嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用教程課件

主講內(nèi)容第8章

嵌入式系統(tǒng)BootLoader技術(shù)第9章

嵌入式Linux操作系統(tǒng)移植第10章

嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)第11章

嵌入式Linux應(yīng)用程序設(shè)計(jì)10.1嵌入式Linux驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)基礎(chǔ)

10.1.1嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序分類靜態(tài)加載的驅(qū)動(dòng)程序動(dòng)態(tài)加載的驅(qū)動(dòng)程序Linux將設(shè)備按照功能特性劃分為三種類型：字符設(shè)備，塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。10.1.2最簡單的內(nèi)核模塊1．helloworld模塊源代碼2．模塊的編譯3．模塊的加載和卸載10.1嵌入式Linux驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)基礎(chǔ)

10.2嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)重要技術(shù)10.2.1內(nèi)存與I/O端口（1）內(nèi)核空間和用戶空間（2）內(nèi)核中內(nèi)存分配內(nèi)核中獲取內(nèi)存的幾種方式如下。①通過伙伴算法分配大片物理內(nèi)存②通過slab緩沖區(qū)分配小片物理內(nèi)存③非連續(xù)內(nèi)存區(qū)分配④高端內(nèi)存映射⑤固定線性地址映射（3）I/O端口根據(jù)CPU體系結(jié)構(gòu)的不同，CPU對IO端口的編址方式有兩種：I/O映射方式（I/O-mapped）和內(nèi)存映射方式（Memory-mapped）。

下面主要討論一下內(nèi)存映射方式訪問I/O端口的方法，我們稱之為I/O內(nèi)存操作。I/O內(nèi)存區(qū)必須在使用前分配I/O內(nèi)存映射訪問I/O內(nèi)存映射到用戶空間10.1嵌入式Linux驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)基礎(chǔ)

10.2.2同步機(jī)制Linux內(nèi)核中包含的同步機(jī)制包括：原子操作、信號(hào)量（semaphore）、讀寫信號(hào)量（rw_semaphore）、自旋鎖（spinlock）、大內(nèi)核鎖(BigKernelLock，BKL)、讀寫鎖（rwlock）、讀拷貝更新（Read-CopyUpdate，RCU）和seqlock（順序鎖）等。1.原子操作原子操作主要用于實(shí)現(xiàn)資源計(jì)數(shù)，很多引用計(jì)數(shù)(refcnt)就是通過原子操作實(shí)現(xiàn)的。原子類型定義如下：typedefstruct{volatileintcounter;}atomic_t;原子操作通常用于實(shí)現(xiàn)資源的引用計(jì)數(shù)2.信號(hào)量信號(hào)量在創(chuàng)建時(shí)需要設(shè)置一個(gè)初始值.

3.讀寫信號(hào)量讀寫信號(hào)量有兩種實(shí)現(xiàn):一種是通用的，不依賴于硬件架構(gòu)一種是架構(gòu)相關(guān)的讀寫信號(hào)量的相關(guān)API有：DECLARE_RWSEM(name)該宏聲明一個(gè)讀寫信號(hào)量name并對其進(jìn)行初始化。voidinit_rwsem(structrw_semaphore*sem);該函數(shù)對讀寫信號(hào)量sem進(jìn)行初始化。voiddown_read(structrw_semaphore*sem);在Linux中，每一個(gè)進(jìn)程都用一個(gè)類型為task_t或structtask_struct的結(jié)構(gòu)來描述4.自旋鎖一個(gè)執(zhí)行單元要想訪問被自旋鎖保護(hù)的共享資源，必須先得到鎖，在訪問完共享資源后，必須釋放鎖。自旋鎖的API有：spin_lock_init(x);10.2.3阻塞與非阻塞1.阻塞操作2.非阻塞操作10.2.4時(shí)間問題1.延時(shí)操作：（1）長延時(shí)。（2）短延時(shí)2.內(nèi)核定時(shí)器內(nèi)核提供給驅(qū)動(dòng)許多函數(shù)來聲明、注冊、以及去除內(nèi)核定時(shí)器。

3.工作隊(duì)列采用缺省工作者線程來實(shí)現(xiàn)工作隊(duì)列的API：①INIT_WORK(_work,_func,_data)②intschedule_work(structwork_struct*work)③intschedule_delayed_work(structwork_struct*work,unsignedlongdelay)④voidflush_scheduled_work(void)⑤intcancel_delayed_work(structwork_struct*work)

創(chuàng)建自己的工作者線程和工作隊(duì)列，API：①structworkqueue_struct*create_workqueue(constchar*name)②intqueue_work(structworkqueue_struct*wq,structwork_struct*work)③intqueue_delayed_work(structworkqueue_struct*wq,structwork_struct*work,unsignedlongdelay)④voidflush_workqueue(structworkqueue_struct*wq)⑤voiddestroy_workqueue(structworkqueue_struct*wq)10.2.5中斷處理在Linux系統(tǒng)里，對中斷的處理是屬于系統(tǒng)核心部分，因而如果設(shè)別與系統(tǒng)之間以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，就必須把該設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序作為系統(tǒng)核心的一部分。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通過調(diào)用request_irq函數(shù)來申請中斷，通過free_irq來釋放中斷。它們被定義為：#include<linux/sched.h>intrequest_irq(unsignedintirq,void(*handler)(intirq,voiddev_id,structpt_regs*regs),unsignedlongflags,constchar*device,void*dev_id);voidfree_irq(unsignedintirq,void*dev_id);函數(shù)的參數(shù)如下。unsignedintirq：請求的中斷號(hào)。irqreturn_t(*handler)：安裝的中斷處理函數(shù)指針。unsignedlongflags：中斷處理的屬性。

constchar*dev_name：這個(gè)傳遞給request_irq的字串用在/proc/interrupts來顯示中斷的擁有者。

void*dev_id：用作共享中斷的指針。10.3字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以分為三個(gè)主要組成部分：１，自動(dòng)配置和初始化子程序，負(fù)責(zé)檢測所要驅(qū)動(dòng)的硬件設(shè)備是否存在和是否能正常工作。２，服務(wù)于I/O請求的子程序，又稱為驅(qū)動(dòng)程序的上半部分。３，中斷服務(wù)子程序，又稱為驅(qū)動(dòng)程序的下半部分。10.3.1字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)1.主次設(shè)備號(hào)：字符設(shè)備和塊設(shè)備通過文件系統(tǒng)中的名子來存取。主編號(hào)標(biāo)識(shí)設(shè)備相連的驅(qū)動(dòng)。次編號(hào)被內(nèi)核用來決定引用哪個(gè)設(shè)備。設(shè)備編號(hào)在驅(qū)動(dòng)程序的內(nèi)部具有固定的表示方式。在建立驅(qū)動(dòng)時(shí)，需要做的第一件事是獲取一個(gè)或多個(gè)設(shè)備編號(hào)來使用。在驅(qū)動(dòng)程序執(zhí)行的過程中，如果不希望在使用該設(shè)備，要及時(shí)的將設(shè)備編號(hào)釋放：2.驅(qū)動(dòng)相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)大部分的基礎(chǔ)性的驅(qū)動(dòng)操作包括3個(gè)重要的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它們是file_operations，file，和inode。（1）文件操作（file_operations） file_operation結(jié)構(gòu)表示了用戶程序怎樣對設(shè)備進(jìn)行操作。這個(gè)結(jié)構(gòu)，定義在<linux/fs.h>中，是一個(gè)函數(shù)指針的集合structmodule*owner。（2）文件結(jié)構(gòu) structfile定義于</linux/fs.h>，是設(shè)備驅(qū)動(dòng)中第二個(gè)最重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。（3）inode結(jié)構(gòu) inode結(jié)構(gòu)由內(nèi)核在內(nèi)部用來表示文件。3.自動(dòng)配置和初始化（1）初始化。當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒈患虞d的時(shí)候，首先會(huì)調(diào)用初始函數(shù)進(jìn)行自動(dòng)配置。（2）清除處理。4.中斷處理如果需要驅(qū)動(dòng)程序具有中斷處理的能力，必須進(jìn)行中斷申請。從request_irq返回給請求函數(shù)的返回值是0指示成功，為負(fù)表示錯(cuò)誤碼。中斷處理可以在驅(qū)動(dòng)初始化時(shí)安裝或者在設(shè)備第一次打開時(shí)。在中斷的使用過程中還可以對其進(jìn)行使能和禁止操作10.3.2字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)實(shí)例——LED驅(qū)動(dòng)1.LED驅(qū)動(dòng)程序分析本驅(qū)動(dòng)程序文件名為led2440.c2.驅(qū)動(dòng)模塊加入內(nèi)核使用命令：cp-fled2440.c/linux-2.6.32.4/drivers/char/編輯Kconfig文件：修改Makefile文件：配置、編譯內(nèi)核執(zhí)行makezImage內(nèi)核映像和驅(qū)動(dòng)程序模塊會(huì)先后被編譯完畢。將內(nèi)核下載至開發(fā)板；將驅(qū)動(dòng)程序模塊加入到根文件系統(tǒng)后，下載至開發(fā)板。這樣就可以調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行演示了。3.LED驅(qū)動(dòng)演示（1）驅(qū)動(dòng)程序模塊加載到內(nèi)核。進(jìn)入驅(qū)動(dòng)程序模塊所在目錄，執(zhí)行：insmod-fled2440.ko（2）建立設(shè)備節(jié)點(diǎn)。也就是建立用戶程序關(guān)聯(lián)到驅(qū)動(dòng)程序的途徑（3）演示程序。建立一個(gè)LED控制的簡單演示程序led2440test10.4網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序10.4.1Linux網(wǎng)絡(luò)設(shè)備簡介1.Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)2.DM9000控制器10.4.2網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分成幾個(gè)方面對其進(jìn)行介紹通用信息硬件描述信息協(xié)議相關(guān)信息設(shè)備操作函數(shù)接口10.4.3網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序分析1.初始化、清理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備初始化的工作主要是確定硬件設(shè)備的存在，以及將硬件設(shè)備加載到設(shè)備鏈表中，為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的激活做準(zhǔn)備。需要注意這兩個(gè)變量：name和owner。2.打開和關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)設(shè)備open函數(shù)主要用來完成對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中斷進(jìn)行注冊、通過配置物理接口初始化設(shè)備，以及為發(fā)送數(shù)據(jù)準(zhǔn)備隊(duì)列。3.中斷處理

網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的中斷處理函數(shù)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備激活時(shí)進(jìn)行注冊，主要用于完成：現(xiàn)場保護(hù)及中斷屏蔽、讀取網(wǎng)絡(luò)設(shè)備寄存器信息及判斷中斷原因并處理、恢復(fù)中斷現(xiàn)場。函數(shù)首先需要獲得自旋鎖，然后將當(dāng)前的寄存器地址保存下來，以便返回的時(shí)候繼續(xù)進(jìn)行被打斷的作業(yè)；接著就是屏蔽所有的中斷，讀取中斷狀態(tài)寄存器并清除中斷狀態(tài)寄存器，然后就開始真正的中斷處理了。當(dāng)發(fā)生接收中斷時(shí)，中斷函數(shù)調(diào)用dm9000_rx()函數(shù)。

4.sk_buff結(jié)構(gòu)sk_buff的數(shù)據(jù)成員分為兩部分：一部分是實(shí)際在網(wǎng)絡(luò)中要傳輸?shù)牟糠郑瑪?shù)據(jù)區(qū)（Packetdatestorage）；一部分由內(nèi)核管理服務(wù)于結(jié)構(gòu)鏈表。

還有一些常用的成員如：sk_buff->tstamp：sk_buff->dev：sk_buff->protocol：

內(nèi)核提供了一系列用于操作sk_buff數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的函數(shù)，用于分配、釋放、復(fù)制、克隆、擴(kuò)展等功能，下面介紹些常用的。structsk_buff*alloc_skb(unsignedintlen,intpriority)structsk_buff*dev_alloc_skb(unsignedintlen)

5.數(shù)據(jù)發(fā)送處理

6.數(shù)據(jù)接收處理

數(shù)據(jù)接收的主要工作有：檢查接收的到的數(shù)據(jù)包是否正確；根據(jù)數(shù)據(jù)被長度在內(nèi)核空間為數(shù)據(jù)包申請sk_buff；把數(shù)據(jù)包復(fù)制到sk_buff，填寫相關(guān)成員后插入隊(duì)列；釋放網(wǎng)絡(luò)芯片中分配的緩沖區(qū)。7.其它處理接口在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備結(jié)構(gòu)中還有一些函數(shù)接口需要實(shí)現(xiàn)，如：（1）get_stats（2）set_multicast_list（3）tx_tiemout10.5設(shè)備驅(qū)動(dòng)實(shí)例10.5.1ADC設(shè)備驅(qū)動(dòng)實(shí)例

ADC是比較簡單的字符設(shè)備，在此直接給出ADC的驅(qū)動(dòng)程序源代碼和注釋說明。10.5.2PWM設(shè)備驅(qū)動(dòng)實(shí)例10.5.3觸摸屏設(shè)備驅(qū)動(dòng)實(shí)例1.輸入子系統(tǒng)

在Linux中，輸入子系統(tǒng)(InputSubsystem)是由輸入子系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)層、輸入子系統(tǒng)核心層(InputCore)和輸入子系統(tǒng)事件處理層(EventHandler)組成。設(shè)備的驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)步驟如下：①在驅(qū)動(dòng)模塊加載函數(shù)中設(shè)置Input設(shè)備支持input子系統(tǒng)的哪些事件；②將Input設(shè)備注冊到input子系統(tǒng)中；③在Input設(shè)備發(fā)生輸入操作時(shí)(如：鍵盤被按下/抬起、觸摸屏被觸摸/抬起/移動(dòng)、鼠標(biāo)被移動(dòng)/單擊/抬起時(shí)等)，提交所發(fā)生的事件及對應(yīng)的鍵值/坐標(biāo)等狀態(tài)。在提交輸入設(shè)備的事件后必須用下列方法使事件同步，讓它告知input系統(tǒng)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)已經(jīng)發(fā)出了一個(gè)完整的報(bào)告：voidinput_sync(structinput_dev*dev)2.觸摸屏驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn) S3C2440A芯片內(nèi)