標(biāo)題：Linux平臺(tái)下P51系列A/D采集卡驅(qū)動(dòng)開發(fā)
關(guān)鍵詞: LKM 核心驅(qū)動(dòng) 溫度采集卡 工業(yè)控制 ISA
Linux操作系統(tǒng)經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展,以其運(yùn)行穩(wěn)定可靠、占用資源少、長(zhǎng)期運(yùn)行仍能保證效率的特性,獲得了眾多的企業(yè)和政府部門的認(rèn)可。近幾年,在工業(yè)控制中Linux也有非常好的表現(xiàn),控制領(lǐng)域中RTLinux應(yīng)用研究正在進(jìn)行。筆者開發(fā)了Linux供熱控制平臺(tái)。在此Linux控制系統(tǒng)應(yīng)用研究中著重研究了核心可加載驅(qū)動(dòng)模塊機(jī)制。本文將詳細(xì)討論采集卡的核心驅(qū)動(dòng)模塊。
1 硬件介紹
P51系列A/D采集卡是一個(gè)8通道ISA總線的溫度采集卡。它將溫度傳感器(熱電偶、熱電阻等)的輸出信號(hào)或電流、電壓通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其主要特點(diǎn):精度高、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高。
1.1 P51采集卡的工作過(guò)程
圖1說(shuō)明了接口板采集數(shù)據(jù)的整個(gè)過(guò)程。
每個(gè)通道數(shù)據(jù)以16位二進(jìn)制原碼形式輸出,低字節(jié)在前。8個(gè)通道16字節(jié)數(shù)據(jù)按順序輸出。
1.2 I/O端口
主機(jī)與接口板的接口使用2個(gè)輸入端口,由于A0未參加譯碼,實(shí)際上占用了4個(gè)端口地址。接口板的地址可由板上的跳線開關(guān)設(shè)定。地址默認(rèn)設(shè)置為164H及166H，如表1所示。
該硬件只用到了2個(gè)I/O端口:狀態(tài)口和數(shù)據(jù)口,字長(zhǎng)都是8位。其中,狀態(tài)口只用D0位作為檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否已經(jīng)準(zhǔn)備好的標(biāo)志,其它位沒有定義。
2 軟件部分
軟件部分由應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序兩部分構(gòu)成,本文主要討論設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序部分。在Linux平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的驅(qū)動(dòng)支持可以有兩種方式:一種直接在用戶空間實(shí)現(xiàn);另一種使用Linux內(nèi)核中提供的機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。考慮到用戶空間驅(qū)動(dòng)程序的局限性,在開發(fā)中采用了第二種方式。
2.1 LKM機(jī)制簡(jiǎn)介
Linux內(nèi)核提供了兩種機(jī)制來(lái)開發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序:一種直接把驅(qū)動(dòng)程序聯(lián)編到內(nèi)核中;另一種則是通過(guò)稱為L(zhǎng)inux可加載模塊(LKM)機(jī)制來(lái)開發(fā)可動(dòng)態(tài)加載和卸載的驅(qū)動(dòng)模塊。基于各方面的考慮本文采用后者。
Linux作為單核結(jié)構(gòu)效率比較高,但是系統(tǒng)靈活性不足。為了平衡這兩者的關(guān)系,提供了LKM 機(jī)制。利用這種機(jī)制可以開發(fā)Linux內(nèi)核模塊,并且可以動(dòng)態(tài)地對(duì)它加載和卸載。Linux下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序一般都支持這種方式,且模塊被加載到內(nèi)核后,它就可以任意利用內(nèi)核提供的各種資源和服務(wù)了。Linux內(nèi)核維護(hù)了一張所有內(nèi)核資源的符號(hào)表(稱為內(nèi)核資源符號(hào)表),用于在模塊載入時(shí)解決相應(yīng)資源的引用問(wèn)題。并且,Linux允許模塊的堆棧操作,一個(gè)模塊可以使用其他模塊提供的資源。也就是說(shuō):一個(gè)模塊對(duì)另一個(gè)模塊資源的使用與其對(duì)內(nèi)核資源的使用非常相似,不同的只是這些服務(wù)的資源從屬于另一個(gè)模塊而已。每當(dāng)一個(gè)模塊被加載,Linux就會(huì)修改內(nèi)核資源符號(hào)表,將該模塊所提供的服務(wù)和資源加入進(jìn)去。這樣另一個(gè)模塊載入時(shí),如果需要就可以引用這個(gè)模塊的資源了。
卸載一個(gè)模塊時(shí),需要知道當(dāng)前模塊是否正在被使用。如果沒有被使用,在卸載時(shí)要能夠通知該模塊它將被卸載,以便由它自己釋放已被它占用的系統(tǒng)資源。同時(shí)Linux還要從內(nèi)核資源符號(hào)表中刪除該模塊提供的所有資源和服務(wù)。
從上面的原理分析可知,內(nèi)核模塊編寫時(shí),有兩個(gè)主要的接口函數(shù):init_module()用于在模塊加載時(shí)注冊(cè)服務(wù)和申請(qǐng)資源;cleanup_module()用于在模塊卸載時(shí)清除掉由init_module()所做的工作,從而使內(nèi)核模塊可以安全地卸載。其中對(duì)init_module()的調(diào)用是在根用戶執(zhí)行insmod命令加載模塊時(shí)。而對(duì)cleanup_module()的調(diào)用是在根用戶執(zhí)行rmmod命令卸載模塊時(shí)。
2.2 Linux下設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)內(nèi)核和應(yīng)用程序之間的接口，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機(jī)器硬件之間的接口。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閼?yīng)用程序屏蔽了硬件細(xì)節(jié)。在應(yīng)用程序看來(lái)，硬件設(shè)備只是一個(gè)設(shè)備文件， 可以通過(guò)相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用象操作普通文件一樣對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行操作。
2.2.1 Linux設(shè)備分類
Linux支持兩種標(biāo)準(zhǔn)硬件設(shè)備:塊設(shè)備和字符設(shè)備。塊設(shè)備接口僅支持面向塊的I/O操作,所有I/O操作都通過(guò)在內(nèi)核地址空間中的I/O緩沖區(qū)進(jìn)行,它可以支持幾乎任意長(zhǎng)度和任意位置上的I/O請(qǐng)求,即提供隨機(jī)存取的功能。字符設(shè)備接口支持面向字符的I/O操作,只支持順序存取的功能,一般不能進(jìn)行任意長(zhǎng)度的I/O請(qǐng)求。I/O請(qǐng)求的長(zhǎng)度必須是設(shè)備要求的基本塊長(zhǎng)的倍數(shù)。
2.2.2 設(shè)備標(biāo)識(shí)方式
Linux設(shè)備由一個(gè)主設(shè)備號(hào)和一個(gè)次設(shè)備號(hào)標(biāo)識(shí)。主設(shè)備號(hào)唯一標(biāo)識(shí)了設(shè)備類型,即設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序類型,它是塊設(shè)備表或字符設(shè)備表中相應(yīng)表項(xiàng)的索引。次設(shè)備號(hào)僅由設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序解釋,一般用于識(shí)別在若干可能的硬件設(shè)備中,I/O請(qǐng)求所涉及到的那個(gè)設(shè)備。值得一提的是次設(shè)備號(hào)還可以被分成幾個(gè)部分,用來(lái)區(qū)分子設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和具體的設(shè)備。
2.2.3 Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序組成部分
Linux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(cè)所要驅(qū)動(dòng)的硬件設(shè)備是否存在并能否正常工作。如果該設(shè)備正常,則對(duì)這個(gè)設(shè)備及其相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序需要的軟件狀態(tài)進(jìn)行初始化。
(2)服務(wù)于I/O請(qǐng)求的子程序。主要是file_operations結(jié)構(gòu)的各個(gè)入口點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)。這部分的實(shí)現(xiàn)支持文件系統(tǒng)調(diào)用(如open、close、read等)。
(3)中斷服務(wù)子程序。在Linux系統(tǒng)中,并不是直接從中斷向量表中調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的中斷服務(wù)子程序,而是由Linux系統(tǒng)接收硬件中斷,再由系統(tǒng)調(diào)用中斷服務(wù)子程序。
2.3 溫度采集卡驅(qū)動(dòng)程序內(nèi)核模塊
2.3.1 file_operations結(jié)構(gòu)的初始化
file_operations結(jié)構(gòu)是Linux操作系統(tǒng)中用于實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序的最重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),它為L(zhǎng)inux提供的服務(wù)于I/O請(qǐng)求的子程序的代碼實(shí)現(xiàn)提供了一系列入口點(diǎn)。該結(jié)構(gòu)貫穿在整個(gè)驅(qū)動(dòng)程序中,筆者在文件作用域內(nèi)進(jìn)行了定義,并對(duì)本程序中用到的入口點(diǎn)做了初始化，其偽代碼如下:
struct file_operations p51_fops=}
open ： p51_open； //把實(shí)現(xiàn)的p51_open函數(shù)指針賦給open入口點(diǎn)。
release ： p51_release； //把實(shí)現(xiàn)的p51_release函數(shù)指針賦給release入口點(diǎn)。
read ： p51_read； //把實(shí)現(xiàn)的p51_read函數(shù)指針賦給read入口點(diǎn)。
{
2.3.2 模塊初始化與模塊卸載
溫度采集卡模塊初始化通過(guò)對(duì)init_module()的實(shí)現(xiàn)來(lái)完成以下幾個(gè)任務(wù):
(1)以字符設(shè)備類型向系統(tǒng)注冊(cè)溫度采集卡設(shè)備,同時(shí)動(dòng)態(tài)獲得主設(shè)備號(hào)。通過(guò)調(diào)用下面這個(gè)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn):
int register_chrdev(unsigned int major， const char * name， struct file_operations *fops);
這里使major參數(shù)為0,這樣系統(tǒng)就會(huì)動(dòng)態(tài)地分配并返回主設(shè)備號(hào)。name參數(shù)是用于標(biāo)識(shí)設(shè)備的字符串。file_operatons傳入的是如前所述的p51_fops。
(2)向系統(tǒng)申請(qǐng)溫度采集卡的I/O端口地址。根據(jù)前面提到的跳線方法得到I/O地址,調(diào)用系統(tǒng)提供的宏:
check_region(start，n) //檢查端口地址范圍start～start+n-1是否可用,是則返回0,否則返回1。
request_region(start，n，name) //用于申請(qǐng)通過(guò)上述函數(shù)檢查的地址范圍。
(3)做一些必要的系統(tǒng)日志,根據(jù)各種條件用printk向系統(tǒng)日志緩沖區(qū)寫入不同級(jí)別的信息。
(4)控制內(nèi)核資源提供的符號(hào)表輸出的符號(hào)信息(即在LKM簡(jiǎn)介部分提到的模塊要注冊(cè)的服務(wù))。這里使用EXPORT_NO_SYMBOLS使得該模塊不輸出任何符號(hào)信息。
溫度采集卡模塊卸載需要完成以下幾個(gè)任務(wù):
(1)調(diào)用release_region(start，n)宏，釋放模塊初始化時(shí)申請(qǐng)的I/O端口資源。
(2)調(diào)用int unregister_chrdev(unsigned int major， const char * name)向系統(tǒng)注銷該字符設(shè)備。本程序中major參數(shù)是前面注冊(cè)時(shí)動(dòng)態(tài)獲得的主設(shè)備號(hào),name與注冊(cè)時(shí)提供的name字符串相同。
(3)調(diào)用printk函數(shù),做一些必要的系統(tǒng)日志。
2.3.3 file_operations結(jié)構(gòu)中入口點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)
(1)open和release入口點(diǎn)
這兩個(gè)入口點(diǎn)在本模塊中被賦予的是file_operations結(jié)構(gòu)的p51_open和p51_close函數(shù)指針。它們主要通過(guò)調(diào)用MOD_INC_USE_COUNT及MOD_DEC_USE_COUNT來(lái)進(jìn)行模塊計(jì)數(shù)。用計(jì)數(shù)來(lái)控制溫度卡驅(qū)動(dòng)模塊是否正在被使用,防止模塊使用中被意外卸載,導(dǎo)致核心對(duì)設(shè)備操作出現(xiàn)異常。
(2)read入口點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)
這個(gè)入口點(diǎn)在本模塊中被賦予的是file_operations結(jié)構(gòu)的p51_read函數(shù)指針,它是設(shè)備操作的核心部分,實(shí)現(xiàn)了如下幾個(gè)功能:
·用inb_p宏訪問(wèn)硬件的狀態(tài)和數(shù)據(jù)端口,以讀取相應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息。
·調(diào)用long sleep_on_timeout(wait_queue_head_t *q， long timeout)把當(dāng)前進(jìn)程加入時(shí)鐘等待隊(duì)列q中,等待timeout時(shí)間。從采集卡的工作方式來(lái)看,這樣做可以減少輪詢時(shí)間,大大提高了效率。
·如前所述,程序從溫度卡讀取的是數(shù)據(jù)的原碼形式,須實(shí)現(xiàn)原碼與補(bǔ)碼之間的轉(zhuǎn)換。
·Linux分為核心空間和用戶空間。用戶空間的代碼不能直接訪問(wèn)核心空間,故需調(diào)用Linux核心提供的copy_to_user(to，from，n)宏,把數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間地址from拷貝到用戶空間地址to中。這樣,系統(tǒng)調(diào)用返回后,用戶空間的代碼就可以通過(guò)to指針來(lái)訪問(wèn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理了。
數(shù)據(jù)采集核心部分如圖2所示。
2.3.4 溫度卡故障的處理
故障處理在工業(yè)控制中非常重要。由于本采集卡在硬件一級(jí)對(duì)故障預(yù)報(bào)和發(fā)現(xiàn)提供的支持比較少,故在軟件層次上,在滿足需求的情況下通過(guò)對(duì)狀態(tài)口依照前面所提供的方法查詢?nèi)问『?將重新對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化和設(shè)置,再作以上嘗試。如果還是失敗將由用戶進(jìn)程進(jìn)行處理。
2.4 應(yīng)用程序開發(fā)
對(duì)上述模塊編譯并加載后,Linux根用戶可用mknod命令,利用動(dòng)態(tài)分配的主設(shè)備號(hào)(該設(shè)備號(hào)在用戶空間,可以從/proc/devices文件中獲得)建立相應(yīng)的設(shè)備文件,并對(duì)它設(shè)置恰當(dāng)讀寫權(quán)限。就可以在應(yīng)用程序中,使用Linux的文件系統(tǒng)調(diào)用這個(gè)設(shè)備文件來(lái)操作溫度采集卡。這樣做使應(yīng)用程序編程風(fēng)格更加統(tǒng)一,代碼更具魯棒性,應(yīng)用系統(tǒng)更加安全,更易于維護(hù)。而且可在核心級(jí)保證關(guān)鍵部分的實(shí)時(shí)響應(yīng),從而降低了用戶程序開發(fā)的難度。
對(duì)于Linux下的工業(yè)控制軟件開發(fā),還有很長(zhǎng)的路要走。而其中非常重要的基礎(chǔ)性工作就是對(duì)各種工控設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的核心驅(qū)動(dòng)模塊的支持。本文所作的工作對(duì)此進(jìn)行了一次很好的嘗試。