基于arm和uclinux多串口通讯的设计与实现3

基于ARM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ARM7嵌入式处理器S3C44B0X、TI公司的通用异步接收发送设备(UART)芯片TL16C752B为硬件开发 平台,设计基于uClinux嵌入式操作系统的多串口通讯的硬件和驱动的解决方案。 关键词 ARM uClinux 串行设备驱动 嵌入式系统 中图分类号 TP316. 89 1 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 BM PC采用了8250UART芯片与外设进 行数据通信,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 /GPRSMODEM 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POS/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 Linux/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。 2 硬件方案设计 目前嵌入式处理器常见的有ARM、PowerPC、 M IPS、Motorola 68K、ColdFire (冷火)等,但ARM占 据了绝对主流。由于低端市场上ARM7 /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TL16C752B来扩展异步串行通讯口。 2. 1 UART芯片TL16C752B工作原理 图1 TL16C752B功能模块图 1 TL16C752B芯片与UART芯片ST16C2550引 脚兼容,使用外部晶振时有高达3Mbps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。 TL16C752B具有64字节发送/接收FIFO,收、 发FIFO的触发等级可通过软件编程实现,能减少 对CPU中 断 次 数,提 高 芯 片 收 发 效 率。 TL16C752B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 TL16C752B之间的硬 件连接如图2所示, D0D7通过总线收发芯片 SN74LVC16245A连接CPU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 SN74LVC16245A是用来延时和增强数据总线驱动 能力;片选CSA、CSB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TL16C752B芯片的读写时序。 图2 S3C44B0X与TL16C752B硬件连接图 采用中断方式通知CPU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 NTA、I NTB直接连接S3C44B0X的外部中断 引脚EXI NT2EXI NT3。接入TL16C752B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115200。TL16C752B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操作系统(本文使用2. 4. 20 版本的内核)中,设备驱动程序大致可以分成三种 类型:字符设备型、 块设备型、 网络接口型。其中字 符型设备,能够像字节流(比如文件)一样被访问。 字符设备驱动程序通常会实现open、close、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(pty)。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,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 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 discipline)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,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(Bluetooth) 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tty_io. 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、ioctl 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 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 mios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。 termios结构(如下所示 ) - 每个tty驱动程序 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ter2 mios结构来设置和修改终端属性的。 struct ter mios tcflag_t c_iflag; /3 输入模式标志 3/ tcflag_t c_oflag; /3 输出模式标志 3/ tcflag_t c_cflag; /3 控制模式标志 3/ tcflag_t c_lflag; /3 局部模式标志 3/ cc_t c_line; /3 线路设置 3/ cc_t c_ccNCCS; /3 控制字符 3/ ; 3. 2. 2 数据流 数据处理的可变方式是tty驱动中最重要的一 个特点。在图4中, tty核心从用户那里得到将被 发往tty设备的数据,然后把数据发送给tty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_ ops 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。 641 王 欣等:基于ARM和uClinux多串口通讯的设计与实现 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Linux/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( ISR)。 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FIFO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,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FIFO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_info3 info) 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( struct uart_driv2 er3 drv) 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_driver3 drv) 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FIFO中的字符和发送FIFO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FIFO至少有8个字符时就 触发中断,设置发送FIFO至少有8个空位时就触 发中断。当注册中断服务程序时,如“request_irq ( port- irq,handler,SA _ I NTERRUPT, “tl16c751buart_int_proc”, 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, SA _ I NTERRUPT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CPU 的处理速度不匹配问题,往往需要缓冲。一般的 741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FIFO, 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FIFO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,产生新的接收中 断时才被唤醒。当发送中断到来后,中断服务程序 读取发送环形缓冲区尾部的数据发送到UART上, 并唤醒处于睡眠状态的用户写操作。用户写操作把 从用户空间传递来的数据写进发送缓冲区的头。当 用户进程想写操作,而发送缓冲区已满时,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CPU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 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_proc ( int irq , void3dev_id , struct pt_regs3 regs) 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