基于ARM9的Linux嵌入式字符驱动GPIO设计

刘 进，肖克亮，邓 睿

（贵州省电子工业研究所 贵州 贵阳 550004）

随着嵌入式技术的不断发展，各种嵌入式平台纷纷涌现，ARM9作为新一代嵌入式平台凭借其强大的功能与良好的设备支持受到了普遍的关注。它采用5级流水线，具有指令和数据Cache，支持协处理器和片上调试。在数据通信、多媒体显示和手持计算等领域得到了广泛的应用。其最大的优势在于支持Linux操作系统，对Linux源代码的移植和开发提供了很好的平台，所以在ARM基础之上发展的嵌入式Linux操作系统层出不穷。本文主要研究和实现基于ARM9的Linux嵌入式字符驱动的开发流程，同时利用QT4界面的开发完成LED灯与蜂鸣器的开关，从而对已开发的驱动程序进行测试。

1 嵌入式系统的设备驱动

设备驱动是操作系统和输入输出设备间的粘合剂，负责将操作系统的请求传输，并且转化为物理设备控制器能够理解的指令[4]。它直接与硬件设备打交道，向上层提供访问的函数接口。在linux系统中通常是利用设备文件的概念统一设备的访问接口，从而使得系统对设备的操作显得简捷方便。在整个系统中分为3个部分，应用程序、linux内核和硬件设备，结构体系如图1所示。

图1 Linux体系结构Fig.1 The structure of Linux

在应用程序与内核之间通常是通过系统调用实现通信，应用程序在发出系统调用的指令后，系统进入内核状态，内核则通过文件的结构识别设备。再利用定义好的file-operation的数据结构来建立文件系统与设备驱动函数的关联，其结构体的每个成员都对应着一个系统调用。在完成文件与设备驱动函数的关联获取了对应数据结构的操作函数指针后，整个控制权就移交给了该操作函数，从而实现对硬件设备的操作和相应的功能，这就是设备驱动的工作原理。

2 字符驱动程序开发流程

驱动程序的开发任务可以分为几个部分：设备驱动的初始化和退出、file－operations的定义以及函数指针的实体实现和程序编译下载。

2.1 设备的定义以及初始化

2.1.1 初始化以及退出函数定义

驱动程序的init主要完成3件事：调用register_chrdev_region询问内核该设备号是否有设备占用，如果没有就继续下面操作，初始化设备结构体变量cdev和向内核注册字符IO设备。

这两个函数是模块的框架，定义如下：

字符模块退出函数主要是删除内核中的字符设备并卸载驱动程序，分别调用cdev_del和unregister_chrdev_region。

2.1.2 模块函数的内核申请

在Linux系统下，驱动程序都是以模块存在的，模块是向内核动态的增加功能，每个模块都包括module_init和module_exit两个函数，分别在向系统插入模块和移除模块时被调用。所以需要向内核申请mydriver_init和mydriver_exit函数以及LICENSE。

从而 mydriver_init和mydriver_exit便通过 module_init和module_exit两个宏注册到内核，这样在通过insmod和rmmod命令往内核增加和移除时候就会调用。

2.2 文件操作file-operation的结构定义以及操作函数实体

2.2.1 file-operation的结构定义

设备都是有一些操作的，应用程序就通过这些接口操作函数来使用驱动程序对设备的控制。如下：

2.2.2 设备操作函数

本文主要实现对GPIO口的驱动从而实现对LED以及蜂鸣器的控制操作，所以函数主要为GPIO的写操作。

//配置 GPF0，1，2，3 为输出引脚

static int mydriver_open （struct inode*inode，struct file*file）

在应用程序执行open（）系统调用时，mydriver_open函数将被调用。将LED的GPIO引脚设为输出功能。

//GPIO口实际的写操作驱动函数

static ssize_t mydriver_write （struct file*file， const char__user*buf， size_t count， loff_t*ppos）

在应用程序执行 write（）系统调用时，mydriver_write函数将被调用。将LED的GPIO引脚设为输出功能。

2.3 设备驱动程序的编译及下载

2.3.1 编译环境

内核版本:linux－2.6.31

交叉编译器：arm－linux－gcc 4.1.2

操作系统：linux－redhad 9.0

链接的 QT 库：qt－embedded－linux－opensource－src－4.5.3

2.3.2 编译过程

1）将驱动程序 mydriver.c和 beep.c放到虚拟机的linux内核的/driver/char/目录下，修改该目录下的Kconfig文件，在第14行加入：

2）修改该目录下Makefile文件，在13行加入：

3）配置内核，支持驱动模块：

回到linux一级目录，执行：make M=driver/char/modules编译完成后，会在driver/char/目录下生成mydriver.ko，的文件，将这个文件复制到开发板的根文件系统下lib/modules/2.6.31/下。而QT应用程序则在mydriver文件 （内有mydriver_test.c）里面先后执行：

#qmake project

#qmake

#make

完成后，就会在mydriver文件夹里生成mydriver的可执行文件。

4）将mydriver的可执行文件下载到ARM9开发板的usr/bin目录下，并执行：chmod 777 mydiver给予其所有的权限，同时修改该目录下的kconfig，在其中加入mydiver╞qws&让QT程序在后台运行。

由于驱动程序加入了自动创建文件节点，故为了方便，让驱动在ARM9上电时自动加载驱动，可在etc/init.d/rcS中加入 insmod lib/modules/2.6.31/mydriver.ko即可，于此同时加入kconfig&上电之后自动加载kconfig脚本。

3 测试程序设计流程

Qt是一个多平台的C++图形用户界面应用程序框架。它提供给应用程序开发者建立艺术级的图形用户界面所需的所用功能。Qt是完全面向对象的很容易扩展，并且允许真正地组件编程，设计出来的界面很美观。它是一种高效与跨平台的应用程序，Qt支持的平台很多，其中就支持Linux嵌入式操作系统[7]。如下以蜂鸣器功能为例：

以上就是基于QT4的界面设计及实现蜂鸣器相关功能的操作函数。设置了界面的个性化（用于7寸液晶屏），以及各种按钮的添加和设置，再用connect将相关按钮连接到曹函数中，以实现相关功能；关于beep操作函数，首先，执行open函数，即打开设备，调用驱动程序下的mydriver_open函数，对相关管脚进行配置；再执行write函数，即可调用驱动程序下的mydriver_write函数，实现对应功能。测试界面如图2所示。

图2 测试界面图Fig.2 The GUI of testing

4 结束语

本文很适合linux初学者对于驱动程序设计，首先，要知道驱动程序必须要有框架，即初始化和退出。然后，每个设备都有与之对应的结构体，而应用层要使用驱动程序，其中必须要有接口操作函数。文中将LED和蜂鸣器对应的寄存器进行配置在mydriver_open实现，而不是在初始化函数中设置，是因为：虽然加载了模块，但是这个模块却不一定会被用到，所以在使用时才去设置。应用程序在内核的字符设备数组中能够找到主设备号，根据设备号找到该设备的结构体cdev，访问结构体中的变量*ops，而*ops指向file_operation结构体，该结构体中有被应用层调用的函数。

[1]Karm Yaghmour.Building Embedded Linux System [M].O’Relly&Associates，2003.

[2]Michael K.Johnson.Writing Linux Device Drivers[R].DECUS’ 95 in Washington，1995.

[3]WayneWolf.ComputersasComponentsPrinciplesof Embedded Computing System Design[M].Beijing：Beijing Publishing House of Machinery Industry，2002.

[4]宋宝华.Linux设备驱动开发详解[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[5]马忠梅，徐英慧.AT91系列ARM核微处理器结构与开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.

[6]邹思轶.嵌入式Linux的设计与应用[M].北京：清华大学出版社，2002.

[7]蔡志明.精通qt4编程[M].2版.北京：电子工业出版社，2011.

[8]周安栋，张伽伟，石鸿萍.ARM11嵌入式系统实时网络通信和LCD显示的实现[J].现代电子技术，2011（16）:7-9.ZHOU An-dong，ZHANG Ga-wei，SHI Hong-ping.ARM11 embedded systems to achieve real-time network traffic and LCD displays[J].Modern Electronics Technique，2011（16）:7-9.