??? 摘 要：針對EPA設備需要滿足工業上實時性要求及與其他設備協調地工作等問題，研究了ARM微處理器和Linux操作系統的關鍵技術，設計以ARM微處理器為核心、Linux操作系統為軟件平臺的嵌入式系統。以ARM微處理器為核心的嵌入式系統應用于EPA設備能夠滿足工業實時性要求，并提供豐富的外圍接口，為EPA設備的進一步開發奠定了基礎。
??? 關鍵詞：EPA；嵌入式系統；Linux；文件系統；設備驅動

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??? 嵌入式系統與Intenret技術的結合己經成為未來嵌入式系統的發展趨勢，而基于ARM的嵌入式系統由于其低功耗、低成本、高性能等優勢己經廣泛地應用于工業控制領域。而與此同時，Linux由于性能優越、支持硬件平臺廣泛、源代碼公開、具有極強的網絡功能等優點成為設計嵌入式系統一種很好的選擇。
??? 本文從嵌入式系統的硬件電路和軟件開發兩個方面進行設計。在硬件設計上采用Atmel公司生產的AT91RM 9200微處理器為CPU，選用8 MB的Flash和32 MB的SDRAM作為系統存儲器，擴展了以太網接口、串行接口等外圍通信設備以及輸入輸出接口，根據處理器和其他接口芯片的要求設計了電源電路、晶振電路、Flash及SDRAM存儲器接口電路、以太網接口電路、串行接口電路和擴展I/O接口電路。使用4層貼片工藝設計了系統PCB印刷電路板，焊接和安裝了貼片元件，并進行了電路調試等過程。在軟件設計上基于Linux操作系統，分析了Linux操作系統的引導程序(Bootloader)的結構、工作流程及內核的啟動過程； Bootloader移植和內核裁剪技術，移植了嵌入式Linux的引導過程；Linux文件系統的結構、根文件系統的層次和文件的管理方法；Linux設備管理方法和設備驅動程序的中斷實現方法；Linux字符設備各驅動程序設計技術；編寫了A/D轉換的驅動程序和外擴I/O接口的驅動程序。
1 嵌入式EPA設備硬件設計
1.1 EPA設備結構框架
??? EPA（Ethenret for plant Au tomation）設備是基于工業以太網技術的分布式控制系統的底層設備，該設備具有模擬量輸入輸出、開關量輸入輸出和1個l0Mb/s的以太網接口、1個RS485的通信接口。通過以太網及RS485通信方式，EPA設備在現場中既可作為主設備也可作為從設備，可方便地與其他設備進行通信。EPA設備的硬件結構圖如圖1所示。

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2.1 引導加載程序
??? 嵌入式Linux系統的引導過程如下:
??? (1) 處理器重新啟動后,首先執行啟動代碼以初始化內存控制器以及片上設備,然后配置存儲映射。
??? (2) 引導加載程序(Bootloader)把內核從Flash等固態存儲設備加載到RAM，然后跳轉到內核的第一條指令處執行。
??? (3) 內核首先配置微處理器的寄存器，然后調用start-kernel（它是與微處理器體系結構無關的開始點）。
??? (4) 內核初始化高速緩存和各種硬件設備。
??? (5) 內核掛裝根文件系統。
??? (6) 內核執行init進程。
??? (7) init進程加載運行時共享庫，讀取其配置文件。
??? (8) init最后進入用戶會話階段。
??? 在此過程中引導加載程序的作用是非常重要的。
2.2 嵌入式Linux內核配置
??? 內核是一個操作系統的核心，它負責管理系統的進程、內存、設備驅動程序、文件和網絡系統，決定著系統的性能和穩定性。Linux的核心是vmlinuz文件，該文件控制著整套系統，通常在根目錄下。
??? 為了正確合理地設置內核編譯配置選項，使制定編譯的內核運行更快并且系統能夠擁有更多的內存，因此需對內核進行剪裁，只編譯系統需要的功能代碼。配置完成后保存配置退出，執行內核編譯：
??? make dep
??? make zImage
其中，make dep命令用作建立內核源碼的依存關系，make zImage用于建立內存內核映像。編譯成功后會在linux/arch/arm/boot/下獲得編譯好的Linux內核映像zImage。
??? 在編譯內核文件之前首先要修改根目錄下的Makefile文件,在該文件中制定系統構架和交叉編譯器:ARCH=arm、CROSS_COMPILE=/usr/local/arm/2.95.3/bin/arm-linux-(交叉編譯器所在路徑)^[3-4]。Linux內核提供多種配置工具，其中，make menuconfig是以curses為基礎的、終端式的配置菜單。在該配置菜單中可以選擇目標系統的類型等，內核配置結束后會生成.config文件，它保存了配置信息。
2.3 嵌入式Linux文件系統
??? Linux文件系統的層次結構如圖4所示^[5]。其中，虛擬文件系統VFS（Virtual Filesystem Switch）為用戶程序提供一個統一的、抽象的、虛擬的文件系統界面，使用戶程序可以通過同一個文件系統操作界面及對各種不同的文件系統進行操作，這樣Linux可支持多種不同的文件系統。不同的文件系統通過不同的程序來實現其各種功能，但是與VFS之間的界面則是有明確定義的。這個界面就是file_operation數據結構。每種文件系統都有自已的file_operation^[6-7]。

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??? 本文件系統使用的根文件系統是Ext2。Ext2是Linux中使用最多的文件系統，因為它是專門為Linux設計的，擁有最快的速度和最小的CPU占有率。
2.4 系統運行
2.4.1 minicom的建立
??? 本系統的PC機通過Linux下的minicom與嵌入式系統通信，它為兩者間通信提供操作的界面。minicom相當于Windows下的超級終端，可通過串口與目標板通信。minicom的設置為：波特率為115 200 b/s，數據位為8位，無奇偶校驗，停止位為1，無數據流控制。
2.4.2 啟動U-Boot
??? U-Boot燒寫進Flash后，當系統啟動時，系統會自動從Flash啟動，運行U-Boot。
2.4.3 下載Linux操作系統
??? 在下載操作系統之前，首先用網線(交叉)直接把目標板和PC機相連，設置PC機的IP地址為192.168.0.2，并調試好tftp功能。然后在U-Boot的命令行鍵入如下命令^[8]:
??? Uboot>protect off all ????????????????????? ;把Flash寫保護去掉
??? Uboot>setenv ethaddr 12:34:56:78:9a:bc?????????????? ;設置目標板的MAC地址
??? Uboot>saveenv???????????????????????????????????????????????? ；保存參數
??? 環境變量設置好后就可以使用tftp下載內核和文件系統：
??? Uboot>tftp 0x20008000 zImage??????????????? ;下載Linux內核
??? Uboot>tftp 0x21000000 ramdisk.gz??????????????????? ;下載Linux文件系統
??? Uboot2.4.4 運行應用程序
??? (1) 當應用程序在調試階段時可以通過tfp方式來運行程序。目標板上的Linux操作系統正常啟動后首先要設置好目標板的IP地址為192.168.0.2，其命令如下：
??? ＄ ifconfig eth 192.168.0.2
然后在minicom的命令行下鍵入如下命令登錄tfp服務器(設tfp服務器的IP地址為192.168.0.1):
??? ＄ ftp 192.168.0.1
鍵入該命令后輸入Linux服務器的用戶名，并在Password后面輸入密碼后回車，這時可以使用ls、cd等命令顯示服務器上的文件并進入相應的目錄。最后使用get命令就可以把所需要的程序下載到目標板上。
??? (2) 如果應用程序調試完畢，就要把編輯好的程序放到目標板的文件系統中。重新創建文件系統的方法如下：
??? ＄ gunzip ramdisk.gz???????????? ;解壓縮原有的文件系統
??? ＄ mount –o loop ramdisk /mnt/newramdisk?????? ;解壓后的文件系統映像掛在到指定的目錄上
??? ＄ cd/mnt/newramdisk???????????????????????? ;進入/newramdisk目錄進行操作，隨意增減文件
??? 添加好自已的應用程序后修改etcrc.d下的rc文件，它是系統啟動后自動調用的應用程序。
??? 以上步驟完成后卸載文件系統映像，并重新壓縮：
??? ＄ umount /mnt/newramdisk
??? ＄ gzip –c –v9 ramdisk>./newramdisk
3 嵌入式Linux驅動程序設計
??? 本文主要完成了EPA設備驅動程序的模擬量輸入及開關量輸入輸出的驅動程序。
3.1 模擬量輸入驅動程序設計
??? EPA設備具有多路模擬量輸入測量通道，輸入信號經過適當的處理，進入到24位A/D轉換器CS5522，轉換后的數據會通過SPI接口輸出給處理器。該功能的驅動程序的主要任務是合理地配置AT91RM 9200的SPI接口，使其能夠正確地與A/D轉換器CS5522進行數據通信。
??? AT91RM 9200提供了很多寄存器用于控制SPI的操作，因此，在編寫驅動程序之前要先定義與SPI操作有關的變量。定義指向SPI寄存器的結構體的代碼如下:
??? AT91PS_SPI controller=(AT91PS_SPI)AT91C_VA-BASE_SPI
其中，AT91PS_SPI在linuxincludeasm-armarch-at91rm9200A T91RM9200_SPI.h中定義，用于指向SPI操作的所有寄存器，如配置寄存器、模式寄存器等:
??? Typedef struct_AT91S_SPI{
??? AT91_REG SPI_CR;? // SPI控制寄存器
??? AT91_REG SPI_MR;? // SPI模式寄存器
??? AT91_REG SPI_RDR;? //SPI接收數據寄存器
??? AT91_REG SPI_TDR;? //SPI發送數據寄存器
??? AT91_REG SPI_SR;? // SPI狀態寄存器
??? AT91_REG SPI_IER;? // SPI中斷使能寄存器
??? AT91_REG SPI_IDR;? //SPI中斷禁用寄存器
??? AT91_REG SPI_IMR;? //SPI屏蔽寄存器
??? AT91_REG Reserved0^[9];
??? AT91_REG S PI_CSR0;? //SPI片選寄存器0
??? AT91_REG SPI_CSR1;? //SPI片選寄存器1
??? AT91_ REG SPI_CSR2;? //SP I片選寄存器2
??? AT91_ REG SP_CSR3;? //SPI片選寄存器3
??? AT91_REG Reservedl^[10];
??? }AT91S_SP I,*AT91PS_SPI
??? AT91C_VA_BASE_SPI是在linuxincludeasm-armarch-at91rm9200hardware.h中定義的SPI寄存器的地址:
??? #define AT91C_VA_BASE_SPI AT91_IO_P2V(AT91C_BASE_SPI)
??? 本驅動程序需要SPI接口的操作是打開/關閉SPI設備，接收/發送數據，因此定義file operations結構體如下:
??? int spi_open(struct inode* inode,struct file*filp);
??? int spi_release(struct inode*inode,struct file*filp);
??? ssize_t spi_read(struct file*filp,ch ar*buf,size_t count,lofft *1);
??? ssize_t spi_write(struct file*filp,const char* buf,size_t count,loff_t * 1) ;
??? struct file_operations spi_fops={
??? open : spi_open,
??? release: spi_release,
??? read: spi_read,
??? write: spi_write,
??? };
??? spi_open用于打開SPI設備，這個函數主要完成了SPI設備的初始化。AT91RM9200的每條I/O線都可以復用2個外設功能，可用于SPI接口的口線是PAO～PA3，因此要把這3個口線設置為SPI控制，實現的函數是AT91_Cf9PIO_SPI( )，該函數定義在linux/include/asm-ann/arch-at91rm 920io.h，其原形如下:
??? staitc inline void AT91_CfgPIO_SPI(void){
??? AT91_SYS->PIOA_PDR=AT91C_PAO_MISO| AT91C_PAl_MOSI | AT91C_P A2_SPCK;
??? }
??? SPI口線設置好后就要設置SPI的工作方式，主要設置控制寄存器(SPI_CR)、模式寄存器(SPI_MR)和片選寄存器(SPI_CSR0):
??? controller->SPI_CR=AT91C_SPI_SWRST; // 軟件復位SPI
??? controller->SPI_MR=AT91C_SPI_MSTR| AT91C_SPI_ MODFDIS | AT91C_SPI_PCS;//設置SPI模式寄存器為主機模式，固定片選
??? controller->SPI_CSR0=(AT91C_SPI_NCPHA | (AT91C_SPI_DLYBS&0x100000) | (SPI_CLOCK <<8) | CSR0_BITS_AD);//設置SPI片選寄存器包括時鐘極性、相位、時鐘波特率、傳輸數據位數
??? Controller->SPI_CR= AT91C_SPI_SPIEN;//設置SPI控制寄存器，使能SPI/發送與接收數據
??? 當用戶程序想用SPI接收或發送數據時，系統會調用spi_write和spi_read函數完成讀寫操作。AT91RM 9200提供了接收數據寄存器(SPI_RDR)、發送數據寄存器(SPI_TDR)和狀態寄存器(SPI_SR)。其中，SPI_RDR和SPI_TDR分別存放接收到的數據和發送數據。SPI_SR用于表示SPI當前操作的狀態，其中RDRF標識接收數據寄存器滿。當RDRF=0時，表示上次讀SPI_RDR后未收到數據；RDRF=1時，表示上次讀SPI_RDR后已收到數據并由串行器發送到SPI_RDR:TDRE標識發送數據寄存器空。當TDRE=0時，表示數據已寫入SPI_TDR但仍未傳輸到串行器；當TDRE=1時，表示最后寫入發送數據寄存器的數據已傳輸到串行器。驅動程序通過檢測RDRF和TDRE的值來完成接收和發送數據的操作。讀寫操作主要的實現代碼如下:
??? while( !(controller->SPI_SR&AT91C_SPI_RDRF));
??? ret_ad = ( controller -> SPI_RDR); //存儲接收到的數據
??? adp =( char *)& ret_ad;
??? copy_ to_user( buf,adp, count);????????????? //把接收到的數據傳給用戶程序
??? copy _from_user(bf,buf,count);????????????? //接收用戶需要發送的數據
??? while(!(controller->SPI_SR&AT91C_SPI_TDRE));
??? contro ller -> SPI_TDR = (ad_cmd&0xFFFF); //向SPI設備發送數據
3.2 開關量輸出驅動程序設計
??? EPA 設備具有8路開關量輸出，使用的8個引腳為PA24、P A26、P A27、PB0、PB1、 PB2、 PB3、 PC15。在本驅動程序中用到的輸入輸出(PIO)控制器的用戶接口有:PIO使能寄存器(PIO_PER)、輸出使能寄存器(PIO_OER)、 PIO置位輸出數據寄存器(PIO_SODR)、 清零輸出數據寄存器(PIO_CODR)。以下為控制PA24引腳的輸出的部分代碼:
??? AT9I_ SYS->PIOA_PER=(unsignedint)(1<<24); //使能PTO來控制PA24
??? AT91_ SYS->PIOA_OER=(unsignedin t)(1<<24); //定義PA24為輸出引腳
??? if(ad_cmd&0x80)
??? AT91_ SYS-> PI OA _SODR=(unsignedin t)(1<<24); //使PA24輸出為高電平
??? else
??? AT 91_ SY S->PIOA CODR=(unsignedin t)(1<<24); //使PA24輸出為低電平
3.3 開關量輸入驅動程序設計
??? EPA 設備具有8路數字量輸入，其中有2路輸入要求可以產生中斷，外設通過這2路向CPU提出數據輸入請求。本系統所使用作為輸入的引腳有PA23、 PA25、 PC0、PC10、 PC11、 PA19、 PA20、 PA22，其中PA23、PA25作為外部中斷輸入。當引腳被設為輸入時，每個I/O線的電平都可以通過外設數據狀態寄存器PIO_PDSR讀出，而此時必須將PIO控制器的時鐘使能。AT91RM9200的電源控制器(PMC)獨立提供和控制多達30個外設時鐘，其用戶接口為外設時鐘使能寄存器PMC_PCER。AT91RM9200的每個外設都有自己的外設標識，PMC_CER就是通過外設標識來使能其時鐘的。在includeasm-armarch-at91rm9200AT91RM9200.h文件中定義了各個外設的標識，部分定義如下:
??? #define AT91C_ID_PIOA???? (2) //Parallel IO Controller A
??? #define AT91C_ID_P IOB???? (3) // P arallelIO C ontroller B
??? #define AT91C_ID_PIOC????? (4 ) // P arallelIO C ontroller C
??? #define AT91C_ID_IRQ0????? (25) // A dvanced Interrupt Controller(IRQ0)
??? #define AT91C_ID_IRQ1????? (26) // A dvanced Interrupt Controller(IRQ1)
??? #define AT91C_ID_IRQ2????? (27) // A dvanced Interrupt Controller(IRQ2)
??? #define AT91C_ID_IRQ3????? (28) // A dvanced Interrupt Controller(IRQ3)
??? 以下為P A19作為輸入引腳的主要代碼:
????AT91_SYS->PIOA _PER=(unsignedin t)(1<<19); //使能PIO控制PA19
??? AT91_SYS->PMC_PCER=((unsignedin t)1<??? adcmd =(AT91_SYS->PIOA_PDSR);//通過引腳數據狀態寄存器來讀引腳的輸出狀態
??? PA 23 、PA25除了作為輸入引腳外還要產生中斷，AT91RM9200使用高級中斷控制器(AIC)來對中斷進行管理。本驅動程序用到的AIC寄存器有:AIC源模式寄存器(AIC SMR0-AIC_SMR31)，用來設置各個中斷源的優先級和中斷源類型;中斷使能命令寄存器(AIC_IECR)，根據每個設備的標識號控制其使能。
??? AT91_ SYS->AIC_SMR[27]=(unsigned int)(1<<5); //設置IRQ2為邊沿觸發
??? AT91_ SYS->AIC_IECR=((unsigned int)1<??? result= request_irq(EXTERNAL_IRQ2,&testirq_interrupt2,NULL,'testiol',NULL);
??? //注冊中斷并激活中斷處理程序，返回值為0時表示注冊成功
??? if( result==-1)
??? {
??? printk ('Can 't get assigned irq %dn',EXTERNAL_IRQl);
??? return result ;
??? }
??? void test irq_interruptl(void)? //中斷處理程序
??? {
??? printk ('INTERRUPT1 n');
??? AT91_SYS ->A IC_IECR=((unsignedin t)1 <??? 　　}
??? 以上研究了Linux操作系統設備管理方法和Linux設備中斷機制，通過分析Linux設備驅動程序中斷機制實現的方法及字符設備驅動程序的開發過程，編寫了EPA設備的驅動程序。
??? 本文基于ARM嵌入式開發技術研制了EPA設備的核心控制部分，完成了從硬件平臺的設計、調試到Linux操作系統的BootLoader與內核的移植，文件系統和設備驅動程序分析以及針對EPA設備驅動程序的編寫。
參考文獻
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