基于華邦W90P710的嵌入式Linux串口驅(qū)動的實現(xiàn)方法

肖鐵航

(深圳市拓邦自動化科技股份有限公司，廣東 深圳518108)

嵌入式Linux是一種很受歡迎的操作系統(tǒng)，具有開放源碼、不存在黑箱技術(shù)、內(nèi)核小、功能強大、運行穩(wěn)定、效率高、易于定制裁減等特點[1]，廣泛應(yīng)用于工控產(chǎn)品。很多工控產(chǎn)品需要和外部設(shè)備進行信息交換，而串口通信是最簡單快捷的實現(xiàn)方法。在不同的工控產(chǎn)品中，由于對所選用的串口元件或者串口通信的數(shù)據(jù)格式、波特率等有不同的需求,需要對串口驅(qū)動進行開發(fā)。華邦W90P710采用ARM的ARM7TDMI微處理器核心，采用μCLinux-2.4.20內(nèi)核，支持4組通用異步接收發(fā)送口(UART)，下面基于華邦W90P710的串口驅(qū)動詳細(xì)分析串口驅(qū)動的實現(xiàn)方法，實現(xiàn)嵌入式設(shè)備通過串口對外通信。

1 華邦W 90P710 UART介紹

華邦W 90P710支持4組UART，串口的控制主要通過以下寄存器實現(xiàn)[2]：

(1)行寄存器（UART_LCR）：設(shè)置數(shù)據(jù)位長度、奇偶校驗、停止位數(shù)。

(2)波特率除數(shù)寄存器（UART_DLL、UART_DLM）：波特率發(fā)生器的公式為：BaudOut=crystal clock/16×[Divisor+2]，Divisor為當(dāng)前波特率。

(3)Modem 控制寄存器（UART_MCR）：控制 RTS、CTS等信號。

(4)FIFO控制寄存器（UART_FCR）：設(shè)置 FIFO的長度，復(fù)位FIFO等控制。

(5)接收超時寄存器（UART_TOR）：收到首個字節(jié)后接收器啟動本超時，之后每收到一個字節(jié)后都會重置該值，在此超時時間內(nèi)不再收到數(shù)據(jù)時，接收器會產(chǎn)生一個接收中斷。

(6)中斷控制器（UART_IER）：設(shè)置接收、發(fā)送、行中斷等。

在使用 RXDn、TXDn前必須對 GPIO進行配置，使能RXDn、TXDn，串口才可正常運行。GPIO配置對應(yīng)表如表1所示。

2 Linux系統(tǒng)驅(qū)動介紹

設(shè)備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機器硬件之間的接口。設(shè)備驅(qū)動程序為應(yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)，這樣在應(yīng)用程序看來，硬件設(shè)備只是一個設(shè)備文件，應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣對硬件設(shè)備進行操作。同時，設(shè)備驅(qū)動程序是內(nèi)核的一部分[3]。圖1所示為設(shè)備驅(qū)動程序接口流程圖。

表1 GPIO配置表

圖1 驅(qū)動程序接口流程圖

Linux系統(tǒng)的設(shè)備分為字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備三種。字符設(shè)備是指存取時沒有緩存的設(shè)備，只能順序讀寫。典型的字符設(shè)備包括鼠標(biāo)、鍵盤、串行口等；塊設(shè)備一般都有緩存來支持，并且塊設(shè)備必須能夠支持隨機存取。塊設(shè)備主要包括硬盤設(shè)備、CD-ROM等；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在Linux系統(tǒng)中用做專門的處理，Linux的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要是基于BSD Unix的 socket機制[4]。

3 串口驅(qū)動程序詳細(xì)介紹

一般來說，Linux的設(shè)備驅(qū)動程序包括驅(qū)動程序的注冊和注銷、設(shè)備的打開和釋放、設(shè)備的讀寫操作、設(shè)備的控制操作、設(shè)備的中斷和輪詢處理等功能。下面就這些功能對串口驅(qū)動進行詳細(xì)說明。

(1)串口設(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括串口參數(shù)接收發(fā)送緩沖區(qū)等。串口參數(shù)包括波特率、數(shù)據(jù)位、數(shù)據(jù)起始位、奇偶校驗、串口類型、發(fā)送緩沖區(qū)、接收緩沖區(qū)等，每個串口對應(yīng)一個如下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

(2)文件系統(tǒng)操作入口函數(shù)對應(yīng)文件操作函數(shù)read()、write()、ioctl()、open()、close()。

綜上所述，中國的乳企和養(yǎng)殖者之間的合約是一個權(quán)利義務(wù)相當(dāng)不對等的合約，養(yǎng)殖者被限制交易對象的對價應(yīng)該是買方保證以合理的價格收購其全部產(chǎn)品。對合約公平性的想象是初始合約的“參照點”，當(dāng)事后談判力弱的一方感受自己的權(quán)力受到侵害，就會“粗糙”地履行合約，導(dǎo)致其關(guān)系專用性投資不足，直至最終退出交易。

(3)驅(qū)動程序注冊和注銷。驅(qū)動程序在應(yīng)用前，需要在模塊初始化時將設(shè)備注冊到系統(tǒng)設(shè)備表中；不再使用時，將設(shè)備從系統(tǒng)中卸除。注冊包括初始化定時器、初始化串口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)serial_device和字符設(shè)備注冊。注銷時直接調(diào)用設(shè)備注銷函數(shù)[5]。

(4)串口設(shè)備打開包括分配串口的接收發(fā)送緩沖區(qū)及中斷注冊[5]。

(5)串口設(shè)備釋放包括釋放內(nèi)存空間、注銷中斷和刪除定時器[5]。

(6)串口讀數(shù)據(jù)是指返回接收緩沖區(qū)中已收到的數(shù)據(jù)。讀取數(shù)據(jù)有兩種方式，阻塞方式和非阻塞方式。阻塞方式[6]中用戶程序執(zhí)行讀操作時如果沒有數(shù)據(jù)可讀，即讓read（）操作等待直到數(shù)據(jù)可讀；非阻塞方式中當(dāng)用戶執(zhí)行讀操作時，不論串口是否接收到數(shù)據(jù)，設(shè)備驅(qū)動xxx_read（）函數(shù)會立刻返回，read（）函數(shù)系統(tǒng)調(diào)用也隨即返回。

(7)串口寫數(shù)據(jù)包括把數(shù)據(jù)存放在發(fā)送緩沖區(qū)、啟動硬件發(fā)送及發(fā)送中斷。當(dāng)發(fā)送第一個字節(jié)后，硬件會產(chǎn)生發(fā)送中斷，剩下的數(shù)據(jù)將在中斷處理程序中發(fā)送。

(8)串口控制包括設(shè)置串口波特率、奇偶校、停止位等，還可以定義其他特殊的控制。應(yīng)用程序通過ioctl（）調(diào)用把串口的參數(shù)傳遞給驅(qū)動程序，驅(qū)動程序再通過對硬件串口控制寄存器進行設(shè)置，來滿足應(yīng)用層用戶要求。

(9)中斷處理包括對接收中斷、發(fā)送中斷、異常中斷的處理。讀取中斷寄存器的狀態(tài)，根據(jù)不同的中斷類型分別處理。當(dāng)收到數(shù)據(jù)時，硬件會產(chǎn)生接收中斷，驅(qū)動程序把串口的數(shù)據(jù)讀取出來，放在接收緩沖區(qū)中，直到所有數(shù)據(jù)讀取完成；當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時，硬件會產(chǎn)生發(fā)送中斷，驅(qū)動程序把發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，直到所有數(shù)據(jù)發(fā)送完成；當(dāng)串口接收或發(fā)送發(fā)生異常時，會產(chǎn)生異常中斷，驅(qū)動程序根據(jù)情況把串口重新初始化，以便串口恢復(fù)正常。

(10)定時器處理。中斷接收程序只負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)讀取到緩沖區(qū)，并沒有指示緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)可被用戶使用，這時需要在超時程序中把可用標(biāo)志置上，當(dāng)用戶調(diào)用read（）函數(shù)時就可把接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)返回。

通過以上幾個函數(shù)的處理，實現(xiàn)了串口的驅(qū)動。

4 驅(qū)動程序編譯進Linux內(nèi)核

以下以UART1為例，介紹驅(qū)動程序編譯進Linux內(nèi)核的過程，步驟如下：

(1)添加主次設(shè)備號。

主次設(shè)備號用來標(biāo)識一個具體設(shè)備。主設(shè)備號用于標(biāo)識設(shè)備類型，每種類型的設(shè)備需要一個對應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序。一個主設(shè)備可以有多個具體的設(shè)備與之對應(yīng)。次設(shè)備號用于區(qū)分使用同種驅(qū)動程序的同類設(shè)備中多個不同的設(shè)備實例[7]。

在 W90P710-μClinux/μClinux-distlinux-2.4.x/include/linux目錄下的major.h中定義主設(shè)備號，添加如下代碼：

#define SERIAL1_MAJOR 230

在 W90P710-μClinux/μClinux-dist/vendors/Winbond/W90P710目錄下的makefile中建立設(shè)備主次設(shè)備號(主設(shè)備號為230，次設(shè)備號為1)，添加如下代碼：

(2)在 W 90P710-μClinux/μClinux-dist/linux-2.4.x/drivers/char目錄下的makefile中添加如下代碼：

(3)在 W90P710-μClinux/μClinux-dist/linux-2.4.x/drivers/char目錄下的config.in字符設(shè)備段中添加如下代碼：

(4)在 W90P710-μClinux/μClinux-dist目錄下運行 make menuconfig，在menuconfig的字符設(shè)備選項中可以看見剛剛添加的“CONFIG_TOPBAND_SERIAL1”選項，選上該項。使用 make dep、make clean、make三個命令編譯 Linux內(nèi)核，生成內(nèi)核文件 linux.bin[8]。

(5)在 W 90P710-μClinux/romdisk/dev目錄下創(chuàng)建設(shè)備文件，輸入命令：

mknod serial1 c 230 1

生成設(shè)備文件 “serial1”，應(yīng)用程序通過使用“/dev/serial1”這個設(shè)備文件名就可對串口進行操作。

最后編寫簡單的串口測試程序，編譯生成鏡像文件；再把鏡像文件rom fs.img和內(nèi)核文件linux.bin下載到開發(fā)板，把開發(fā)板的串口和PC機相連，PC機端使用串口調(diào)試工具發(fā)送測試數(shù)據(jù)，開發(fā)板能正確收發(fā)數(shù)據(jù)。

本文按驅(qū)動程序的功能詳細(xì)介紹了W90P710微處理器實現(xiàn)串口驅(qū)動的方法，串口驅(qū)動程序是很典型的字符設(shè)備驅(qū)動程序，其他字符設(shè)備驅(qū)動和串口的實現(xiàn)方法是相同的，這對開發(fā)其他字符設(shè)備驅(qū)動程序有一定的借鑒作用。

[1]李巖，榮盤祥.基于S3C44BOX嵌入式μClinux系統(tǒng)原理及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[2]W90P710CD/W90P710CDG16/32-bit ARM microcon troller Product Data Sheet[Z].Winbond Electronics Corporation，2006：330-350.

[3]劉天時，強新建，王瑞，等.ARM7嵌入式開發(fā)基礎(chǔ)實驗[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[4]鄭靈祥.嵌入式接口技術(shù)與Linux驅(qū)動開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[5]W90P710 system library user’s manual[Z].Winbond Electronics Corporation，2006：9-11.

[6]崔更申，孫安青.ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與實踐[M].北京：中國電力出版社，2008.

[7]宋寶華.Linux設(shè)備驅(qū)動開發(fā)詳解[M].北京：人民郵電出版社,2008.

[8]W90P710 μClinux user’s manual[Z].Winbond Electronics Corporation，2005：10-13.