關鍵詞： 嵌入式Linux   LonWorks現場總線   設備驅動  

　　1  引言

　　新設備及新的接口規范等的不斷出現，使得操作系統的設備驅動部分的開發工作層出不窮。我們在基于嵌入式Linux智能控制器的開發中，首先遇到了LonWorks現場總線設備的驅動程序問題。于是我們對Linux的驅動程序實現機制進行了深入研究，并開發了LonWorks現場總線設備的驅動程序。

　　2  關于LonWorks現場總線

　　現場總線是一種工業數據總線，是連接智能現場設備和自動化系統的高可靠的數字式、雙向傳輸的通信技術，可方便地構成全數字化的分布式現場控制網絡。對于防護工程這種工程軸線長、監控測點分散的系統，特別適合采用現場總線技術構成工程的分布式智能化控制系統。

　　在各種現場總線中，LonWorks總線技術以其在技術先進性、可靠性、開放性、拓撲結構靈活性等方面獨特的優勢，為集散式監控系統提供了很強的實現手段。使其特別適合于建筑的樓宇自動化系統。根據防護工程是一種特殊的地下建筑工程以及其布局特點，特別適合采用LonWorks現場總線技術實現其內部設備的自動化監控。

　　網絡接口卡是主計算機與LonWorks網絡的接口，使計算機能夠完成與LonWorks節點之間的數據交換。在我們設計的智能控制器中，采用專門的嵌入式LonWorks現場總線接口卡作為嵌入式CPU與Lon- Works現場總線網絡之間的接口設備。

　　2.1  LonWorks現場總線網卡的原理

　　了解LonWorks現場總線卡的工作原理，對編寫驅動程序是必要的，故我們首先給出其工作原理，并對此作一些必要的解釋。圖1是嵌入式LonWorks網卡的硬件電路方框圖。

圖1     ISA網卡的硬件電路方框圖

　　過去實現微控制器與ISA總線的接口一般使用8155、8255，電路復雜，調試困難，在本網卡的設計中，使用可編程邏輯陣列(CPLD)來實現與ISA總線的接口邏輯，只用一個芯片就完成了所有功能，大大簡化了網卡的電路。

　　2.2  LonWorks現場總線網卡的工作過程

　　計算機與微控制器之間數據交換接口的應用程序框圖如圖2、3所示。在程序框圖中，主要實現了計算機與微控制器之間讀寫數據、置標志位和清除標志位的功能。CPLD內部實現了存儲數據和標志位的寄存器。

圖2      主機寫數據程序框圖

圖3     從機接收數據程序框圖

　　3  LonWorks現場總線網卡設備驅動實現

　　我們在Linux平臺上開發和設計了LonWorks現場總線網卡的軟件。軟件部分由應用程序和設備驅動程序兩部分構成，這里首先主要討論的是設備驅動程序部分。在Linux平臺上實現對硬件的驅動支持可以有兩種方式:一種是直接在用戶空間來實現;另一種是使用Linux內核中提供的機制來實現。考慮到用戶空間驅動程序的局限性，比如為了訪問特權指令(I/O指令)必須做一些影響系統安全的設置等等，我們在開發中采用了第二種方式。

　　3.1  Linux的可加載模塊機制

　　Linux內核提供了兩種機制來開發設備驅動程序:一種是直接把驅動程序鏈接到內核中:另一種則是通過稱為Linux可加載模塊的機制來開發可動態加載和卸載的驅動模塊。而種方式可以在后一種方式成功后，采用與內核一起提供的配置工具和接口來完成。所以，我們只研究可加載模塊機制。

　　Linux作為單核結構其效率比較高，但是系統靈活性不足，為了平衡這兩者的關系，它提供了可動態加載機制。利用這種機制我們可以開發Linux內核模塊，并且可以動態的對它加載和卸載。Linux下的設備驅動程序一般都支持這種方式，且模塊被加載到內核后，它就可以任意的利用核心提供的各種資源和服務了。為了讓模塊利用核心提供的資源，Linux內核維護了一張所有內核資源的符號表(在接下來的部分我們稱它為內核資源符號表)，用于在模塊載入時解決對相應資源的引用問題。并且，Linux允許模塊的堆棧操作，由此一個模塊可以使用其他模塊所提供的資源。也就是說:一個模塊對另一個模塊的資源的使用與其對內核資源的使用非常相似，不同的只是這些服務的資源從屬于另一個模塊而已。每當一個模塊被加載Linux就會有一個修改內核資源符號表的過程，將該模塊所提供的服務和資源加入進去，這樣另一個模塊載入時，如果需要就可以引用這個模塊的資源了。而卸載一個模塊時，就要知道當前模塊是否正在被使用。如果沒有被使用，在卸載時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資源。然后，Linux還要從內核資源符號表中刪除所有該模塊提供的資源和服務。

　　從上面的原理分析可知，內核模塊編寫時應該具有兩個主要的接口函數:init_module()用于在模塊加載時由加載模塊的工具調用，以便于注冊一些必要的服務和申請一些資源。cleanup_module()用于在模塊卸載時由刪除模塊的工具來調用，清除掉由init_module()所做的工作，從而使內核模塊可以安全的卸載。其中對init_module()調用的一種工具是在根用戶執行insmod命令來加載模塊時執行。而對于cleanup_module()的調用是在根用戶使用rmmod命令來卸載模塊時執行。

　　3.2  Linux下設備驅動程序

　　系統調用是操作系統內核和應用程序之間的接口，設備驅動程序是操作系統內核和機器硬件之間的接口。設備驅動程序為應用程序屏蔽了硬件的細節，這樣在應用程序看來，硬件設備只是一個設備文件，可以通過相應的系統調用象操作普通文件一樣對硬件設備進行操作。

　　(1) Linux設備分類

　　Linux系統的設備分為字符設備(char device)，塊設備(block device)和網絡設備(network device)三種。字符設備是指存取時沒有緩存的設備，如系統的串口設備/dev/cua0, /dev/cual。塊設備的讀寫則都有緩存來支持，只能以塊為單位進行讀寫，并且塊設備必須能夠隨機存取(random access)，即不管塊處于設備的什么地方都可以對它進行讀寫，字符設備則沒有這個要求。塊設備主要包括硬盤軟盤設備，CD-ROM等。網絡設備在Linux里做專門的處理。Linux的網絡系統主要是基于BSD unix的socket機制。

　　(2) 設備標識方式

　　Linux設備由一個主設備號和一個次設備號標識。主設備號標識了設備類型，即設備驅動程序類型，它是塊設備表或字符設備表中相應表項的索引。次設備號僅由設備驅動程序解釋，一般用于識別在若干可能的硬件設備中，I/O請求所涉及到的那個設備。值得一提的是次設備號還可以被分成幾個部分用來區分子設備驅動程序和具體的設備。

　　(3) Linux設備驅動程序組成部分

　　Linux設備驅動程序可以分為三個主要組成部分:

　　●自動配置和初始化子程序。負責檢測所要驅動的硬件設備是否存在和是否能正常工作。如果該設備正常，則對這個設備及其相關的、設備驅動程序需要的軟硬件進行初始化。
　　● 服務于I/O請求的子程序。它們主要是對file_operations結構的各個入口點的實現。這部分的實現支持了文件系統的調用(如open，close, read等等)。
　　●中斷服務子程序。在Linux系統中，并不是直接從中斷向量表中調用設備驅動程序的中斷服務子程序，而是由Linux系統來接收硬件中斷，再由系統來調用中斷服務子程序。

　　但是，這三個部分不是必須在每個驅動程序中必須具有的。

　　3.3  LonWorks現場總線網卡驅動程序

　　研究了Linux的設備管理以及設備驅動程序實現方法后，我們來設計LonWorks現場總線設備驅動程序，并對實現中的一些關鍵問題進行探討。

　　(1) LonWorks現場總線網卡驅動程序

　　在驅動程序設計和開發中，我們一定要注意的問題是機制(Mechanism)與策略(Policy)的分離。這里所謂的機制是指我
們的驅動程序提供的接口應該很忠實地反映設備的原始功能(bare function)，而與應用無關。而策略是指一旦這個設備驅動程序為設備機制提供了相應的軟件接口，那么應用程序開發人員就能按照特定的方式使用機制接口。可以說，在內核驅動程序開發過程中，所設計的數據結構，以及確定的接口命令都是為以后的應用策略提供的一種機制。而如前所述，這種機制在Unix類系統內部是通過一組固定的入口點來提供的。由于我們要開發的設備驅動程序是一個字符型的設備，所以接下來我們首先分析字符型設備驅動程序中常用的入口點:

　　● open入口點
　　打開設備準備I/O操作。對字符設備文件進行打開操作，都會調用設備的open入口點。open子程序必須對將要進行的I/O操作做好必要的準備工作，如清除緩沖區等。如果設備是獨占的，即同一時刻只能有一個程序訪問此設備，則open子程序必須設置一些標志以表示設備處于忙狀態。

　　●release入口點
　　關閉一個設備。當一次使用設備終結后，調用release子程序。獨占設備必須改變前由open子程序設置的標志，以便設備可再次被使用。

　　●read入口點
　　從設備上讀數據。對于有緩沖區的I/O操作，一般是從緩沖區里讀數據。對字符設備文件進行讀操作將調用read子程序。

　　●write入口點
　　往設備上寫數據。對于有緩沖區的I/O操作，一般是把數據寫入緩沖區里。對字符設備文件進行寫操作將調用write子程序。

　　● ioctl入口點
　　執行讀、寫之外的一些硬件控制操作。

　　●poll入口點
　　把對許多非阻塞操作的設備描述符集合起來，等待事件的發生，以便于集中檢查，看數據是否可從設備讀取或設備是否可用于寫數據，這樣就做到了所謂的多路復用。

　　以上入口點構成了設備驅動程序的三大組成部分中I/O請求的部分，在Linux中它們由file_operations結構來封裝，并不是所有的字符設備驅動程序都必須提供以上每一個入口點的實現，如果設備驅動程序沒有提供上述入口點中的某幾個，系統會用缺省的子程序來代替。

　　由上面的描述可見，在內核設備驅動程序的設計中，相應的機制的提供主要是對設備入口點的選擇和設計。
針對LonWorks現場總線網卡的特點，我們選擇并實現了五個入口點，即open, release, read，write, ioctl。

　　對于open和release入口點由于設備特點，我們只需要控制設備驅動模塊在使用時，不被異常釋放即可。

　　接下來，我們將描述以上設計實現中與Linux內核相關的一些調用和問題。

　　(2) 對file_operations結構的初始化

　　file_operations結構是Linux操作系統中用于實現驅動程序的重要的數據結構，我們已經在前面提到過，它對Linux提供I/O請求的子程序的一系列入口點進行了封裝。該結構貫穿在整個驅動程序中，故我們在文件作用域內定義了它的一個變量，并對本程序中用到的入口點做了初始化，其代碼如下:

　　struct file_operations lmdev_fops= {
　　   NULL，
　　   lmdev_read,
　　//把實現的lmdev_read函數指針賦給read入口點。
　　   lmdev_write，
　　//把實現的lmdev_write函數指針賦給write入口點。
　　    NULL，
　　    NULL，
　　   lmdev_ioctl，
　　//把實現的lmdev_ioctl函數指針賦給ioctl入口點。
　　    NULL，
　　    lmdev_open，
　　//把實現的lmdev_ open函數指針賦給open入口點。
　　lmdev_release，
　　//把實現的lmdev_release函數指針賦給release入口點。
　　NULL，
　　NULL，
　　NULL，
　　NULL,
　　}; 
　　對于lmdev-*函數的實現方法，我們將在后面做詳細的討論。

　　(3) 模塊初始化與模塊卸載

　　●LonWorks現場總線網卡驅動模塊初始化，通過對init_module的實現來完成以下幾個任務。以字符設備類型向系統注冊LonWorks現場總線設備卡，同時動態獲得其設備號。通過調用下面這個函數int register_ chrdev(unsigned int major, const char*name, struct file_operations *fops)來實現。這里我們使major參數為0，這樣系統就會動態的分配并返回主設備號。name參數是用于標識設備的字符串。file_ operatons傳入的是如前所述的lmdev_fops。然后，向系統申請LonWorks現場總線網卡的I/O端口地址。我們根據該卡上的跳線得到的I/O地址，調用系統提供的宏:check_region(start,n)//檢查端口地址范圍start到start+n-1是否可用，是則返回0，否則返回1。request_region(start,n,name)//用于申請通過以上函數檢查的地址范圍。接下來，做一些必要的系統日志，根據各種條件用printk向系統日志緩沖區寫入不同級別的信息。，控制對內核資源提供的符號表輸出的符號信息(即在可加載模塊機制部分提到的模塊要注冊的服務)。這里使用EX- PORT_NO_SYMBOLS使得該模塊不輸出任何符號信息。

　　●LonWorks現場總線網卡模塊卸載需要完成以下幾個任務:

　　調用release_region(start,n)宏釋放模塊初始化時申請的I/O端口資源。
　　調用int unregister_chrdev(unsigned int major, const char*name);
　　向系統注銷該字符設備，本程序中major參數即前面注冊時動態獲得的主設備號，name與注冊時提供的name字符串相同。調用printk函數，做一些必要的系統日志。

　　(4) 對file operations結構中入口點的實現

　　●open和release入口點。這兩個入口點在本模塊中被賦予的就是前面在介紹file_operations結構時給出的lmdev_open和lmdev_ close函數指針,它們主要通過調用MOD_INC_USE_COUNT及MOD_DEC_USE _COUNT來進行模塊計數。用計數來對LonWorks現場總線設備驅動模塊是否正在被使用進行控制，防止模塊正在使用時被意外卸載而導致核心對設備操作出現異常。

　　●對read/write入口點的實現
　　這個入口點在本模塊中被賦予的就是前面在介紹file_operations結構時給出的lmdev_read函數指針，它是對設備操作的核心部分，根據前面描述的算法，它實現了如下幾個功能:

　　用inb_p宏，訪問硬件的狀態和數據端口，以讀取相應的狀態和數據信息。
　　調用long_sleep_on_timeout(wait_queue_head_t *q, long timeout)函數把當前進程加入時鐘等待隊列q中，使它等待timeout時間。根據LonWorks現場總線卡的工作方式來看，這樣做可以減少輪詢時間，大大的提高了效率。
　　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核心空間，故需調用Linux核心提供的copy_to_user(to,from,n)宏，把數據從內核空間地址from拷貝到用戶空間地址to中。這樣，系統調用返回后，用戶空間的代碼就可以通過to指針來訪問相應的數據并進行處理了。這樣核心驅動模塊部分的程序就完成了。

　　(5) 編譯內核模塊

　　在程序完成后，用gcc編譯成目標文件(不鏈接，生成*.o文件)，要做到這一點只需在gcc命令行里加上-c參數。另外，還要加上-D_ KERNEL_ -DMODULE參數。上述程序可以這么編譯。

　　root# gcc -c -D-KERNEL_-DMODULE -Wall -02 lmdev.c。其中參數-Wall的功能是打印附加的警告信息。由于頭文件中的函數都是聲明為inline的，還必須給編譯器指定-O選項。gcc只有打開優化選項后才能擴展內嵌函數，不過它能同時接受-g和-O選項，這樣就可以調試那些內嵌函數的代碼了。優化參數-O有三個級別:Ol, 02, 03，它們的優化程度不同，優化效果03大于02大于Ol。

　　編譯好模塊后的如何加載模塊，在前面已經有所描述，這里就不再敘述了。

　　3.4  應用程序開發

　　在對以上模塊編譯并加載后，Linux根據用戶可用mknod命令，利用動態分配的主設備號(該設備號在用戶空間可以從/proc/devices文件中用設備名獲得)建立相應的設備文件，并對它設置恰當讀寫權限后，就可以在我們的應用程序中，使用Linux的文件系統調用通過這個設備文件來操作LonWorks現場總線卡了。這樣做不僅使得應用程序編程風格更加統一，代碼更具魯棒性，應用系統更加安全更易于維護。而且可在核心級來保證關鍵部分的實時響應，從而降低了用戶程序開發的難度。

　　下面是我們為這個驅動開發的測試程序的一些實驗結果，測試項目為:

　　通過智能控制器檢測LonWorks現場總線網絡節點分布狀況。測試結果如圖4所示:

圖4     LonWorks現場總線網絡節點檢測結果

　　結果分析:智能控制器分別檢測出1#LonWorks現場總線通道6號節點有一個開關量前端(LM1202)，2#LonWorks現場總線通道11號節點有一模擬量前端(LM1101)。智能控制器檢測結果與實際LonWorks現場總線網絡節點分布一致，這說明LonWorks現場總線設備驅動程序正確運行。到此，LonWorks現場總線設備驅動開發完成。
  
　　4  結束語

　　本文在研究了基于嵌入式Linux平臺的驅動程序開發機制后，研究實現了嵌入式Linux環境下的LonWorks現場總線網卡的設備驅動。應用實現結果表明，該設備驅動運轉正常、性能可靠。這一研究課題的成功的解決對于拓寬LonWorks現場總線應用領域具有借鑒和推廣意義。