徑進行修改。CC=/opt/xscalevl/bin/arm-linux-gccINCLUDEDIR=/XSBase270/2.4/Kernel/xsbase/linux-2.4.21-emdoor_EDR/includeCFLAGS=-D__KERNEL__-DMODULE-Wall-O2CFLAGS+=-I..-I$(INCLUDEDIR)#8SEGTARGET_8SEG=XSB_EDR_8SEGOBJ_8SEG=$(TARGET_8SEG).oSOURCE_8SEG=$(TARGET_8SEG).call:$(OBJ_8SEG)$(OBJ_8SEG):$(SOURCE_8SEG)$(CC)$(CFLAGS)-c-o$(OBJ_8SEG)$(SOURCE_8SEG)clean:rm-rf$(OBJ_8SEG)4、驅(qū)動模塊的加載將編譯好的驅(qū)動模塊下載到目標上，進入目標板系統(tǒng)后，利用mknod命令在/dev目錄下建立該設(shè)備的節(jié)點。然后利用insmod命令裝載驅(qū)動模塊，最后在目標平臺中運行驅(qū)動模塊的測試程序driverTest（測試程序的下載過程參考實驗六的內(nèi)