ziji11软件综合实训II课程设计说明书模板 - 副本

长沙学院

课程设计说明书

题目基于ARM+Linux平台的LED/数码

管的驱动程序设计

系(部) 计算机科学与技术

专业(班级) 软件工程(服务外包)(11软)

姓名

学号

指导教师

起止日期2013.12.09～2014.01.03

课程设计任务书

课程名称：服务外包软件综合实训II

题目：基于ARM+Linux平台的LED/数码管的驱动程序设计

已知技术参数和设计要求：

设计基于Linux的LED/数码管的驱动程序及其测试程序，具体要求如下：

（1）学会对嵌入式系统进行分析、设计，培养嵌入式系统底层开发能力。

（2）掌握嵌入式Linux开发环境的搭建方法。

（3）掌握编译Bootloader、编译内核、部署文件系统的方法。

（4）掌握基于嵌入式Linux的ARM微处理器的简单接口（LED/数码管）驱动程序的设计方法。(5) 加强各小组之间的团队合作精神。

各阶段具体要求：

（1）开发前的准备：基于Linux的开发环境的搭建。

（2）系统分析：包括基于Linux驱动程序的原理、开发的流程。

（3）编码实现：根据要求对LED/数码管的驱动程序进行编码实现。

（4）测试：编写测试程序对驱动程序进行测试。

设计工作量：

（1）软件设计：完成问题陈述中所提到的软件以及工作量要求。

（2）论文：要求撰写不少于3000个文字的文档，详细说明各阶段具体要求。

工作计划：

安排4周时间进行综合实训。

第一周----嵌入式Linux开发环境的搭建方法。

第二周----编译Bootloader、编译内核、制作文件系统。

第三、四周----基于嵌入式Linux的ARM微处理器的简单接口（LED/数码管）驱动程序的设计和测试程序的设计。

注意事项

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长沙学院课程设计任务书（每学生1份）

长沙学院课程设计论文（每学生1份）

长沙学院课程设计鉴定表（每学生1份）

指导教师签名：日期：2013-12-5

教研室主任签名：日期：

系主任签名：日期：

长沙学院课程设计鉴定表

摘要

在本次实训中，我们通过基于ARM+Linux平台的LED驱动程序设计，从嵌入式系统的基本概念开始，在开始的时候，学习了如何搭建嵌入式环境，VMware Workstation的安装过程以及Ubuntu操作系统的安装过程。在真正编写驱动程序时，我们使用的是s3c6410开发板平台，进一步熟悉Linux的基本操作，学习了驱动程序的设计过程和设计、思想。实现的效果是通过运行程序在s3c6410开发板中实现LED灯的跑马灯效果。

关键词：Linux驱动程序，S3C6410，LED , VMware Workstation

目录

第1章设计需求 (1)

1.1 嵌入式Linux系统简介 (1)

1.2 设计需求 (1)

第2章开发环境搭建 (2)

2.1 安装虚拟机Vmware Workstation9 (2)

2.2 在虚拟机中安装Linux操作系统（Ubuntu12.04） (2)

2.3 相关设置 (2)

第3章Uboot、Linux内核的编译及根文件系统的制作 (4)

3.1 编译Uboot (4)

3.2 编译内核 (5)

3.3 制作文件系统 (6)

第4章内核的烧写与根文件系统的挂载 (9)

4.1 配置超级终端、设置开发板 (9)

4.2 烧写内核 (9)

4.3 挂载文件系统 (10)

第5章LED跑马灯的驱动程序设计 (11)

5.1 LED的驱动设计 (11)

5.2 Makefile编译 (11)

第6章LED的测试程序设计 (12)

6.1 LED测试程序的设计 (12)

第7章测试 (13)

7.1 测试LED驱动程序 (13)

7.2 测试结果 (13)

结论 (14)

参考文献 (15)

附录A 使用说明 (16)

附录B 驱动程序及应用程序源代码 (17)

第1章设计需求

1.1 嵌入式Linux系统简介

根据IEEE（电子和电子工程师协会）的定义，嵌入式系统是“控制、监视、辅助机器和设备运行的装置”。从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。目前国内普遍被认同的嵌入式定义：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统主要有嵌入式处理机、嵌入式操作系统、外围硬件设备和用户的应用程序组成。嵌入式系统与个人计算机系统不同，嵌入式系统通常执行的是特定要求的任务，设计人员能对它进行优化、缩小尺寸、降低成本，但是这个嵌入式系统的定义也逐渐模糊。

Linux具有开放源码、内核小、功能强大、运行稳定、易于定制剪裁，支持多种CPU，遵循国际标准，全面支持网络的特点，可以方便地获得众多第三方软硬件厂商的支持。Linux自身具备了完整的工具链，容易自行建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行环境。内核的完全开放使人们可以自己设计和开发出自己的嵌入式Linux系统。

1.2 设计需求

本次实训的任务是基于嵌入式Linux的ARM微处理器的简单接口进行LED驱动程序的设计，实现LED跑马灯的效果。实训过程大致分为四个部分：

第一部分----嵌入式Linux开发环境的搭建。

第二部分----编译Bootloader、编译内核、制作文件系统。

第三部分----LED驱动程序的设计和测试程序的设计。

第2章开发环境搭建

2.1 安装虚拟机Vmware Workstation9

将下载好的VMware-workstation-full-9.0.1-894247.exe软件打开，按照提示一步步安装，选择好安装路径，并在安装过程中必须输入安装序列号，否则VM无法正常使用。

安装完成后如下图所示：

图2-1 虚拟机安装成功

2.2 在虚拟机中安装Linux操作系统（Ubuntu12.04）

Ubuntu是一个以桌面应用为主的Linux操作系统。我们是以学习为目的的，所以选择了现在流行的、资料丰富、易于使用的Ubuntu作为嵌入式开发平台。作为一个基于GNU/Linux的平台，Ubuntu 不但免费，而且有专业人员和业余爱好者提供技术支持。

安装时，打开已经安装好的虚拟机，在菜单中选择新建虚拟机选项，打开Ubuntu 12.04按照提示逐步安装即可。

2.3 相关设置

1.设置共享文件夹

在ubuntu操作系统安装完毕后，启动ubuntu，然后在Vmware Workstation中设置虚拟机文件夹共享，方便以后在宿主PC以及虚拟机之间传输文件。我在E盘中建立了一个名为share_yq的共享文件夹，用于数据的传输。

2. 更新数据源

ubuntu包含大量的服务和程序，有些服务必须联网更新后才能使用，更新数据源是为了以后使用更多服务做准备工作.在虚拟机的终端编辑源文件sources.list列表后，输入命令apt-get update开始更新数据源，等待系统更新完毕即可。

3.配置TFTP

（1）配置宿主PC机端的TFTP服务，并开通此服务，在终端中输入命令

apt-get install tftp-hpa //这是安装tftp客户程序

apt-get install tftpd-hpa //这是安装tftp服务程序

（2）在终端中输入命令：gedit /etc/default/tftpd-hpa，打开文件后，将文件内容更改为如下所示的内容：

# /etc/default/tftpd-hpa

TFTP_USERNAME="tftp"

TFTP_DIRECTORY="/temp/tftpboot"

TFTP_ADDRESS="0.0.0.0:69"

TFTP_OPTIONS="-l -s -c"

文件内容更改完毕，保存并退出，回到终端界面

（3）重新启动TFTP服务：

service tftpd-hpa restart

图2-2 配置tftp

4.配置NFS

（1）在终端中输入命令安装NFS服务：apt-get install nfs-kernel-server

（2）输入以下命令以配置NFS服务：

gedit /etc/exports打开文件后，在文件中添加如下内容：

/temp/tftpboot/nfsroot *(insecure,rw,sync,no_root_squash)

（3）重新启动NFS服务

#/etc/init.d/portmap restart

/etc/init.d/nfs-kernel-server restart

第3章Uboot、Linux内核的编译及根文件系统的制作

3.1 编译Uboot

Bootloader是嵌入式系统的基本部分，负责了系统地启动与初始化。bootloader引导加载程序是系统加电后运行的第一段软件代码。PC机中的引导加载程序由BIOS(其本质就是一段固件程序)和位于硬盘MBR中的OS BootLoader（比如，LILO和GRUB等）一起组成。BIOS在完成硬件检测和资源分配后，将硬盘MBR中的BootLoader读到系统的RAM中，然后将控制权交给OS BootLoader。BootLoader 的主要运行任务就是将内核映象从硬盘上读到RAM 中，然后跳转到内核的入口点去运行，也即开始启动操作系统。

接下来我们就开始按照老师给的指导进行编译了。

1.在终端执行命令：tar vxjf s3c6410_uboot.bz2

tar vxf s3c6410-cross-4.3.1-eabi.tar -C /usr/local/arm

将s3c6410_uboot.bz2解压到指定目录，将其放在工作目录/usr/local/arm中

2.export PATH=/usr/local/arm/4.

3.1-eabi/usr/bin:$PATH

//设置环境变量

cd s3c6410_uboot

make mbt6410_config

make

cp tools/mkimage /usr/bin

在编译时，缺乏动态链接库libmbpr.so.1，用命令：find / -name libmbpr.so.1找到它所在的目录，将它复制到/usr/bin目录中即可生成mkimage，完成编译bootloader。

图3-1 uboot编译

3.2 编译内核

1.进入到之前解压好的内核目录中

cd /temp/linux-2.6.36

make clean

//修改linux-2.6.36内核根目录下的.config文件，执行以下命令：

cp arch/arm/configs/s3c6400_defconfig .config

2.修改mach-smdk6410.c

gedit /temp/linux-2.6.36/arch/arm/mach-s3c64xx/mach-smdk6410.c

//在smdk6410_smsc911x_resources[]的位置将一下内容替换原来的内容

static struct resource smdk6410_smsc911x_resources[] = {

[0] = {

.start = S3C64XX_PA_XM0CSN5,

.end = S3C64XX_PA_XM0CSN5 + SZ_64K - 1,

//.start = S3C64XX_PA_SMC9115,

//.end = S3C64XX_SZ_SMC9115,

.flags = IORESOURCE_MEM,

},

[1] = {

.start = S3C_EINT(10),

.end = S3C_EINT(10),

.flags = IORESOURCE_IRQ | IRQ_TYPE_LEVEL_LOW,

},

};

3.配置启动参数

在终端执行命令：

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=/usr/local/arm/4.3.1-eabi-armv6/usr/bin/arm-linux- menuconfig 出现如下图的菜单界面：

图3-2 配置参数

按照要求对System type、NetWorking Support、Device Drivers、File Systems进行配置即可

4.编译内核并将内核（uImage）复制到/temp/tftpboot目录中

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=/usr/local/arm/4.3.1-eabi-armv6/usr/bin/arm-linux- uImage

cp /temp/linux-2.6.36/arch/arm/boot/uImage /temp/tftpboot

3.3 制作文件系统

Linux引入了虚拟文件系统VFS(Virtual File System)，为各类文件系统提供一个统一的操作界面和应用编程接口。

1.安装busybox工具

复制busybox-1.15.2.tar.bz2文件到/temp中并解压，解压完后进入busybox目录

tar vxjf busybox-1.15.2.tar.bz2

cd busybox-1.15.2

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=/usr/local/arm/4.3.1-eabi-armv6/usr/bin/arm-linux- menuconfig make ARCH=arm CROSS_COMPILE=/usr/local/arm/4.3.1-eabi-armv6/usr/bin/arm-linux- install

2.创建一个NFS文件的文件夹

mkdir /temp/tftpboot/nfsroot

3.NFS文件制作：

在/temp/tftpboot/nfsroot目录下，使用gedit新建脚本文件rootall.sh

gedit rootall.sh

#!/bin/bash

#------------- make file system

cd /temp/tftpboot/nfsroot

rm -r -f *

mkdir lib dev proc etc mnt usr bin sbin tmp sys

#------------- cp lib

#cd /usr/local/arm/3.4.1/arm-linux/lib

cd /usr/local/arm/4.3.1-eabi-armv6/lib

for file in libc libcrypt libdl libm libpthread libresolv libutil

do

cp $file-*.so /temp/tftpboot/nfsroot/lib

cp -d $file.so.[*0-9] /temp/tftpboot/nfsroot/lib

done

cp -d ld*.so* /temp/tftpboot/nfsroot/lib

#------------- cp busybox

cd /temp/busybox-1.15.2

cp -rf _install/* /temp/tftpboot/nfsroot/

cp -r examples/bootfloppy/etc/init.d/ /temp/tftpboot/nfsroot/etc/

#------------- edit /etc/init.d/rcS (0)

echo "#! /bin/sh" >>/temp/tftpboot/nfsroot/etc/init.d/rcS

echo "/bin/mount -a" >>/temp/tftpboot/nfsroot/etc/init.d/rcS

echo "ifconfig eth0 172.16.41.35" >>/temp/tftpboot/nfsroot/etc/init.d/rcS

echo "echo /sbin/mdev > /proc/sys/kernel/hotplug" >>/temp/tftpboot/nfsroot/etc/init.d/rcS

echo "/sbin/mdev -s" >>/temp/tftpboot/nfsroot/etc/init.d/rcS

#------------- make device file (1)

cd /temp/tftpboot/nfsroot/dev

mknod -m 660 console c 5 1

mknod -m 660 null c 1 3

#------------- make etc file

cat > /temp/tftpboot/nfsroot/etc/inittab << EOF

::sysinit:/etc/init.d/rcS

tty2::askfirst:-/bin/sh

::respawn:-/bin/sh

::restart:/sbin/init

::ctrlaltdel:/sbin/reboot

::shutdown:/bin/umount -a -r

::shutdown:/sbin/swapoff -a

EOF

cat > /temp/tftpboot/nfsroot/etc/fstab << EOF proc /proc proc defaults 0 0 sysfs /sys sysfs defaults 0 0 EOF

cat > /temp/tftpboot/nfsroot/etc/profile << EOF echo

echo -n "Processing /etc/profile... "

mkdir /temp

cd /temp

echo "Done"

echo

EOF

4.输入命令source rootall.sh使文件生效

第4章内核的烧写与根文件系统的挂载

4.1 配置超级终端、设置开发板

在此前首先将虚拟机设置为网桥模式，禁用网络。

1.配置超级终端

打开超级终端，新建一个连接，步骤如下：

首先为新建连接输入一个名称，然后选择我们所需要连接到的端口，最后配置端口属性，

将位/秒(B)修改为“115200”，将数据流控制(F)修改为“无”。修改好后如下图：

图4-1 配置超级终端

2.设置开发板

成功连接到s3c6410开发板并配置好超级终端后，在超级终端中逐步输入以下命令进行设置开发板printenv

set ipaddr 172.16.41.6

set serverip 172.16.41.8

setenv bootargs noinitrd init=/linuxrc console=ttySAC2,115200 mem=256M root=/dev/nfs nfsroot=172.16.41.8:/temp/tftpboot/nfsroot ip=172.16.41.6:172.16.41.8:172.16.41.1:255.255.255.0::eth0:off Saveenv

4.2 烧写内核

在超级终端中输入命令：tftp 0x50400000 uImage，成功后如下图所示：

图4-2 烧写内核成功

4.3 挂载文件系统

在超级终端中输入命令：bootm 0x50400000，成功后如下图所示：

图4-3 挂载文件系统成功

至此，配置工作就已经全部完成了，接下来就可以真正开始驱动程序的设计工作了。

第5章LED跑马灯的驱动程序设计

5.1 LED的驱动设计

控制LED灯的实例由LED的驱动程序和设计程序组成，LED驱动程序的作用是将LED硬件虚拟成一个设备文件ledkey并且提供一些接口函数给应用程序调用，LED应用程序通过对设备文件ledkey 的读写来控制LED的亮和熄。驱动程序的设计是通过GPIO接口实现的。

驱动程序的主要设计思路是用一个switch（）语句控制四个LED灯的亮灭。

在嵌入式驱动程序开发中，控制LED属于初级实验，接下来我们自己动手编写一个LED驱动程序：新建一个文件，命名为ledkey.c，并在其中添加驱动程序代码

gedit led_dev.c

在文件中添加我们的LED驱动程序代码（见附录），调试无误之后保存文件并退出。这样驱动程序代码的编写工作就完成了。

5.2 Makefile编译

Makefile文件的具体内容如下：

ifneq ($(KERNELRELEASE),)

obj-m := ledkey.o

else

KDIR := /temp/linux-2.6.36

all:

export PATH=/usr/local/arm/4.3.1-eabi-armv6/usr/bin:$PATH

make -C $(KDIR) M=$(PWD) ARCH=arm CROSS_COMPILE=/usr/local/arm/4.3.1-eabi- armv6/usr/bin/arm-linux-

cp ledkey.ko /temp/tftpboot/nfsroot/temp

test:

/usr/local/arm/4.3.1-eabi-armv6/usr/bin/arm-linux-gcc key_t.c -o key_t

cp test /temp/tftpboot/nfsroot/temp

clean:

rm -f *.ko *.o *.mod.o *.mod.c *.symvers

endif

有了Makefile文件和驱动程序之后，执行命令make就编译，等待编译执行完毕，在led文件夹下会生成一系列文件，其中与ledkey.c文件同名的ledkey.ko文件，便是我们所需的内核模块文件，以达到实现LED跑马灯的目的，编译成功后ledkey文件夹中的内容如下图所示：

图5-1 ledkey文件夹中的内容

第6章LED的测试程序设计

6.1 LED测试程序的设计

驱动程序运行在内核空间，而应用程序运行于用户空间。一般情况下应用程序是不能直接访问硬件的，但最终程序的执行结果必然是要到硬件的，这时就需要驱动程序。驱动程序扮演的是硬件和应用程序之间的桥梁作用，是操作系统的一部分。

一般的驱动程序是不允许应用程序调用的，只有当驱动程序留出这种供外界访问的接口才行，这种接口一般包括read，write，open，ioctl等接口，如果驱动中预留出了这些接口，就可以在应用程序中调用。在本次程序设计中，驱动与应用程序之间的接口体现在一下语句中：

static struct file_operations ledkey_fops =

{

.owner = THIS_MODULE, //应用程序与驱动程序的边界

.unlocked_ioctl = ledkey_ioctl,

};

在ledkey文件夹下新建测试文件，命名为test.c：

gedit led_dev_test.c

在其中添加LED驱动测试程序代码（见附录），调试无误后保存文件并退出，LED驱动测试程序就编写完成了。

第7章测试

7.1 测试LED驱动程序

测试用例如下：

在超级终端下，烧写内核和挂载文件系统后，即可进入文件系统，加载模块文件，执行命令：insmod ledkey.ko

此命令是将ledkey.ko模块文件进行加载

模块加载完成之后，就可以使用我们编写的LED驱动测试程序来进行LED驱动程序的测试了，在我的程序中，可以使用如下命令来进行LED灯的控制：

./test

因为实现的是LED跑马灯的效果，所以不用给定任何参数，就能使四个LED灯循环点亮和熄灭。

7.2 测试结果

按照上述测试过程进行测试，在超级终端中加载执行LED驱动程序后生成ledkey.ko，运行LED驱动测试程序test.c，能够达到控制四盏LED灯分别点亮或熄灭的功能，即实现LED跑马灯的效果。测试结果如下图所示，在开发板上可以看到四盏LED灯跑马灯的效果。

图7-1 运行结果

结论

本次实训，我们学习了基于ARM+Linux平台的LED的驱动程序设计，首先学习了如何在虚拟机上建立LINUX开发环境，然后在Ubuntu中继续配置了很多参数，进行了很多操作。在这次驱动程序的设计当中，我主要是实现了一个LED驱动程序的跑马灯效果，即第一个灯亮，一秒后熄灭，依次四个LED灯进行循环。只有退出执行程序或卸载ledkey.ko才会使LED灯停止运转。在设计中，我认为自己做的不足的地方是之前在开发环境的基本设置上花费了过多的时间，导致真正学习编写驱动程序的时间过少，没有学习到很多关于嵌入式编写程序的精华，所以只是实现了一个简单的LED灯，没有做到点亮数码管的功能。

另外，我认为嵌入式学习相比于其他语言来说更加难一些，因为它不仅牵涉到代码的编写，更要求编写者一开始就对硬件有一定程度的熟悉和了解。我们之所以在开始之初不知道自己该做些什么就是因为对硬件部件的无知和陌生，在此次实训之前我们也有开设如计算机组成原理这样跟硬件相联系的课程，但是这次实训不同的是，我们终于开始真正接触嵌入式了，通过这次驱动程序的设计编写，我们加深了对嵌入式的认知，在以后的学习生活中，我们更应该对自己的学习紧张起来，对自己嵌入式的学习做一个详细的规划，去主动学习它，而不是当学习任务来到时不知所措。我相信只要我们肯努力，任何困难都不会成为问题的。

参考文献

[1] 丰海.嵌入式Linux系统应用及项目实践[M]. 机械工业出版社.

[2] 李朱峰. Linux嵌入式系统开发与设计[M]. 北京：北京航空航天大学出版社.

[3] 韩少云，奚海蛟.ARM嵌入式系统移植实战开发[M]. 北京：北京航空航天大学出版社.