摘  要： 基于華邦W90P710處理器的Linux內(nèi)核應(yīng)用，詳細介紹了Linux串口驅(qū)動的實現(xiàn)方法。同時對Linux文件系統(tǒng)操作入口函數(shù)及內(nèi)核的編譯做了詳細的說明。
關(guān)鍵詞： ARM；Linux；UART；文件系統(tǒng)；串口驅(qū)動程序

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?滋CLinux-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W90P710 UART介紹
    華邦W90P710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。

    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、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)：
    typedef struct{
        int  bps;
        int  databits;
        int  stopbits;
        int  parity;
        int  siotype;        //串口參數(shù)
        int  openflag;
        int  recvTrigTimeout;
        SIO_D_SEND_BUFFER    *pSendBuf;//發(fā)送緩沖區(qū)
        SIO_D_RECV_BUFFER    *pRecvBuf;//接收緩沖區(qū)
        struct fasync_struct *fasync_queue;
        wait_queue_head_t    read_wait;
    }serial_dev;
    static serial_dev serial_device;
    (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()。
    struct file_operations serial_fops = {
        owner:        THIS_MODULE,
        poll:            serial_poll,
        read:        serial_read,
        write:        serial_write,
        ioctl:        serial_ioctl,
        open:        serial_open,
        release:    serial_release,
    };
    (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]。
    int __init topbandserial1_init(void)
    {
        init_timer(&timer);//初始化定時器結(jié)構(gòu)
        memset(&serial_device, 0, sizeof(serial_device));
        result=register_chrdev(SERIAL1_MAJOR, "serial1",
&serial_fops);
        …
    }
    (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]。
    static int serial_open(struct inode *inode, struct file *filp)
    {
      dev->pRecvBuf = kmalloc(sizeof(SIO_D_RECV_BUFFER), GFP_KERNEL);
      request_irq(INT_UART1,serial_interrupt,SA_SHIRQ,
"TopbandSerial1",&serial_device)；
      …
    }
    (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]。
    static int serial_release(struct inode *inode, struct file *flip)
    {
        serial_dev *dev = flip->private_data;//釋放內(nèi)存空間
        kfree(dev->fasync_queue);
        CSR_WRITE(COM_IER_1, 0x00); /* 中斷禁止 */
        free_irq(INT_UART1, dev); //注銷中斷
        del_timer(&timer);//刪除定時器
        MOD_DEC_USE_COUNT;
        dev->openflag = 0;
        …
    }
    (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。
    static int serial_read(struct file *filp, char *buf, size_t
count, loff_t *f_pos)
    {
            if(filp->f_flags & O_NONBLOCK)/非阻塞方式讀取
            retsts = serial_nonblock_read(dev,buf,count);
        else    /*阻塞方式讀取*/
            retsts = serial_block_read(dev,buf,count);    
        …
    }
    (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。
    static int serial_write(struct file *filp, const char *buf,
size_t count, loff_t *f_pos)
    {
    copy_from_user(&pSendBuf->frameData[pSendBuf->
bufWritex].data[0],buf, count)；
        CSR_WRITE(CMBOARD_GPIO_DATAOUT1,status1);
    enable_tx_interrupt_1();
        …
    }
    (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。
    static int serial_ioctl(struct inode *inode, struct file *flip,
unsigned int cmd, unsigned long arg)
    {
        switch(cmd){
                case SERIAL_IOC_BPS:
                    …
                    break;
                case SERIAL_IOC_SENDBUF:
                    …
                    break;
            }
    }
    (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。
    static void serial_interrupt(int irq, void * dev_id,
struct pt_regs *regs)
    {
        status = CSR_READ(COM_IIR_1);
        while(status & UART_IIR_STATUS_NO) == 0) 
        {
            switch(status)
            {
                case UART_IIR_STATUS_RDA:
　　                case UART_IIR_STATUS_TOUT:
　　                    receive_chars(dev,status);
　　                    break;
　　                case UART_IIR_THRE:    
　　                    transmit_chars(dev);
　　                    break;
　　            }
　　            status = CSR_READ(COM_IIR_1);
　　        }
　　}
    (10)定時器處理。中斷接收程序只負責(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。
    static void serial_timer(unsigned long dummy)
    {
        …
        serial_device.pRecvBuf->frameData
[serial_device.pRecvBuf->bufWritex].finished = 1;
        mod_timer(&timer,jiffies+2);/* 20 ms 進一次 */
    }

    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)備號用來標識一個具體設(shè)備。主設(shè)備號用于標識設(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-?滋Clinux/?滋Clinux-dist\linux-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-?滋Clinux/?滋Clinux-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：
    serial1,c,230,1 \
    (2)在W90P710-?滋Clinux/?滋Clinux-dist/linux-2.4.x/drivers/char目錄下的makefile中添加如下代碼：
    obj-$(CONFIG_TOPBAND_SERIAL1)+=w90p710_serial_1.o
    (3)在W90P710-?滋Clinux/?滋Clinux-dist/linux-2.4.x/drivers/char目錄下的config.in字符設(shè)備段中添加如下代碼：
    #if [ "$CONFIG_TOPBAND_SERIAL1" = "y" ]; then
          bool 'Topband serial1 support' CONFIG_TOPBAND_
SERIAL1
    #fi
    (4)在W90P710-?滋Clinux/?滋Clinux-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W90P710-?滋Clinux/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romfs.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。
參考文獻
[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 microcontroller 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 ?滋Clinux user’s manual[Z]．Winbond Electronics Corporation，2005：10-13.