蜂鸣器设计实践报告.docx
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蜂鸣器设计实践报告
合肥师范学院
嵌入式系统开发技术
课程设计
专业：
计算机科学与技术（嵌入式）
班级：
2011级嵌入式应用技术
学号：
姓名：
设计题目：
蜂鸣器驱动程序设计
2014年05月
目录
1.绪论1
1.1概要1
1.2设计内容2
2.开发环境的搭建2
2.1Redhat的安装2
2.2安装arm-linux-gcc交叉编译器6
2.3安装及编译8
3.字符设备驱动相关知识10
3.1模块机制10
3.2字符设备开发基本步骤11
3.3主设备号和次设备号11
3.4实现字符驱动程序12
4.蜂鸣器原理14
4.1蜂鸣器的种类和工作原理14
5.总体设计15
5.1设计思路15
5.2设计步骤16
6、驱动及测试程序16
7.运行结果及截图20
8.综合设计总结与思考21
1.绪论
1.1概要
linux驱动在本质上就是一种软件程序，上层软件可以在不用了解硬件特性的情况下，通过驱动提供的接口，和计算机硬件进行通信。
系统调用是内核和应用程序之间的接口，而驱动程序是内核和硬件之间的接口，也就是内核和硬件之间的桥梁。
它为应用程序屏蔽了硬件的细节，这样在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以象操作普通文件一样对硬件设备进行操作。
linux驱动程序是内核的一部分，管理着系统中的设备控制器和相应的设备。
它主要完成这么几个功能：
对设备初始化和释放；传送数据到硬件和从硬件读取数据；检测和处理设备出现的错误。
一般来说，一个驱动可以管理一种类型的设备。
例如不同的U盘都属于massstorage设备，我们不需要为每一个U盘编写驱动，而只需要一个驱动就可以管理所有这些massstorage设备。
为方便我们加入各种驱动来支持不同的硬件，内核抽象出了很多层次结构，这些层次结构是linux设备驱动的上层。
它们抽象出各种的驱动接口，驱动只需要填写相应的回调函数，就能很容易把新的驱动添加到内核。
一般来说，linux驱动可以分为三类，就是块设备驱动，字符设备驱动和网络设备驱动。
块设备的读写都有缓存来支持，并且块设备必须能够随机存取。
块设备驱动主要用于磁盘驱动器。
而字符设备的I/O操作没有通过缓存。
字符设备操作以字节为基础，但不是说一次只能执行一个字节操作。
例如对于字符设备我们可以通过mmap一次进行大量数据交换。
字符设备实现比较简单和灵活。
1.2设计内容
本次设计是简单的字符设备驱动设计，基于mini2440的蜂鸣器的驱动设计。
2.开发环境的搭建
2.1Redhat的安装
创建一个虚拟机：
点击菜单栏File->New->Virtualmachine。
点击下一步。
选择Typical选项。
选择Linux下的RedHatLinux
填写虚拟机的命名和存储地址。
选择磁盘大小
2.2安装arm-linux-gcc交叉编译器
将arm-linux-gcc-4.5.1-v6-vfp-20120301.tgz复制到虚拟机的root目录下
解压文件：
tarzxvfarm-linux-gcc-4.5.1-v6-vfp-20120301.tgz
在bash_profile里添加路径：
vi~/.bash_profiel
路径/home/q/Desktop/opt/FriendlyARM/toolschain/4.5.1/bin
source~/.bash_profile使更改生效
截图：
2.3安装及编译
linux-2.6.35.7-mini210-tvp5150_linux_defconfig内核
复制内核到root目录下
解压内核文件tarzxvfarm-linux-gcc-4.5.1-v6-vfp-20120301.tgz
使内核文件生效：
cpmini210-tvp5150_linux_defconfig.config
使用make命令完成编译
截图：
3.字符设备驱动相关知识
3.1模块机制
Linux提供了机制被称为模块（Module）的机制
提供了对许多模块支持,包括但不限于,设备驱动
每个模块由目标代码组成（没有连接成一个完整可执行程序）
insmod将模块动态加载到正在运行内核
rmmod程序移除模块
Linux内核模块的程序结构
●staticint__initbeep_init（void）---模块初始化函数
通过alloc_chrdev_region来分配设备号beep_cdev来对设备进行各种操作。
比如在加载内核模块时，模块的加载函数会自动被内核执行，完成模块的相关初始化工作
●staticvoid__exitbeep_exit（void）---模块卸载函数（必须）
当通过unregister_chrdev_region命令卸载某模块时，模块的卸载函数会自动被内核执行，完成与模块装载函数相反的功能
●MODULE_LICENSE（）---模块许可证声明（必须）
模块许可证（LICENSE）声明描述内核模块的许可权限
如果不声明LICENSE,模块被加载时，将收到内核被污染（kerneltainted）的警告
●其他一些声明MODULE_XXXXX（）---模块声明（可选）
模块加载函数
staticint__initinitialization_function（void）
{
/*初始化代码*/
}
module_init（initialization_function）;
模块卸载函数
staticvoid__exitcleanup_function（void）
{
/*释放资源*/
}
module_exit（cleanup_function）;
3.2字符设备开发基本步骤
●确定主设备号和次设备号
●实现字符驱动程序
实现file_operations结构体
实现初始化函数，注册字符设备
实现销毁函数，释放字符设备
●创建设备文件节点
3.3主设备号和次设备号
●主设备号是内核识别一个设备的标识。
整数（占12bits），范围从0到4095，通常使用1到255
●次设备号由内核使用，用于正确确定设备文件所指的设备。
整数（占20bits），范围从0到1048575，一般使用0到255
●设备编号的内部表达
dev_t类型（32位）：
用来保存设备编号（包括主设备号（12位）和次设备号（20位））
从dev_t获得主设备号和次设备号：
MAJOR（dev_t）;
MINOR（dev_t）;
将主设备号和次设备号转换成dev_t类型：
MKDEV（intmajor，intminor）；
●分配主设备号
手工分配主设备号：
找一个内核没有使用的主设备号来使用。
#include
intregister_chrdev_region（dev_tfirst,unsignedintcount,char*name）；
●动态分配主设备号：
#include
intalloc_chrdev_resion（dev_t*dev，unsignedintfirstminor，unsignedintcount，char*name）；
●释放设备号
voidunregister_chrdev_region（dev_tfirst,unsignedintcount）;
3.4实现字符驱动程序
●cdev结构体
structcdev
{
dev_tbeep_devno;/*设备号*/
unsignedint*map;
structfile_operations*ops;/*文件操作结构体*/
unsignedintcount;
};
●file_operations结构体
字符驱动和内核的接口：
在include/linux/fs.h定义
字符驱动只要实现一个file_operations结构体
并注册到内核中，内核就有了操作此设备的能力。
●file_operations的主要成员：
open：
打开设备
release：
关闭设备
read：
从设备上读数据
write：
向设备上写数据
ioctl：
I/O控制函数
●ioctl函数
为设备驱动程序执行“命令”提供了一个特有的入口点
用来设置或者读取设备的属性信息。
intioctl（structinode*inode,structfile*filp,
unsignedintcmd,unsignedlongarg）;
●cmd参数的定义
不推荐用0x1，0x2，0x3之类的值
Linux对ioctl（）的cmd参数有特殊的定义
构造命令编号的宏：
_IO（type，nr）用于构造无参数的命令编号；
_IOR（type，nr，datatype）用于构造从驱动程序中读取数据的命令编号；
_IOW（type，nr，datatype）用于写入数据的命令；
_IOWR（type，nr，datatype）用于双向传输。
type和number位字段通过参数传入，而size位字段通过对datatype参数取sizeof获得。
●Ioctl函数模板
intxxx_ioctl（structinode*inode,structfile*filp,unsignedintcmd,
unsignedlongarg）
{
...
switch（cmd）
{
caseXXX_CMD1:
...
break;
caseXXX_CMD2:
...
break;
default:
///*不能支持的命令*/
return-ENOTTY;
}
return0;
}
3.5字符设备驱动结构
4.蜂鸣器原理
4.1蜂鸣器的种类和工作原理
蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。
压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。
有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。
多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。
当接通电源后（1.5~15V直流工作电压），多谐振荡器起振，输出1.5~2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。
电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。
接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。
振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。
有源蜂鸣器和无源蜂鸣器的区别：
这个“源”字是不是指电源，而是指震荡源，即有源蜂鸣器内有振荡源而无源蜂鸣器内部没有振荡源。
有振荡源的通电就可以发声，没有振荡源的需要脉冲信号驱动才能发声。
4.2开发板上蜂鸣器原理图分析
由原理图可以得知，蜂鸣器是通过GPD0_0IO口使用PWM信号驱动工作的，而GPD0_0口是一个复用的IO口，要使用它得先把他设置成TOUT0PWM输出模式。
5.总体设计
5.1设计思路
Linux设备驱动属于内核的一部分，Linux内核的一个模块可以以两种方式被编译和加载：
（1）直接编译进Linux内核，随同Linux启动时加载；
（2）编译成一个可加载和删除的模块，使用insmod加载（modprobe和insmod命令类似，但依赖于相关的配置文件），rmmod删除。
这种方式控制了内核的大小，而模块一旦被插入内核，它就和内核其他部分一样。
这次的蜂鸣器驱动就采用动态模块加载的方式
5.2设计步骤
Ø编写简单的字符设别驱动程序框架
Ø编写控制蜂鸣器控制开关函数
Ø编译模块，生成.ko
Ø编写用户层测试程序
Ø编译用户层测试程序，生成可执行程序beep_test
Ø将生成的.ko模块和应用层测试程序beep_test下载到目标板
Ø用insmod装载模块
Ø创建设备节点
mknod/dev/beepc2500
Ø运行用户层测试程序beep_test
#./beep_test
如果你的beep_test的属性不是可执行的，可以用chmod777beep_test将其设置成可执行
程序。
6、驱动及测试程序
6.1beep.c
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
structcdevbeep_cdev;
dev_tbeep_devno;
unsignedint*map;
intbeep_open（structinode*node,structfile*fp）
{
unsignedintdata;
request_mem_region（0xE02000A0,4,"beep"）;
map=ioremap（0xE02000A0,8）;
data=ioread32（map）;
data=data&（~0x1<<1）;
data=data&（~0x1<<2）;
data=data&（~0x1<<3）;
data=data|0x1;
iowrite32（data,map）;
printk（"beep_open\n"）;
return0;
}
voidbeep_start（void）
{
unsignedintdata;
data=ioread32（map+0x1）;
data=data|0x1;
iowrite32（data,map+0x1）;
}
voidbeep_stop（void）
{
unsignedintdata;
data=ioread32（map+0x1）;
data&=~0x1;
iowrite32（data,map+0x1）;
}
intbeep_close（structinode*node,structfile*fp）
{
return0;
}
ssize_tbeep_read（structfile*fp,char__user*buff,size_tlen,loff_t*lfot）
{
charload[100]="hello\n";
printk（"beep_read\n"）;
copy_to_user（buff,load,100）;
return0;
}
ssize_tbeep_write（structfile*fp,constchar__user*buff,size_tlen,loff_t*lfot）
{
charload[100];
printk（"beep_write\n"）;
copy_from_user（load,buff,100）;
printk（"%s\n",load）;
return0;
}
intbeep_ioctl（structinode*node,structfile*fp,unsignedintcmd,unsignedlongparm）
{
printk（"beep_ioctl\n"）;
switch（cmd）
{
case0:
beep_stop（）;
break;
case1:
beep_start（）;
break;
}
return0;
}
structfile_operationsfops=
{
.open=beep_open,
.release=beep_close,
.read=beep_read,
.write=beep_write,
.ioctl=beep_ioctl
};
staticint__initbeep_init（void）
{
intmajor;
alloc_chrdev_region（&beep_devno,0,1,"beep"）;
major=MAJOR（beep_devno）;
printk（"major%d\n",major）;
cdev_init（&beep_cdev,&fops）;
beep_cdev.owner=THIS_MODULE;
beep_cdev.dev=beep_devno;
beep_cdev.ops=&fops;
beep_cdev.count=1;
cdev_add（&beep_cdev,beep_devno,1）;
return0;
}
staticvoid__exitbeep_exit（void）
{
unregister_chrdev_region（beep_devno,1）;
cdev_del（&beep_cdev）;
}
module_init（beep_init）;
module_exit（beep_exit）;
6.2beep_tset.c
#include
#include
intmain（void）
{
intfp;
charbuff[100]="happy!
\n";
fp=open（"/dev/beep",O_RDWR）;
while
（1）
{
ioctl（fp,1,0）;
sleep
（1）;
ioctl（fp,0,0）;
sleep
（1）;
}
close（fp）;
return1;
}
7.运行结果及截图
8.综合设计总结与思考
这次的实习项目是嵌入式驱动设计，使蜂鸣器正常发出声音。
由于之前还没有完全真正的接触过嵌入式驱动的相关方面的设计，也没有项目经验，所以需要学习的知识比较的多。
有关驱动的知识我也很陌生。
关于Linux系统，这是我们这学期正在学的课程，所以对于Linux还是有一点基础。
之后，又在老师的讲解下，我们了解了做驱动需要掌握内核函数和模块函数，把它们联系起来一起运用到所编的代码中。
当然，实际的操作的过程并不是一帆风顺的。
实践中还是遇到了很多的问题，不过也正是通过这种实践，也才使得自己的动手能力得到加强。
最终通过询问老师以及和同学进行讨论使得遇到的问题都得以解决了。
该设计是在Linux系统下进行编译，这学期我们刚学习了Linux课程，这对本次的设计有一定的帮助。
但是由于我们在学校学的计算机专业课知识与企业所需的技术是有所脱节的，所以，在刚接触这个设计课题的时候，还是有点无从下手，后来，在老师详细的分析和讲解后，对本次的设计任务才比较明确。
Linux设备驱动属于内核的一部分，Linux内核的一个模块可以以两种方式被编译和加载，这次的蜂鸣器驱动就采用动态模块加载的方式。
在设计过程中，首先，要确定主设备号和次设备号，实现字符驱动程序，还需要实现file_operations结构体、实现初始化函数等等。
在实验过程中遇到很多问题，通过和同学交流和询问老师，最终艰难地完成了实验设计。
通过本次见习，让我对Linux系统更加熟悉了，还学习了一些驱动的知识，这对以后的就业也会有所帮助，在此非常感谢老师和学校给我们这么珍贵的学习机会。
这次实习我感觉自己对于驱动的知识有了很大的了解，这也使我们更加有信心在以后的工作中能够灵活的运用这方面的知识。
使我们自己在此次实习中学到的知识和经验充分的发挥。
教师评阅
考勤情况
设计态度
设计完成情况
实验报告
优
良
中
差
优
良
中
差
优
良
中
差
优
良
中
差
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