??? 摘 要：針對EPA設備需要滿足工業(yè)上實時性要求及與其他設備協(xié)調(diào)地工作等問題，研究了ARM微處理器和Linux操作系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，設計以ARM微處理器為核心、Linux操作系統(tǒng)為軟件平臺的嵌入式系統(tǒng)。以ARM微處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)應用于EPA設備能夠滿足工業(yè)實時性要求，并提供豐富的外圍接口，為EPA設備的進一步開發(fā)奠定了基礎。
??? 關(guān)鍵詞：EPA；嵌入式系統(tǒng)；Linux；文件系統(tǒng)；設備驅(qū)動

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??? 嵌入式系統(tǒng)與Intenret技術(shù)的結(jié)合己經(jīng)成為未來嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，而基于ARM的嵌入式系統(tǒng)由于其低功耗、低成本、高性能等優(yōu)勢己經(jīng)廣泛地應用于工業(yè)控制領域。而與此同時，Linux由于性能優(yōu)越、支持硬件平臺廣泛、源代碼公開、具有極強的網(wǎng)絡功能等優(yōu)點成為設計嵌入式系統(tǒng)一種很好的選擇。
??? 本文從嵌入式系統(tǒng)的硬件電路和軟件開發(fā)兩個方面進行設計。在硬件設計上采用Atmel公司生產(chǎn)的AT91RM 9200微處理器為CPU，選用8 MB的Flash和32 MB的SDRAM作為系統(tǒng)存儲器，擴展了以太網(wǎng)接口、串行接口等外圍通信設備以及輸入輸出接口，根據(jù)處理器和其他接口芯片的要求設計了電源電路、晶振電路、Flash及SDRAM存儲器接口電路、以太網(wǎng)接口電路、串行接口電路和擴展I/O接口電路。使用4層貼片工藝設計了系統(tǒng)PCB印刷電路板，焊接和安裝了貼片元件，并進行了電路調(diào)試等過程。在軟件設計上基于Linux操作系統(tǒng)，分析了Linux操作系統(tǒng)的引導程序(Bootloader)的結(jié)構(gòu)、工作流程及內(nèi)核的啟動過程； Bootloader移植和內(nèi)核裁剪技術(shù)，移植了嵌入式Linux的引導過程；Linux文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、根文件系統(tǒng)的層次和文件的管理方法；Linux設備管理方法和設備驅(qū)動程序的中斷實現(xiàn)方法；Linux字符設備各驅(qū)動程序設計技術(shù)；編寫了A/D轉(zhuǎn)換的驅(qū)動程序和外擴I/O接口的驅(qū)動程序。
1 嵌入式EPA設備硬件設計
1.1 EPA設備結(jié)構(gòu)框架
??? EPA（Ethenret for plant Au tomation）設備是基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的分布式控制系統(tǒng)的底層設備，該設備具有模擬量輸入輸出、開關(guān)量輸入輸出和1個l0Mb/s的以太網(wǎng)接口、1個RS485的通信接口。通過以太網(wǎng)及RS485通信方式，EPA設備在現(xiàn)場中既可作為主設備也可作為從設備，可方便地與其他設備進行通信。EPA設備的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

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2.1 引導加載程序
??? 嵌入式Linux系統(tǒng)的引導過程如下:
??? (1) 處理器重新啟動后,首先執(zhí)行啟動代碼以初始化內(nèi)存控制器以及片上設備,然后配置存儲映射。
??? (2) 引導加載程序(Bootloader)把內(nèi)核從Flash等固態(tài)存儲設備加載到RAM，然后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的第一條指令處執(zhí)行。
??? (3) 內(nèi)核首先配置微處理器的寄存器，然后調(diào)用start-kernel（它是與微處理器體系結(jié)構(gòu)無關(guān)的開始點）。
??? (4) 內(nèi)核初始化高速緩存和各種硬件設備。
??? (5) 內(nèi)核掛裝根文件系統(tǒng)。
??? (6) 內(nèi)核執(zhí)行init進程。
??? (7) init進程加載運行時共享庫，讀取其配置文件。
??? (8) init最后進入用戶會話階段。
??? 在此過程中引導加載程序的作用是非常重要的。
2.2 嵌入式Linux內(nèi)核配置
??? 內(nèi)核是一個操作系統(tǒng)的核心，它負責管理系統(tǒng)的進程、內(nèi)存、設備驅(qū)動程序、文件和網(wǎng)絡系統(tǒng)，決定著系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。Linux的核心是vmlinuz文件，該文件控制著整套系統(tǒng)，通常在根目錄下。
??? 為了正確合理地設置內(nèi)核編譯配置選項，使制定編譯的內(nèi)核運行更快并且系統(tǒng)能夠擁有更多的內(nèi)存，因此需對內(nèi)核進行剪裁，只編譯系統(tǒng)需要的功能代碼。配置完成后保存配置退出，執(zhí)行內(nèi)核編譯：
??? make dep
??? make zImage
其中，make dep命令用作建立內(nèi)核源碼的依存關(guān)系，make zImage用于建立內(nèi)存內(nèi)核映像。編譯成功后會在linux/arch/arm/boot/下獲得編譯好的Linux內(nèi)核映像zImage。
??? 在編譯內(nèi)核文件之前首先要修改根目錄下的Makefile文件,在該文件中制定系統(tǒng)構(gòu)架和交叉編譯器:ARCH=arm、CROSS_COMPILE=/usr/local/arm/2.95.3/bin/arm-linux-(交叉編譯器所在路徑)^[3-4]。Linux內(nèi)核提供多種配置工具，其中，make menuconfig是以curses為基礎的、終端式的配置菜單。在該配置菜單中可以選擇目標系統(tǒng)的類型等，內(nèi)核配置結(jié)束后會生成.config文件，它保存了配置信息。
2.3 嵌入式Linux文件系統(tǒng)
??? Linux文件系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如圖4所示^[5]。其中，虛擬文件系統(tǒng)VFS（Virtual Filesystem Switch）為用戶程序提供一個統(tǒng)一的、抽象的、虛擬的文件系統(tǒng)界面，使用戶程序可以通過同一個文件系統(tǒng)操作界面及對各種不同的文件系統(tǒng)進行操作，這樣Linux可支持多種不同的文件系統(tǒng)。不同的文件系統(tǒng)通過不同的程序來實現(xiàn)其各種功能，但是與VFS之間的界面則是有明確定義的。這個界面就是file_operation數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。每種文件系統(tǒng)都有自已的file_operation^[6-7]。

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??? 本文件系統(tǒng)使用的根文件系統(tǒng)是Ext2。Ext2是Linux中使用最多的文件系統(tǒng)，因為它是專門為Linux設計的，擁有最快的速度和最小的CPU占有率。
2.4 系統(tǒng)運行
2.4.1 minicom的建立
??? 本系統(tǒng)的PC機通過Linux下的minicom與嵌入式系統(tǒng)通信，它為兩者間通信提供操作的界面。minicom相當于Windows下的超級終端，可通過串口與目標板通信。minicom的設置為：波特率為115 200 b/s，數(shù)據(jù)位為8位，無奇偶校驗，停止位為1，無數(shù)據(jù)流控制。
2.4.2 啟動U-Boot
??? U-Boot燒寫進Flash后，當系統(tǒng)啟動時，系統(tǒng)會自動從Flash啟動，運行U-Boot。
2.4.3 下載Linux操作系統(tǒng)
??? 在下載操作系統(tǒng)之前，首先用網(wǎng)線(交叉)直接把目標板和PC機相連，設置PC機的IP地址為192.168.0.2，并調(diào)試好tftp功能。然后在U-Boot的命令行鍵入如下命令^[8]:
??? Uboot>protect off all ????????????????????? ;把Flash寫保護去掉
??? Uboot>setenv ethaddr 12:34:56:78:9a:bc?????????????? ;設置目標板的MAC地址
??? Uboot>saveenv???????????????????????????????????????????????? ；保存參數(shù)
??? 環(huán)境變量設置好后就可以使用tftp下載內(nèi)核和文件系統(tǒng)：
??? Uboot>tftp 0x20008000 zImage??????????????? ;下載Linux內(nèi)核
??? Uboot>tftp 0x21000000 ramdisk.gz??????????????????? ;下載Linux文件系統(tǒng)
??? Uboot2.4.4 運行應用程序
??? (1) 當應用程序在調(diào)試階段時可以通過tfp方式來運行程序。目標板上的Linux操作系統(tǒng)正常啟動后首先要設置好目標板的IP地址為192.168.0.2，其命令如下：
??? ＄ ifconfig eth 192.168.0.2
然后在minicom的命令行下鍵入如下命令登錄tfp服務器(設tfp服務器的IP地址為192.168.0.1):
??? ＄ ftp 192.168.0.1
鍵入該命令后輸入Linux服務器的用戶名，并在Password后面輸入密碼后回車，這時可以使用ls、cd等命令顯示服務器上的文件并進入相應的目錄。最后使用get命令就可以把所需要的程序下載到目標板上。
??? (2) 如果應用程序調(diào)試完畢，就要把編輯好的程序放到目標板的文件系統(tǒng)中。重新創(chuàng)建文件系統(tǒng)的方法如下：
??? ＄ gunzip ramdisk.gz???????????? ;解壓縮原有的文件系統(tǒng)
??? ＄ mount –o loop ramdisk /mnt/newramdisk?????? ;解壓后的文件系統(tǒng)映像掛在到指定的目錄上
??? ＄ cd/mnt/newramdisk???????????????????????? ;進入/newramdisk目錄進行操作，隨意增減文件
??? 添加好自已的應用程序后修改etcrc.d下的rc文件，它是系統(tǒng)啟動后自動調(diào)用的應用程序。
??? 以上步驟完成后卸載文件系統(tǒng)映像，并重新壓縮：
??? ＄ umount /mnt/newramdisk
??? ＄ gzip –c –v9 ramdisk>./newramdisk
3 嵌入式Linux驅(qū)動程序設計
??? 本文主要完成了EPA設備驅(qū)動程序的模擬量輸入及開關(guān)量輸入輸出的驅(qū)動程序。
3.1 模擬量輸入驅(qū)動程序設計
??? EPA設備具有多路模擬量輸入測量通道，輸入信號經(jīng)過適當?shù)奶幚恚M入到24位A/D轉(zhuǎn)換器CS5522，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)會通過SPI接口輸出給處理器。該功能的驅(qū)動程序的主要任務是合理地配置AT91RM 9200的SPI接口，使其能夠正確地與A/D轉(zhuǎn)換器CS5522進行數(shù)據(jù)通信。
??? AT91RM 9200提供了很多寄存器用于控制SPI的操作，因此，在編寫驅(qū)動程序之前要先定義與SPI操作有關(guān)的變量。定義指向SPI寄存器的結(jié)構(gòu)體的代碼如下:
??? AT91PS_SPI controller=(AT91PS_SPI)AT91C_VA-BASE_SPI
其中，AT91PS_SPI在linuxincludeasm-armarch-at91rm9200A T91RM9200_SPI.h中定義，用于指向SPI操作的所有寄存器，如配置寄存器、模式寄存器等:
??? Typedef struct_AT91S_SPI{
??? AT91_REG SPI_CR;? // SPI控制寄存器
??? AT91_REG SPI_MR;? // SPI模式寄存器
??? AT91_REG SPI_RDR;? //SPI接收數(shù)據(jù)寄存器
??? AT91_REG SPI_TDR;? //SPI發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器
??? AT91_REG SPI_SR;? // SPI狀態(tài)寄存器
??? AT91_REG SPI_IER;? // SPI中斷使能寄存器
??? AT91_REG SPI_IDR;? //SPI中斷禁用寄存器
??? AT91_REG SPI_IMR;? //SPI屏蔽寄存器
??? AT91_REG Reserved0^[9];
??? AT91_REG S PI_CSR0;? //SPI片選寄存器0
??? AT91_REG SPI_CSR1;? //SPI片選寄存器1
??? AT91_ REG SPI_CSR2;? //SP I片選寄存器2
??? AT91_ REG SP_CSR3;? //SPI片選寄存器3
??? AT91_REG Reservedl^[10];
??? }AT91S_SP I,*AT91PS_SPI
??? AT91C_VA_BASE_SPI是在linuxincludeasm-armarch-at91rm9200hardware.h中定義的SPI寄存器的地址:
??? #define AT91C_VA_BASE_SPI AT91_IO_P2V(AT91C_BASE_SPI)
??? 本驅(qū)動程序需要SPI接口的操作是打開/關(guān)閉SPI設備，接收/發(fā)送數(shù)據(jù)，因此定義file operations結(jié)構(gòu)體如下:
??? int spi_open(struct inode* inode,struct file*filp);
??? int spi_release(struct inode*inode,struct file*filp);
??? ssize_t spi_read(struct file*filp,ch ar*buf,size_t count,lofft *1);
??? ssize_t spi_write(struct file*filp,const char* buf,size_t count,loff_t * 1) ;
??? struct file_operations spi_fops={
??? open : spi_open,
??? release: spi_release,
??? read: spi_read,
??? write: spi_write,
??? };
??? spi_open用于打開SPI設備，這個函數(shù)主要完成了SPI設備的初始化。AT91RM9200的每條I/O線都可以復用2個外設功能，可用于SPI接口的口線是PAO～PA3，因此要把這3個口線設置為SPI控制，實現(xiàn)的函數(shù)是AT91_Cf9PIO_SPI( )，該函數(shù)定義在linux/include/asm-ann/arch-at91rm 920io.h，其原形如下:
??? staitc inline void AT91_CfgPIO_SPI(void){
??? AT91_SYS->PIOA_PDR=AT91C_PAO_MISO| AT91C_PAl_MOSI | AT91C_P A2_SPCK;
??? }
??? SPI口線設置好后就要設置SPI的工作方式，主要設置控制寄存器(SPI_CR)、模式寄存器(SPI_MR)和片選寄存器(SPI_CSR0):
??? controller->SPI_CR=AT91C_SPI_SWRST; // 軟件復位SPI
??? controller->SPI_MR=AT91C_SPI_MSTR| AT91C_SPI_ MODFDIS | AT91C_SPI_PCS;//設置SPI模式寄存器為主機模式，固定片選
??? controller->SPI_CSR0=(AT91C_SPI_NCPHA | (AT91C_SPI_DLYBS&0x100000) | (SPI_CLOCK <<8) | CSR0_BITS_AD);//設置SPI片選寄存器包括時鐘極性、相位、時鐘波特率、傳輸數(shù)據(jù)位數(shù)
??? Controller->SPI_CR= AT91C_SPI_SPIEN;//設置SPI控制寄存器，使能SPI/發(fā)送與接收數(shù)據(jù)
??? 當用戶程序想用SPI接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)會調(diào)用spi_write和spi_read函數(shù)完成讀寫操作。AT91RM 9200提供了接收數(shù)據(jù)寄存器(SPI_RDR)、發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器(SPI_TDR)和狀態(tài)寄存器(SPI_SR)。其中，SPI_RDR和SPI_TDR分別存放接收到的數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)。SPI_SR用于表示SPI當前操作的狀態(tài)，其中RDRF標識接收數(shù)據(jù)寄存器滿。當RDRF=0時，表示上次讀SPI_RDR后未收到數(shù)據(jù)；RDRF=1時，表示上次讀SPI_RDR后已收到數(shù)據(jù)并由串行器發(fā)送到SPI_RDR:TDRE標識發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器空。當TDRE=0時，表示數(shù)據(jù)已寫入SPI_TDR但仍未傳輸?shù)酱衅?；當TDRE=1時，表示最后寫入發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)已傳輸?shù)酱衅?。?qū)動程序通過檢測RDRF和TDRE的值來完成接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的操作。讀寫操作主要的實現(xiàn)代碼如下:
??? while( !(controller->SPI_SR&AT91C_SPI_RDRF));
??? ret_ad = ( controller -> SPI_RDR); //存儲接收到的數(shù)據(jù)
??? adp =( char *)& ret_ad;
??? copy_ to_user( buf,adp, count);????????????? //把接收到的數(shù)據(jù)傳給用戶程序
??? copy _from_user(bf,buf,count);????????????? //接收用戶需要發(fā)送的數(shù)據(jù)
??? while(!(controller->SPI_SR&AT91C_SPI_TDRE));
??? contro ller -> SPI_TDR = (ad_cmd&0xFFFF); //向SPI設備發(fā)送數(shù)據(jù)
3.2 開關(guān)量輸出驅(qū)動程序設計
??? EPA 設備具有8路開關(guān)量輸出，使用的8個引腳為PA24、P A26、P A27、PB0、PB1、 PB2、 PB3、 PC15。在本驅(qū)動程序中用到的輸入輸出(PIO)控制器的用戶接口有:PIO使能寄存器(PIO_PER)、輸出使能寄存器(PIO_OER)、 PIO置位輸出數(shù)據(jù)寄存器(PIO_SODR)、 清零輸出數(shù)據(jù)寄存器(PIO_CODR)。以下為控制PA24引腳的輸出的部分代碼:
??? AT9I_ SYS->PIOA_PER=(unsignedint)(1<<24); //使能PTO來控制PA24
??? AT91_ SYS->PIOA_OER=(unsignedin t)(1<<24); //定義PA24為輸出引腳
??? if(ad_cmd&0x80)
??? AT91_ SYS-> PI OA _SODR=(unsignedin t)(1<<24); //使PA24輸出為高電平
??? else
??? AT 91_ SY S->PIOA CODR=(unsignedin t)(1<<24); //使PA24輸出為低電平
3.3 開關(guān)量輸入驅(qū)動程序設計
??? EPA 設備具有8路數(shù)字量輸入，其中有2路輸入要求可以產(chǎn)生中斷，外設通過這2路向CPU提出數(shù)據(jù)輸入請求。本系統(tǒng)所使用作為輸入的引腳有PA23、 PA25、 PC0、PC10、 PC11、 PA19、 PA20、 PA22，其中PA23、PA25作為外部中斷輸入。當引腳被設為輸入時，每個I/O線的電平都可以通過外設數(shù)據(jù)狀態(tài)寄存器PIO_PDSR讀出，而此時必須將PIO控制器的時鐘使能。AT91RM9200的電源控制器(PMC)獨立提供和控制多達30個外設時鐘，其用戶接口為外設時鐘使能寄存器PMC_PCER。AT91RM9200的每個外設都有自己的外設標識，PMC_CER就是通過外設標識來使能其時鐘的。在includeasm-armarch-at91rm9200AT91RM9200.h文件中定義了各個外設的標識，部分定義如下:
??? #define AT91C_ID_PIOA???? (2) //Parallel IO Controller A
??? #define AT91C_ID_P IOB???? (3) // P arallelIO C ontroller B
??? #define AT91C_ID_PIOC????? (4 ) // P arallelIO C ontroller C
??? #define AT91C_ID_IRQ0????? (25) // A dvanced Interrupt Controller(IRQ0)
??? #define AT91C_ID_IRQ1????? (26) // A dvanced Interrupt Controller(IRQ1)
??? #define AT91C_ID_IRQ2????? (27) // A dvanced Interrupt Controller(IRQ2)
??? #define AT91C_ID_IRQ3????? (28) // A dvanced Interrupt Controller(IRQ3)
??? 以下為P A19作為輸入引腳的主要代碼:
????AT91_SYS->PIOA _PER=(unsignedin t)(1<<19); //使能PIO控制PA19
??? AT91_SYS->PMC_PCER=((unsignedin t)1<??? adcmd =(AT91_SYS->PIOA_PDSR);//通過引腳數(shù)據(jù)狀態(tài)寄存器來讀引腳的輸出狀態(tài)
??? PA 23 、PA25除了作為輸入引腳外還要產(chǎn)生中斷，AT91RM9200使用高級中斷控制器(AIC)來對中斷進行管理。本驅(qū)動程序用到的AIC寄存器有:AIC源模式寄存器(AIC SMR0-AIC_SMR31)，用來設置各個中斷源的優(yōu)先級和中斷源類型;中斷使能命令寄存器(AIC_IECR)，根據(jù)每個設備的標識號控制其使能。
??? AT91_ SYS->AIC_SMR[27]=(unsigned int)(1<<5); //設置IRQ2為邊沿觸發(fā)
??? AT91_ SYS->AIC_IECR=((unsigned int)1<??? result= request_irq(EXTERNAL_IRQ2,&testirq_interrupt2,NULL,'testiol',NULL);
??? //注冊中斷并激活中斷處理程序，返回值為0時表示注冊成功
??? if( result==-1)
??? {
??? printk ('Can 't get assigned irq %dn',EXTERNAL_IRQl);
??? return result ;
??? }
??? void test irq_interruptl(void)? //中斷處理程序
??? {
??? printk ('INTERRUPT1 n');
??? AT91_SYS ->A IC_IECR=((unsignedin t)1 <??? 　　}
??? 以上研究了Linux操作系統(tǒng)設備管理方法和Linux設備中斷機制，通過分析Linux設備驅(qū)動程序中斷機制實現(xiàn)的方法及字符設備驅(qū)動程序的開發(fā)過程，編寫了EPA設備的驅(qū)動程序。
??? 本文基于ARM嵌入式開發(fā)技術(shù)研制了EPA設備的核心控制部分，完成了從硬件平臺的設計、調(diào)試到Linux操作系統(tǒng)的BootLoader與內(nèi)核的移植，文件系統(tǒng)和設備驅(qū)動程序分析以及針對EPA設備驅(qū)動程序的編寫。
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