1、uClinux操作系統(tǒng)概述

uClinux是Linux2.0的一個分支，它被設計用于沒有MMU的微控制器領域，即被廣泛應用于嵌入式Linux領域。uClinux的最大特征就是沒有MMU（內(nèi)存管理單元模塊）。它很適合那些沒有MMU的處理器，如ARM7TDMI，m68ez328等。

uClinux具有完全的TCP/IP協(xié)議棧，同時對其他許多的網(wǎng)絡協(xié)議都提供支持。這些網(wǎng)絡協(xié)議都在uClinux上得到了很好的實現(xiàn)。uClinux可以稱作是一個針對嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)秀網(wǎng)絡操作系統(tǒng)。

2、Linux驅(qū)動程序設計概述

     Linux系統(tǒng)內(nèi)核通過設備驅(qū)動程序與外圍設備交互，設備驅(qū)動程序是Linux內(nèi)核的一部分，它是一組數(shù)據(jù)結構和函數(shù)，這些數(shù)據(jù)結構和函數(shù)通過定義的接口控制一個或多個設備。

和UNIX一樣，Linux中所有的設備均作為文件來對待，這些文件一般稱為特殊文件，這樣做的一個好處是使用戶或應用程序可按操縱普通文件的方式進行訪問控制硬件設備。

Linux內(nèi)核有三種類型的設備驅(qū)動程序：字符設備驅(qū)動程序、塊設備驅(qū)動程序和網(wǎng)絡設備驅(qū)動程序。Linux的設備由一個主設備號（major）和一個次設備號（minor）標識。主設備號唯一標識了設備類型，它是塊設備表或字符設備表中設備表的索引。次設備號僅由設備驅(qū)動程序解釋，用于識別同類設備中，I/O請求所涉及到的那個設備。設備驅(qū)動程序可以分為3個主要組成部分：

（l）自動配置和初始化子程序，負責檢測所要驅(qū)動的硬件設備是否能正常工作。

（2）服務于I/O請求的子程序，又稱為驅(qū)動程序的上半部分。

（3）中斷服務子程序，又稱為驅(qū)動程序的下半部分。

3、uClinux下CAN設備的驅(qū)動程序編寫

根據(jù)上文對LINUX下設備驅(qū)動程序的描述，以及參考相關的實例分析，下面對CAN總線設備SJA1000的驅(qū)動程序進行編寫。

CAN設備驅(qū)動程序?qū)嶋H上是linux內(nèi)核直接對sja1000器件的初始化與讀寫操作。經(jīng)分析，sja1000 CAN驅(qū)動程序構成包括如下幾個部分：

1）定義sja1000芯片內(nèi)所有寄存器的訪問地址，用于完成對其內(nèi)部寄存器以及緩沖區(qū)的讀寫訪問。例如：

#define IO_PMOD    (*(volatile unsigned *)0x3ff5000)

#define IO_PDATA   (*(volatile unsigned *)0x3ff5008)

#define IO_PCON    (*(volatile unsigned *)0x3ff5004)

#define SJA_MOD    (0x2700000) #define SJA_CMR     (0x2700004)

…………………

#define SJA_CANRXB7 (0x270006c) #define SJA_CANRXB8 (0x2700070)

因為在我們的系統(tǒng)中，對sja1000的讀寫是采用的部分模擬時序的方式，所以用到了S3C4510的IO端口。下面對sja1000地址的定義進行分析。因為uClinux運行的時候，采用的是32位方式，即兩個相鄰地址間相隔4個字節(jié)，而在sja1000內(nèi)部的地址間的間隔只有1個字節(jié)。雖然可以對S3C4510的內(nèi)部寄存器定義為在訪問sja1000的時候，將位寬度定義為8位，但這樣會與linux系統(tǒng)運行不匹配，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)讀寫不正常。所以將sja1000的地址定義為32位寬度。于是各個寄存器地址為（基址＋sja1000內(nèi)部地址×4）。這里將sja1000的基址定義為0x2700000。

2）編寫對SJA1000內(nèi)部寄存器訪問的讀寫函數(shù)

因為S3C4510B處理器的地址和數(shù)據(jù)總線是分開的，而SJA1000的地址與數(shù)據(jù)總線是8位分時復用的。所以我們只有采用先向sja1000的8位地址數(shù)據(jù)總線上送出地址，然后再送數(shù)據(jù)或者讀數(shù)據(jù)的方式。片選信號/CS，讀信號/RD，寫信號/WR仍由S3C4510B自己產(chǎn)生。需要模擬的是鎖存信號ALE、地址數(shù)據(jù)總線AD0-AD7。參照sja1000時序圖，具體的操作步驟見下面程序和注釋。

寫子程序如下：

   void sja_write(unsigned int data, unsigned int addr)

{   unsigned char tmp;

    tmp=(addr)>>2;//將32位地址右移2位，tmp的低8位即為sja1000實際地址。

        outl(tmp,addr);//將地址信息作為數(shù)據(jù)送往SJA1000數(shù)據(jù)總線

        IO_PDATA=0x32;//ALE=0，讓SJA1000將該地址鎖存

        outl(data,addr);//將數(shù)據(jù)信息送往SJA1000數(shù)據(jù)總線

        O_PDATA=0x33; } //將ALE置高電平，74HC245的/OE置高位

讀子程序如下：

unsigned char sja_read(unsigned int addr)

{ unsigned char data;

    volatile unsigned int data1;

    unsigned char tmp;

tmp=(addr)>>2; //將32位地址右移2位，tmp的低8位即為sja1000實際地址S3C2410

    outl(tmp,addr); //將地址信息作為數(shù)據(jù)送往SJA1000數(shù)據(jù)總線

    IO_PDATA=0x32; //p0-ALE=0，鎖存地址信息

    IO_PDATA=0x12; //p5-245dir=0，將74HC245的方向置為CPU輸入方向

    data1=inl(addr); //讀出所需的數(shù)據(jù)

    IO_PDATA=0x33; //ALE置高，74HC245置為不工作狀態(tài)

    data=data1;     return(data);   }//返回數(shù)據(jù)

    后面對sja1000的初始化、CAN發(fā)送與CAN接收函數(shù)中需要對寄存器操作均調(diào)用sja_write()和sja_read()函數(shù)進行。

3）定義驅(qū)動程序的文件結構

    在LINUX系統(tǒng)中，對硬件設備的訪問也是被當作文件來操作的。這里定義的文件接口將可以在外部的應用程序中被調(diào)用。在CAN驅(qū)動程序中，只定義了讀CAN信息（CAN接收）、向CAN節(jié)點寫信息（CAN發(fā)送）、打開CAN設備、關閉CAN設備等4個文件接口。定義信息如下面的程序所示。在sja1000_fops中所定義的函數(shù)都必須在驅(qū)動程序中編寫。

static struct file_operations sja1000_fops = {

    read:       sja1000_read,   //CAN接收數(shù)據(jù)

    write:      sja1000_write,//CAN發(fā)送

   open:       sja1000_open,   //打開設備S3C2410 開發(fā)板II（B）+3.5寸帶觸摸TFT液晶屏

   release:  sja1000_release, };//關閉設備

4）定義sja1000_write ：CAN發(fā)送函數(shù)（寫函數(shù)）

static int sja1000_write(struct file *filp, const char *buf, size_t size,

loff_t *offp){  }

    在CAN總線控制器Sja1000初始化完成后，即可設置CAN發(fā)送，具體對sja1000寄存器的相關操作的相關程序可參閱SJA1000器件的數(shù)據(jù)手冊。

5）定義sja1000_read ：CAN接收函數(shù)（讀函數(shù)）

static int sja1000_read(struct file *filp, char *buf, size_t size,

loff_t *offp) {  }

   該函數(shù)完成對CAN總線網(wǎng)絡上相應信息的接收。在本系統(tǒng)中CAN接收采用的是查詢方式。

6）編寫sja1000_open：文件打開函數(shù)

static int sja1000_open(struct inode *inode,struct file *file) { }S3C2410 開發(fā)板II（B）+3.5寸帶觸摸TFT液晶屏

進程調(diào)用該函數(shù)表示對設備的占用。如果返回為－1，表示設備已被其他進程占用，打開非法。如果采用中斷方式，對中斷的注冊也可放在本函數(shù)中。

7）編寫sja1000_release：文件關閉函數(shù)

static int sja1000_release(struct inode *inode, struct file *file) { }

該函數(shù)進程完成對設備占有權的釋放，釋放后，其他的進程就可以訪問這個設備了。

8）編寫sja1000_init(void)：void sja1000_init(void) { } CAN設備初始化函數(shù)

 該函數(shù)完成設備在LINUX內(nèi)核中的登記。并完成對sja1000初始化。

Sja1000寄存器配置通過調(diào)用上面已寫好的sja_write()函數(shù)完成。驅(qū)動函數(shù)登記我們采用的是靜態(tài)加載的方式，通過調(diào)用register_chrdev()完成，程序如下：

if(result = register_chrdev(254,"sja1000",&sja1000_fops))  S3C2410 開發(fā)板II（B）+3.5寸帶觸摸TFT液晶屏

   printk("S3C4510-sja1000: Error %d registering device sja1000\n", result);

其中，254是為sja1000設備分配的主設備號，“sja1000”是顯示在/dev中的設備名，sja1000_fops為對應的文件系統(tǒng)指針。返回值小于0表示失敗，大于或等于0表示成功。

9）將驅(qū)動程序加到uClinux內(nèi)核中

    當驅(qū)動程序sja1000.c編寫完成后，下面的工作就是將它加到uClinux內(nèi)核中了。這需要修改uClinux的源代碼，然后重新編譯uClinux內(nèi)核。

    ①將設備驅(qū)動程序文件sja1000.c復制到/uClinux－dist/linux/drivers/char目錄下。該目錄保存了uClinux字符設備的設備驅(qū)動程序。修改該目錄下mem.c文件，在Init chrdev_init()函數(shù)中增加如下代碼：

#ifdef CONFIG_SJA1000_DRIVER device_init() #endifS3C2410 開發(fā)板II（B）+3.5寸帶觸摸TFT液晶屏

其中CONFIG_SJA1000_DRIVER是在配置uClinux內(nèi)核時賦值的。

②在uClinux/linux/drivers/char目錄下 Makefile中增加如下代碼：

ifeq($(CONFIG_SJA1000_DRIVER,y)  L_OBJS+=sja1000.c  endif

如果在配置uClinux內(nèi)核的時候選擇了支持我們定義的設備，則在編譯內(nèi)核的時候會編譯sja1000.c，生成 sja1000.o文件。

③修改 /uClinux-dist/linux/arch/m68knonunu目錄下 config.in文件，在 comment' Character devices’語句下面加上

bool 'support for sja1000 driver'CONFIG_SJA1000_DRIVERS3C2410 開發(fā)板II（B）+3.5寸帶觸摸TFT液晶屏

這樣，在編譯內(nèi)核，運行make menuconfig的時候，且在配置字符設備時就會有選項：

    support for sja1000 driver 當選中這個選項的時候，設備驅(qū)動就加到內(nèi)核中了。

    ④在romfs中加上設備驅(qū)動程序?qū)脑O備文件。設備文件都被包含在/dev目錄下。uClinux中使用的根文件系統(tǒng)是romfs文件系統(tǒng)。這個文件系統(tǒng)是一個只讀文件系統(tǒng)，所以設備文件必須在編譯內(nèi)核的時候加到romfs文件系統(tǒng)的image中。

    不同的硬件系統(tǒng)對應不同的設備文件，在/uClinux-dist/vendors目錄下，分別定義了它們的Makefile文件。在uClinux－dist/Vendors里S3C4510對應的目錄下找到它的Makefile文件，并找到區(qū)域DEVICES＝\ tty,c,5,0 console,c,5,1 cua0,c,5,64 cual,c,5,65\,在后面再加上設備項 sja1000,c,254,1\就行了。

    ③重新編譯內(nèi)核；在shell中將當前目錄cd到uClinux-dist目錄下，然后：S3C2410 開發(fā)板II（B）+3.5寸帶觸摸TFT液晶屏

      #make menuconfig      #make dep      #make

    當驅(qū)動程序和uClinux內(nèi)核一起編譯鏈接并生成映像下載到目標板運行以后，可以通過查看/proc/devices，如果已經(jīng)顯示有sja1000，則表明設備加載成功。如果使用了中斷，也可以查看/proc/interrupts，該文件記錄了當時已經(jīng)完成的所有系統(tǒng)中斷情況。

4、結束語

實時性方面,可以使用進程間通信如管道、消息隊列、共享內(nèi)存等方法將CAN總線的接收中斷與應用程序直接關聯(lián)，加快系統(tǒng)對CAN總線事件的響應速度。進一步可以通過RTLinux和RTAI(Real Time Application Interface)這兩種方案增強uClinux的實時性。

本文作者創(chuàng)新點:有效地解決了在沒有MMU的CPU之上開發(fā)一些簡單任務操作系統(tǒng)或控制程序效率低、程序簡單的缺點。通過使用嵌入式uClinux,它既保存了原先Linux操作系統(tǒng)穩(wěn)定性、功能強大等優(yōu)點，又對內(nèi)核的代碼重新編寫，減少了內(nèi)核容量，提高了效率。同時也提出了在CAN總線設備下設計驅(qū)動程序的方法。

5、參考文獻

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