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1、基于arm和uclinux多串口通讯的设计与实现3图文基于 AR M 和 uClinux 多串口通讯的设计与实现 3王 欣 罗志祥 沈 光(华中科技大学光电子科学与工程学院 武汉 430074摘 要 以 AR M7嵌入式处理器 S3C44B0X 、 TI (T L16C752B 为硬件开发 平台 , 设计基于 uClinux 。关键词 AR M uClinux 串行设备驱动 中图分类号 TP316. 891 引言通用异步接收发送芯片 UART 产生于上个世 纪 70年代 , 是第一块大规模集成电路 。 1981年的 推出的 I B M PC 采用了 8250UART 芯片与外设进 行数据通信

2、, 直到上个世纪末 , UART 一直是 PC 中 最主要的串行通信接口 。嵌入式系统的多串口扩展的应用范围很广 。 它可以用来做多串口服务器 /多串口卡 , 工业 /自动 化现场 RS -485控制 , 使用 CDMA /GPRS MODE M 的无线数据传输 , 车载信息平台 /车载 GPS 定位系 统 , 远传自动抄表 (AMR 系统 , 税控 P OS/银行终 端等金融机具 , DSP 数据采集和传输系统等 。 本文给出了系统的多串口扩展完整硬件和驱 动解决方案 。 该方案对于多串口扩展应用以及以 L inux/uClinux类的操作系统为基础的驱动开发有 一定的指导意义和参考价值 。

3、2 硬件方案设计目前嵌入式处理器常见的有 AR M 、 Po werPC 、 M I PS 、 Mot or ola 68K 、 ColdFire (冷火 等 , 但 ARM 占 据了绝对主流 。由于低端市场上 AR M7/9型嵌入 式处理器非常火爆 , 本文就选用了其中一种流行的 ARM7型处理器 S3C44B0X 作为硬件开发平台 。 因为处理器 S3C44B0X 不带内存管理单元 MMU (无内存分页和地址映射机制 , 所以不能使用虚拟 内存 , 所以选用支持无存储管理单元微处理器的 uClinux 操作系统作为软件驱动开发平台 。截止到目前 , 全球范围内有超过 40种 UART 芯片

4、可以选择 , 大多数 UART 芯片是以计算机总线 转换 UART 为应用基础的 , 其管脚 、 寄存器基本相 同 。 这就使得 UART 芯片有很好的通用性 。本文 选用了其中较复杂的通用异步接收发送 (UART 芯片 T L16C752B 来扩展异步串行通讯口 。2. 1 UART 芯片 T L16C752B 工作原理图 1 T L16C752B 功能模块图 1T L16C752B 芯片与 UART 芯片 ST16C2550引 脚兼容 , 使用外部晶振时有高达 3Mbp s 的波特率 , 内置两套 UART 系统 , 每套都能独立工作 , 具有可 选的流控功能等 。T L16C752B 具

5、有 64字节发送 /接收 F I F O , 收 、 发 F I F O 的触发等级可通过软件编程实现 , 能减少 对 CP U 中 断 次 数 , 提 高 芯 片 收 发 效 率 。 T L16C752B 芯片功能模块如图 1所示 。2. 2 接口电路设计处理器 S3C44B0X 2与 T L16C752B 之间的硬 件连接如图 2所示 , D0D7通过总线收发芯片 S N74LVC16245A 连接 CP U 数据总线的低 8位 , 是441 计算机与数字工程 第 35卷 3收到本文时间 :2006年 9月 20日作者简介 :王欣 , 男 , 硕士研究生 , 研究方向 :嵌入式系统 、 数

6、字图像处理 。 罗志祥 , 男 , 副教授 , 硕士生导师 , 研究方 向 :宽带光通信 , 传感器网络 。 沈光 , 男 , 硕士研究生 , 研究方向 :嵌入式系统 。UART 的 数 据 输 入 与 输 出 通 道 , 其 中 S N74LVC16245A 是用来延时和增强数据总线驱动能力 ; 片选 CS A 、 CS B 连接 Bank4和 Bank5的引脚 nCGS4、 nGCS5, 这两个片选可以确定 2个 UART 端 口的起始地址 , 分别是 0x08000000、 0x0a000000。 即高位地址部分已固定 , 而片内寄存器的地址主要 由地址低 3位 A0A2确定 。只有在片

7、选信号和 地址信号都有效时 , 才能对片内相应的寄存器进行 正常读写 。 要注意的是 , Bank4和 Bank5的控制寄 存器的设置要参考 T L16C752B 图 2 S3C44B0X 与 T L16C752B 硬件连接图采用中断方式通知 CP U 接收到新的字符或字 符已发送 , 这样可以提高系统的实时性 。 这里中断 引脚 I N T A 、 I N T B 直接连接 S3C44B0X 的外部中断 引脚 EX I N T2EX I N T3。接入 T L16C752B 的外接 时钟频率最好是使用的波特率的倍数 。本文使用 的是 11. 0592M 的外部时钟 , 输出的的串口波特率 是

8、 115200。 T L16C752B 内部寄存器的映射表及访 问方法在参考文献 1中可查到 。3 串行设备驱动程序设计3. 1 uClinux 系统内核架构图 3 uClinux 内核架构 (字符型设备 设备驱动程序是操作系统内核与机器硬件之间的接口 。 它为应用程序屏蔽了硬件的细节 。在 应用程序看来 , 硬件设备只是一个设备文件 , 应用 程序可以像操作普通文件一样对硬件设备进行操 作 。 而事实上 , 对硬件的所有实际操作都是由用户 空间的应用程序调用内核空间的驱动程序来完成 操作的 。 在 uClinux (本文使用 2. 4. 20 中 :、 网络接口型 。 其中字 , (比如文件

9、 一样被访问 。 open 、 cl ose 、 read 和 write 等系统调用 , 如图 3所示 。 3. 2 串行设备驱动的分析在 uClinux 内核中提供了访问串行硬件的设 备 , 通常叫 tty 设备 (tty 是 Teletype 的简写 , 也可称 为终端设备 , 现在用来表示任何基于字符的数据 终端 。 uClinux 提供了三类 tty 设备 :串行设备 (有 的书中干脆称为串口 , 控制台 , 伪终端 (p ty 。其 中 , 后两者的命名只是因为从程序员的角度来看 , 它们和典型的 tty 设备 (即串行设备 以相似的方式工作 , 且它们的驱动程序已经被编写好了 ,

10、 而且 可能也不必为这两类 tty 驱动程序编写其他的驱动 程序 。 这使得任何使用 tty 核心与用户和系统交互 的新驱动程序都可以被看成是串行设备驱动程序 。 本文所设计的硬件就是典型的串行设备 。下面将 详细介绍 tty 类设备驱动的层次结构和串行设备驱 动的实现 。3. 2. 1 TTY 驱动的层次结构在 uClinux 系统中 , tty 驱动根据它们与设备的 关系 , 以及在执行流程中的位置 , 可以分为 tty 驱动 程序和与上层直接联系的 tty 驱动接口程序 。 可以 用图 4示意图来表示这种控制关系 。各种串行设 备都有自己的 tty 驱动程序来控制硬件 。在 tty 驱

11、动程序上层接口中 , tty 驱动程序的核心紧挨在标 准字符设备驱动层之下 , 并提供了一系列的功能 , 作为接口被终端类型设备使用 。内核负责控制通 过 tty 设备的数据流 , 并且格式化这些数据 。这使 得 tty 驱动程序把重点放在处理流向或者流出硬件 的数据上 , 而不必重点考虑使用常规方法与用户空 间的交互 。 为了控制数据流 , 有许多不同的线路设 置 (line disci p line 可虚拟地 “ 插入 ” 任何的 tty 设备 上 , 这由不同的 tty 线路设置驱动程序实现 。tty 线路设置对于 tty 驱动程序来说是不透明的 。 驱动程序不能直接与线路设置通信 ,

12、甚至不知 541第 35卷 (2007 第 8期 计算机与数字工程 道它的存在 。 在某种意义上讲 , 驱动程序的作用是 将发送给它的数据格式化成硬件能理解的格式 , 并 从硬件那里接收数据 。 tty 线路设置的作用就是使 用特殊的方法 , 把从用户或者硬件那里接收的数据 格式化 。 这种格式化通常使用一些协议来完成转换 , 比如 PPP 或者是蓝牙 (B luet ooth 3 。图 4 tty 驱动层次结构图 在 tty 驱动中使用到了一些数据结构 , 这些数 据结构关联了整个 tty 驱动的各个层次 。 如图 4和 图 5所示 , 这些数据结构有如下几种 。 在终端驱动 程序上层接口

13、tty_i o . c 文件中定义了终端驱动程 序的文件操作结构 file_operations 实例 -用于和用 户空间通讯 , 这是典型的字符设备的结构 , 它的每 一个成员函数都将与系统调用的 read 、 write 、 i octl 等关联起来 。 在文件中还定义了 tty_struct 结构实 例 (如图 4虚线框所示 , 它内部包含了下面的三种 结构 -它描述了通用 (或高层 tty 的属性 , 主要是 在当 tty 设备打开的时候 , tty 核心将当前特定的 tty 端口的状态保存在此结构中 。在默认线路设置模 块 n_tty. c 文件和其它文件如 ppp 协议的线路设置

14、文件 ppp_async. c 中 , 定义了 tty_ldisc 结构实例5-它列出了所有的当前线路设置的入口 。在各种串行设备的 tty 驱动程序中定义了 tty_driver结构 实例 (如图 4虚线框所示 , 它内部包含了下面的 ter m i os 结构 -用来向 tty 核心注册一个 tty 驱动程序 。 tty_driver结构中还包含所有的回调函数 , 它们被 tty 驱动程序设置 , 并被 tty 核心调用 。 这些 回调函数的实现需要调用到底层硬件控制 , 对具体 寄存器进行读写 , 完成串行设备的收发操作 。ter m i os 结构 (如下所示 -每个 tty 驱动程序

15、都包含有这样一个结构实例 , 结构中的标志集合控 制终端接口的各种特征 。用户进程就是通过 ter 2m i os 结构来设置和修改终端属性的 。struct ter m i os tcflag_tc_iflag;/3输入模式标志 3/tcflag_tc_oflag;/3输出模式标志 3/tcflag_tc_cflag;/3控制模式标志 3/tcflag_tc_lflag;/3局部模式标志 3/cc_tc_line;/3线路设置 3/cc_tc_ccNCCS;/33/;3. 2. 2tty 驱动中最重要的一 中 , tty 核心从用户那里得到将被 tty 设备的数据 , 然后把数据发送给 tt

16、y 线路设 置驱动程序 , 该驱动程序负责把数据传递给 tty 驱 动程序 。 tty 驱动程序对数据进行格式化 , 然后才 能发送给硬件 。 从 tty 硬件那里接受的数据将回溯 至 tty 驱动程序 , 然后流入 tty 线路设置驱动程序 , 接着是 tty 核心 , 最后用户从 tty 核心那里得到数据 。 有时 tty 驱动程序直接与 tty 核心通信 , tty 核 心将数据直接发送给 tty 驱动程序 , 但通常是 tty 线 路设置驱动程序修改在二者之间流动的数据3。在不同的线路设置中 , 数据的流向和处理方式 是不同的 。 例如如图 5所示 , 串行设备在默认状态 下和 ppp

17、 拨号连接建立时的数据处理方式是不同 的 , 而且数据传入的用户空间 (或是传出的用户空 间 也是不同的 。图 5中描述了串行设备驱动所 涉及的重要模块是如何注册的 (注册是为了允许 每个程序块能像内核模块一样被调用 , 以及串行 数据是如何在不同的线路设置情况下传输的 。其 中实线箭头表示串行设备驱动在默认的线路设置 下的情况下数据在不同的驱动程序文件间的流向 , 而点划线箭头描述了串行设备驱动在 ppp 拨号连 接的线路设置下的情况 。 3. 3 串行设备驱动的实现如前面所述 , 实现串行设备驱动 (即 tty 驱动 程序 , 就是要定义 tty_driver结构实例和实现结构 中的回调函

18、数 。而在 uClinux 内核中 (如图 5所 示 , 为了简化并标准化串行设备驱动的编写 , 又 在 tty 驱动程序中抽象出了一个串行核心驱动层 serial_core,其中申明了 uart_driver结构 (用来向串行核心驱动注册一个串行设备硬件控制驱动 , 并 将对串行设备硬件的一组标准控制方法接口 (供 tty_driver结构中的回调函数使用 封装在 uart_op s 6结构中 , 另外在 uart_port结构中封装了串行设备端口的相关参数 , 还对外提供了注册串行设备 硬件控制驱动的辅助函数 。6 41 王 欣等 :基于 AR M 和 uClinux 多串口通讯的设计与实

19、现 第 35卷图 5 串行设备驱动模块关联图 由于串行核心驱动 serial_core封装的大部分 的通用串行设备的操作 , 且为串行设备硬件控制驱 动提供了一组实现串行硬件控制的标准接口 , 这就 大大简化了编写此类串行设备驱动的难度 。只需 针对特定的硬件实现这一组方法和对应的中断服 务程序 , 就基本上实现了串行设备驱动 。 (如果在 某些情况下不适合使用这套标准接口 , 也可以不借 助串行核心驱动 , 而单独编写串行设备驱动 。 具体 情况请参考 L inux/uClinux 的串行设备驱动源码 。 因此 , 实现串行设备硬件控制驱动是本文编写 串行设备驱动的主要目标 。本文中所需做的

20、就只 是在串行设备硬件控制驱动程序中对端口进行注 册和实现 uart_ops 结构中提供的对端口的一组控 制方法及所需的中断服务程序 (I SR 。uart_ops 结构是串行核心驱动 serial_core和串 行设备硬件控制驱动之间的主要接口 。它包含控 制硬件的所有方法 。其中重要函数的伪码及说明 如下所示 :int (3startup (struct uart_port3port, struct uart_info 3info 重置串行设备对应端口的 F I F O 队列 ;清除对应端口中断相关的寄存器的值 ;检查对应端口线路状态寄存器的值判断 UART 是否存 在 , 如果不存在 ,

21、 则立即返回 ;抢占对应端口的中断资源 , 如果中断申请出错 , 则立即 返回 ;初始化对应端口的状态 ;使能对应的端口中断并再次重置 F I F O 队列 ;该函数在接收字符时调用并使能端口 。此外 , 还有 void (3shutdown (struct uart_port 3port, struct uart_info 3inf o 函数 , 它与 startup ( 函数操作相反 , 该函数在关闭端口时调用 , 并释放 所有的中断资源 。在串行设备硬件控制驱动中还使用了串行核 心驱动提供的一些辅助函数 。如在模块初始化函 数中使用了 int uart_register_driver(s

22、truct uart_driv2 er 3drv 函数来注册一个串行设备端口 ; 在模块卸 载函数中使用了 void uart_unregister_driver(struct uart_driver3drv 函数移除串行设备端口 。 中断处理是串行设备硬件控制驱动中的重要 部分 , 当接收 F I F O 中的字符和发送 F I F O 中的字 符数到达触发等级的时候都会触发系统中断进行 处理 。为了减少中断次数 , 提高收发效率 , 在设置 端口参数时 , 设置接收 F I F O 至少有 8个字符时就 触发中断 , 设置发送 F I F O 至少有 8个空位时就触 发中断 。当注册中断服

23、务程序时 , 如“ request_irq (port -irq, handler, S A _I N TERRUPT, “ tl16c751buart_int_pr oc ” , info ; ” , 驱动将通知内 核该串行设备将使用 port -irq 对应的中断号 (本文驱动中使用的中断号是 22、 23 。 handler 指 向的是中断服务函数的地址 , S A _I N TERRUPT 说 明注册的是一个快速中断 。由于每个 UART 都分 配了一个中断 , 且 UART 收发字符都会产生中断 , 因此在中断服务函数中应对两种中断分别进行处 理 , 这可由中断标示寄存器 II R

24、的值来区分 。 其中 发送中断的操作如图 7所示 。为了解决字符型设备的外设处理速度和 CP U 的处理速度不匹配问题 , 往往需要缓冲 。一般的 7 41第 35卷 (2007 第 8期 计算机与数字工程 UART 控制器都带有不多于几十个比特的 F I F O,但这远远不够 , 还需要从主存中开辟缓冲区 , 具体大小视情况而定 。 在 tty 驱动程序中缓冲区采用的 是一种环形缓冲区 , 如图 6所示 。 当接收中断到来 后中断服务程序从 UART 的 F I F O 中读入接收的字 节 , 放入接收环形缓冲区的头 , 然后唤醒处于睡眠 状态的用户读操作 。用户读操作将接收缓冲区尾 部的数

25、据传给用户空间 。 当用户进程想读操作 , 而 接收缓冲区无数据时 , 用户读进程睡眠在读等待队 列上 , 直到 UART 有新的数据到来 , 断时才被唤醒。 当发送中断到来后 , , 当 用户进程想写操作 , 用户写进 程睡眠在写等待队列上 , 直到 UART 产生新的发送 中断 , 读走发送缓从区的数据时才被唤醒。当中断服务函数退出前 , 应该清除中断 。 清除 中断有两步 :一是清除 UART 端口的中断请求信 号 , 只需设置 UART 的中断使能寄存器关闭中断即 可 。 二是清除 CP U 的相应中断请求 位 , 只需对 S3C44B0X 的中断挂起寄存器相应位置 1即可 。图 6

26、接收 /发送缓冲示意图中断服务程序的伪码如下所示 :void tl16c752buart_int_pr oc (int irq , void 3dev_id , struct p t_regs3regs 清除中断请求位 ;判断该中断来自哪个 UART 端口 ; 读取该端口的中断标示寄存器 ;if (端口的 tty_struct结构不存在或中断未发生 退出本程序 ;s witch (中断标示寄存器 case 发送中断 :调用中断发送函数 ;break; case 接收中断 :case 接收超时中断 :调用中断接收函数 ;break; default:break; 中断发送函数的流程图如图 7所示

27、 :图 7 中断发送函数中断接收函数与中断发送函数类似 , 只不过函数中还要检查并记录接收字符是否有错 , 若果有 错 , 字符应被忽略掉 。4 结束语在嵌入式领域中 , 随着嵌入式操作系统的逐渐 完善 , 可靠性和稳定性的提高 , 加上嵌入式操作系统 的源代码公开性 , 使我们可以根据实际需求来定制 内核 , 开发驱动支持新产品 , 设计应用程序也更有效 率。 可以预见随着微处理器及各种接口价格的进一 步降低和嵌入式操作系统的发展、 成熟 , 将会出现大 量有着低廉价格和高速接口的新产品及系统。参 考 文 献1TI company . T L16C752B Data Sheet E B /O

28、L.www . ti .com. cn, 2000, 82李岩 , 荣盘祥 . 基于 S3C44B0X 嵌入式 uClinux 系统原理及应用 M, 清华大学出版社 , 2005, 13JONATHAN Corbet, ALESS ANDRO Rubini,GREGKr oah -Hart m an . L inux Device D rivers (Third Editi on M.O R eilly &A ss ociates, 2005, 24毛德操 , 胡希明 . L inux 内核源代码情景分析 (下册 M.浙江大学出版社 , 2001, 95ALESSANDRO Rubini . Serial D riversE B /OL.htt p:/www . linux . it/rubini/docs/serial/serial . ht m l, 20016GREG Kr oah -Hart m an . The Serial D river Layer E B /OL .htt p:/www. linuxj ournal . com /article/6331,20028 41 王 欣等 :基于 AR M 和 uClinux 多串口通讯的设计与实现 第 35卷