基于Linux系统的HHARM9电机驱动程序设计

收稿日期:2005-09-22

作者简介:朱华生(1965-),男,江西临川人,副教授.

文章编号:1006-4869(2005)04-0051-03

基于Linux 系统的HHARM9电机驱动程序设计

朱华生,胡凯利

(南昌工程学院计算机科学与技术系,江西南昌330099)

摘 要:对嵌入式Linux 操作系统驱动程序的组成进行分析,讨论了驱动程序的基本框架,以HHARM9电机控制为实例,详细论述了电机驱动程序的实现过程.

关键词:嵌入式;Linux;驱动程序

中图分类号:TP316 文献标识码:A

Linux System -Based Design of HHARM 9Electromotor Driver

ZHU Hua -sheng,HU Ka-i li

(Department of Computer and Science,Nanchang Institute of Technology,Nanchang 330099,China)

Abstract:The paper analyses the composition of driver in embedded linux system,disuses its basic frame of driver,and illustrales the process of driver design of HHARM9electromotor in detail.

Key words:Embedded;Linux;

driver

嵌入式Linux 操作系统因具有免费、开放源代码、强大的网络功能等

特点,在嵌入式产品中得到越来越广泛的应用.基于Linux 操作系统的嵌入

式产品结构[1]如图1所示.本文主要探讨嵌入式系统驱动程序的设计.

1 嵌入式Linux 操作系统驱动程序简介

1)驱动程序和应用程序的区别

驱动程序的设计和应用程序的设计有很大的区别[2].首先,驱动程序

的设计要对硬件的结构、信号的工作流程十分清楚,而在应用程序的设计

中,一般不需要了解这些.其次,应用程序一般有一个main 函数,从头到尾

执行一个任务;驱动程序却不同,它没有main 函数,通过使用宏module _init(初始化函数名),将初始化函数加入内核全局初始化函数列表中,在内核初始化时执行驱动的初始化函数,从而完成驱动的初始化和注册,之后驱动便停止等待被应用软件调用.应用程序可以和GLIB C 库连接,因此可以包含标准的头文件,比如、等;在驱动程序中,不能使用标准C 库,因此不能调用所有的C 库函数,比如输出打印函数只能使用内核的printk 函数,包含的头文件只能是内核的头文件,比如.

2)Linux 系统设备文件

为了方便应用程序的开发,在Linux 操作系统中,使用了设备文件这一概念来管理硬件设备.Linux 操 第24卷 第4期

2005年12月南昌工程学院学报Journal of Nanchang Institute of Technology Vol.24No.4Dec.2005

作系统把设备映射成为一个特殊的设备文件.每个设备都对应一个设备文件,设备文件保存在系统的/dev 目录下.应用程序要操作硬件设备,只需对相应的设备文件进行操作就可以.硬件设备文件是在安装驱动程序时,由驱动程序向内核注册后生成的.

3)驱动程序的组成

设备驱动程序的作用是应用程序与硬件之间的一个中间软件层.它由3部分组成:

(1)自动配置和初始化子程序,负责检测所要驱动的硬件设备是否存在和能否正常工作.

(2)服务于I/O 请求的子程序.这部分程序在执行时,系统认为是和进行调用的进程属于同一进程,只是由用户态变成了内核态.

(3)中断服务子程序.在Linux 系统中,并不直接从中断向量表中调用设备驱动程序的中断服务子程序,而是由Linux 系统来接收硬件中断,再由系统调用中断服务子程序.

2 嵌入式Linux 操作系统驱动程序的设计方法

驱动程序的作用是隐藏硬件设备的具体细节,对不同的设备提供一致的接口,这些接口通过file _oper -ations 结构[3]来定义,设计驱动程序的大部分工作就是根据硬件设计来/填写0结构体中定义的函数.

在设计驱动程序时,首先要分析硬件的工作原理,了解电路的工作时序,各种寄存器的地址及各位的功能等信息.然后结合硬件电路设计并实现open 、read 、write 、ioctl 、release 、init 等函数.

(1)设计open 函数 open 函数的主要功能是提供给驱动程序初始化能力.在设计时,要根据硬件电路,设置好控制、状态和数据寄存器,为以后的设备操作做好准备.

(2)设计read 函数 read 函数的主要功能是从设备上读数据.在设计时,要根据读操作的流程,按顺序设置寄存器,然后再根据响应结果判断是否读取寄存器或总线上的数据.

(3)设计write 函数 write 函数的主要功能是往设备上写数据.在设计时,要根据写操作的流程,按顺序设置寄存器,再根据响应结果将要写的数据按顺序写入寄存器或总线.

(4)设计ioctl 函数 ioctl 函数的主要功能是执行读、写之外的操作,如:配置设备、进入或退出某种操作模式,实现对设备的控制.

(5)release 函数 release 函数功能与open 函数相反,它的主要功能是释放open 分配的file->private_data 中的所有内容.

(6)init 函数 init 函数的主要功能是完成寄存器的地址映射和设备向内核注册.

3 嵌入式Linux 操作系统驱动程序设计实例

以HHARM9实验箱为例,介绍电机驱动程序的设计过程

.

1)硬件控制结构

在设计驱动程序之前,必须对硬件的结构和工作

流程十分清楚.在实验箱中,CPU 利用CPLD(95144)逻

辑来控制直流电机的工作,如图2所示,其中

ULN2803AP 是一个电流放大器.硬件电路的控制逻辑

如下:C PLD 判断到nGCS2选中,并且地址线MA5-MA0为000110b 时,读取数据线的低四位D3-D0,并作为M4-M1的输出.寄存器GPACON 的地址是:0x56000000,寄存器GPADAT 的地址是0x56000004.

2)驱动程序的设计

驱动程序的设计主要分如下几步:

(1)给file )operations 结构赋初值

赋值语句如下:52南昌工程学院学报2005年第4期

static struct file _operations elec tromotor _fops={

open: electromotor _open,

read: electromotor _read,

write: electromotor _write,

release: electromotor _release,};

本结构的主要作用是:将不同的设备提供一致的接口.如在应用程序中,对不同设备进行读操作时,都使用read 函数,写操作时,都使用write 函数.

(2)设计electromotor _open 函数

electromotor _open 函数的功能是选中指定设备,即选中nGC S2片选.实现方法是:先将GPACON 寄存器的第13位置1,再将GPADAT 寄存器的第13位置0.函数设计如下:

int electromotor _open(struct inode *inode,struct file *filp)

{ electromotor _sle |=0x2000; //将GPAC ON 寄存器的第13位置1

electromotor _sle _data &=(0x2000);//将GPADAT 寄存器的第13位置0

printk(/open ok \n 0);

return 0;}

(3)设计electromotor _write 函数

electromotor _write 函数的功能是实现设备的写操作.它首先通过get _user 函数得到用户传送过来的数据,接着写地址M5-M0为000110,即让CPLD 进入控制逻辑.然后将应用程序中传来的值的低四位传送给M4-M1.函数设计如下:

ssize _t electromotor _write(struct file*fp,char*buf,size _t size)

{ char key;

if (get _user(key,buf)) //将用户态数据转为内核态

return -EFAULT;

(*(volatile unsigned char *)ELEC TROMOTOR_6)=key;

return 1;}

(4)设计electromotor _init 函数

electromotor _init 函数主要是完成映射nGC S2地址和CPLD 逻辑控制的入口地址,以及向内核申请注册设备.函数设计如下:

int -init electromotor _init(void)

{ printk(d **************electromotor _init**********\n d );

ELEC TROMOTOR _GPACON=ioremap(0x56000000,4);

ELEC TROMOTOR _GPADATA=ioremap(0x56000004,4);

ELEC TROMOTOR _1=iore map(0x10000000,8);

/*******向内核注册设备驱动文件**********/

devfs _electromotor =devfs _register (NULL,d electromotor d ,DE VFS _FL _DEFAULT,ELEC TROMOTOR _MA -JOR,0,S _IFC HR |S _IRUSR |S _IW USR |S _IRGRP |S _I WGRP,&electromotor _fops,NULL);

return 0;}

(5)设计module _init 函数

该函数是驱动程序的模块入口,通过调用module _init(electromotor _init)来实现.因为电机没有反馈信息,所以本驱动程序可以把electromotor _read 函数写成一个空的函数.驱动程序设计完成后,再编写Makefile 文件,通过make 命令生成目标文件,最后利用insmod 命令向内核加载驱动程序,这时在/dev 就会新增一个设备文件.说明驱动程序加载成功.(下转第62页)

53

第4期朱华生,等:基于Linu x 系统的HHARM9电机驱动程序设计

z =Q 2K .(5)

3 比较与分析

在圆孔的夫琅和费衍射时,由衍射积分得出的最小距离为

z =k 2Q 2=PQ 2K .(6)

与波带法得出的式(5)进行比较,两者在数量级上是相同的,而具体数值上两式相差P .

进一步分析不难发觉,为了得出夫琅和费衍射条件,在波带法中,圆孔对P 0点所张面积正好为一个波

带,即P 0点到圆孔边缘相对P 0到圆孔中心的光程差为

K 2

,相应的相位差是P .在衍射积分中,采用的是式(2),此式中大括号里与振幅U 1(x 1,y 1)相乘的平方项相位因子在夫琅和费衍射时必须被忽略,在圆孔边缘处其相位为k Q 22z =PQ 2

K z

,当把分析衍射积分中的观察屏上P 点取在轴线上的P 0点时,此项正是P 0点到圆孔边缘((x 21+y 21)max =Q 2)相对P 0点到圆孔中心(x 1=0,y 1=0)的相位差.在文献[1]中要求这个相位

差远远小于1从而忽略其影响,得出了夫琅和费衍射条件.当然可以认为这个条件是严格的,然而为了与波带法比较,可以将这个条件放宽至P ,若在式(3)中也采用波带法的标准,即在衍射积分中夫琅和费衍射

条件下的最小距离要求上述相位差k Q 22z =P ,此时对应的光程差为Q 22z =K 2,得出z =Q 2K

,在这种条件下两种分析方法结果一致.

虽然在讨论中采用了圆孔衍射屏,显然分析得出的结果与衍射孔径的形状无关.通过以上分析可知,由衍射积分和波带法都可以得出夫琅和费衍射条件的表达式,而波带法的分析具有物理图像清楚、方法简单直观的优点,有助于学生对无透镜夫琅和费衍射条件的深入理解.

参考文献:

[1]J.W.顾得门.傅里叶光学导论[M].北京:科学出版社,1976.

[2]赵凯华,钟锡华.光学[M ].北京:北京大学出版社,1983.

[3]姚启钧.光学教程[M].高等教育出版社,1999.

(上接第53页)

4 结束语

由于设备驱动是沟通底层硬件与上层应用程序的桥梁,它所涉及的内容相当多.要设计出一个好的驱动程序,不仅要对硬件设备及工作原理相当熟悉,同时还必须具备一定的内核结构知识.

参考文献:

[1]王田苗.嵌入式系统设计与实例开发[M].北京:清华大学出版社,2003.

[2]ALESSANDRO RUBINI.LINUX 设备驱动程序(第二版)[M ].北京:中国电力出版社,2002.

[3]姜明华,周敬利,黄晓涛.Linux 下加密卡驱动程序的开发与性能分析[J].计算机工程,2004,(8):185-187.62南昌工程学院学报

2005年第4期