摘 要：针对EPA设备需要满足工业上实时性要求及与其他设备协调地工作等问题，研究了ARM微处理器和Linux操作系统的关键技术，设计以ARM微处理器为核心、Linux操作系统为软件平台的嵌入式系统。以ARM微处理器为核心的嵌入式系统应用于EPA设备能够满足工业实时性要求，并提供丰富的外围接口，为EPA设备的进一步开发奠定了基础。
    关键词：EPA；嵌入式系统；Linux；文件系统；设备驱动

    嵌入式系统与Intenret技术的结合己经成为未来嵌入式系统的发展趋势，而基于ARM的嵌入式系统由于其低功耗、低成本、高性能等优势己经广泛地应用于工业控制领域。而与此同时，Linux由于性能优越、支持硬件平台广泛、源代码公开、具有极强的网络功能等优点成为设计嵌入式系统一种很好的选择。
    本文从嵌入式系统的硬件电路和软件开发两个方面进行设计。在硬件设计上采用Atmel公司生产的AT91RM 9200微处理器为CPU，选用8 MB的Flash和32 MB的SDRAM作为系统存储器，扩展了以太网接口、串行接口等外围通信设备以及输入输出接口，根据处理器和其他接口芯片的要求设计了电源电路、晶振电路、Flash及SDRAM存储器接口电路、以太网接口电路、串行接口电路和扩展I/O接口电路。使用4层贴片工艺设计了系统PCB印刷电路板，焊接和安装了贴片元件，并进行了电路调试等过程。在软件设计上基于Linux操作系统，分析了Linux操作系统的引导程序(Bootloader)的结构、工作流程及内核的启动过程； Bootloader移植和内核裁剪技术，移植了嵌入式Linux的引导过程；Linux文件系统的结构、根文件系统的层次和文件的管理方法；Linux设备管理方法和设备驱动程序的中断实现方法；Linux字符设备各驱动程序设计技术；编写了A/D转换的驱动程序和外扩I/O接口的驱动程序。
1 嵌入式EPA设备硬件设计
1.1 EPA设备结构框架
    EPA（Ethenret for plant Au tomation）设备是基于工业以太网技术的分布式控制系统的底层设备，该设备具有模拟量输入输出、开关量输入输出和1个l0Mb/s的以太网接口、1个RS485的通信接口。通过以太网及RS485通信方式，EPA设备在现场中既可作为主设备也可作为从设备，可方便地与其他设备进行通信。EPA设备的硬件结构图如图1所示。

2.1 引导加载程序
    嵌入式Linux系统的引导过程如下:
    (1) 处理器重新启动后,首先执行启动代码以初始化内存控制器以及片上设备,然后配置存储映射。
    (2) 引导加载程序(Bootloader)把内核从Flash等固态存储设备加载到RAM，然后跳转到内核的第一条指令处执行。
    (3) 内核首先配置微处理器的寄存器，然后调用start-kernel（它是与微处理器体系结构无关的开始点）。
    (4) 内核初始化高速缓存和各种硬件设备。
    (5) 内核挂装根文件系统。
    (6) 内核执行init进程。
    (7) init进程加载运行时共享库，读取其配置文件。
    (8) init最后进入用户会话阶段。
    在此过程中引导加载程序的作用是非常重要的。
2.2 嵌入式Linux内核配置
    内核是一个操作系统的核心，它负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统，决定着系统的性能和稳定性。Linux的核心是vmlinuz文件，该文件控制着整套系统，通常在根目录下。
    为了正确合理地设置内核编译配置选项，使制定编译的内核运行更快并且系统能够拥有更多的内存，因此需对内核进行剪裁，只编译系统需要的功能代码。配置完成后保存配置退出，执行内核编译：
    make dep
    make zImage
其中，make dep命令用作建立内核源码的依存关系，make zImage用于建立内存内核映像。编译成功后会在linux/arch/arm/boot/下获得编译好的Linux内核映像zImage。
    在编译内核文件之前首先要修改根目录下的Makefile文件,在该文件中制定系统构架和交叉编译器:ARCH=arm、CROSS_COMPILE=/usr/local/arm/2.95.3/bin/arm-linux-(交叉编译器所在路径)^[3-4]。Linux内核提供多种配置工具，其中，make menuconfig是以curses为基础的、终端式的配置菜单。在该配置菜单中可以选择目标系统的类型等，内核配置结束后会生成.config文件，它保存了配置信息。
2.3 嵌入式Linux文件系统
    Linux文件系统的层次结构如图4所示^[5]。其中，虚拟文件系统VFS（Virtual Filesystem Switch）为用户程序提供一个统一的、抽象的、虚拟的文件系统界面，使用户程序可以通过同一个文件系统操作界面及对各种不同的文件系统进行操作，这样Linux可支持多种不同的文件系统。不同的文件系统通过不同的程序来实现其各种功能，但是与VFS之间的界面则是有明确定义的。这个界面就是file_operation数据结构。每种文件系统都有自已的file_operation^[6-7]。

    本文件系统使用的根文件系统是Ext2。Ext2是Linux中使用最多的文件系统，因为它是专门为Linux设计的，拥有最快的速度和最小的CPU占有率。
2.4 系统运行
2.4.1 minicom的建立
    本系统的PC机通过Linux下的minicom与嵌入式系统通信，它为两者间通信提供操作的界面。minicom相当于Windows下的超级终端，可通过串口与目标板通信。minicom的设置为：波特率为115 200 b/s，数据位为8位，无奇偶校验，停止位为1，无数据流控制。
2.4.2 启动U-Boot
    U-Boot烧写进Flash后，当系统启动时，系统会自动从Flash启动，运行U-Boot。
2.4.3 下载Linux操作系统
    在下载操作系统之前，首先用网线(交叉)直接把目标板和PC机相连，设置PC机的IP地址为192.168.0.2，并调试好tftp功能。然后在U-Boot的命令行键入如下命令^[8]:
    Uboot>protect off all                       ;把Flash写保护去掉
    Uboot>setenv ethaddr 12:34:56:78:9a:bc               ;设置目标板的MAC地址
    Uboot>saveenv                                                 ；保存参数
    环境变量设置好后就可以使用tftp下载内核和文件系统：
    Uboot>tftp 0x20008000 zImage                ;下载Linux内核
    Uboot>tftp 0x21000000 ramdisk.gz                    ;下载Linux文件系统
    Uboot2.4.4 运行应用程序
    (1) 当应用程序在调试阶段时可以通过tfp方式来运行程序。目标板上的Linux操作系统正常启动后首先要设置好目标板的IP地址为192.168.0.2，其命令如下：
    ＄ ifconfig eth 192.168.0.2
然后在minicom的命令行下键入如下命令登录tfp服务器(设tfp服务器的IP地址为192.168.0.1):
    ＄ ftp 192.168.0.1
键入该命令后输入Linux服务器的用户名，并在Password后面输入密码后回车，这时可以使用ls、cd等命令显示服务器上的文件并进入相应的目录。最后使用get命令就可以把所需要的程序下载到目标板上。
    (2) 如果应用程序调试完毕，就要把编辑好的程序放到目标板的文件系统中。重新创建文件系统的方法如下：
    ＄ gunzip ramdisk.gz             ;解压缩原有的文件系统
    ＄ mount –o loop ramdisk /mnt/newramdisk       ;解压后的文件系统映像挂在到指定的目录上
    ＄ cd/mnt/newramdisk                         ;进入/newramdisk目录进行操作，随意增减文件
    添加好自已的应用程序后修改etcrc.d下的rc文件，它是系统启动后自动调用的应用程序。
    以上步骤完成后卸载文件系统映像，并重新压缩：
    ＄ umount /mnt/newramdisk
    ＄ gzip –c –v9 ramdisk>./newramdisk
3 嵌入式Linux驱动程序设计
    本文主要完成了EPA设备驱动程序的模拟量输入及开关量输入输出的驱动程序。
3.1 模拟量输入驱动程序设计
    EPA设备具有多路模拟量输入测量通道，输入信号经过适当的处理，进入到24位A/D转换器CS5522，转换后的数据会通过SPI接口输出给处理器。该功能的驱动程序的主要任务是合理地配置AT91RM 9200的SPI接口，使其能够正确地与A/D转换器CS5522进行数据通信。
    AT91RM 9200提供了很多寄存器用于控制SPI的操作，因此，在编写驱动程序之前要先定义与SPI操作有关的变量。定义指向SPI寄存器的结构体的代码如下:
    AT91PS_SPI controller=(AT91PS_SPI)AT91C_VA-BASE_SPI
其中，AT91PS_SPI在linuxincludeasm-armarch-at91rm9200A T91RM9200_SPI.h中定义，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接收数据寄存器
    AT91_REG SPI_TDR;  //SPI发送数据寄存器
    AT91_REG SPI_SR;  // SPI状态寄存器
    AT91_REG SPI_IER;  // SPI中断使能寄存器
    AT91_REG SPI_IDR;  //SPI中断禁用寄存器
    AT91_REG SPI_IMR;  //SPI屏蔽寄存器
    AT91_REG Reserved0^[9];
    AT91_REG S PI_CSR0;  //SPI片选寄存器0
    AT91_REG SPI_CSR1;  //SPI片选寄存器1
    AT91_ REG SPI_CSR2;  //SP I片选寄存器2
    AT91_ REG SP_CSR3;  //SPI片选寄存器3
    AT91_REG Reservedl^[10];
    }AT91S_SP I,*AT91PS_SPI
    AT91C_VA_BASE_SPI是在linuxincludeasm-armarch-at91rm9200hardware.h中定义的SPI寄存器的地址:
    #define AT91C_VA_BASE_SPI AT91_IO_P2V(AT91C_BASE_SPI)
    本驱动程序需要SPI接口的操作是打开/关闭SPI设备，接收/发送数据，因此定义file operations结构体如下:
    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用于打开SPI设备，这个函数主要完成了SPI设备的初始化。AT91RM9200的每条I/O线都可以复用2个外设功能，可用于SPI接口的口线是PAO～PA3，因此要把这3个口线设置为SPI控制，实现的函数是AT91_Cf9PIO_SPI( )，该函数定义在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口线设置好后就要设置SPI的工作方式，主要设置控制寄存器(SPI_CR)、模式寄存器(SPI_MR)和片选寄存器(SPI_CSR0):
    controller->SPI_CR=AT91C_SPI_SWRST; // 软件复位SPI
    controller->SPI_MR=AT91C_SPI_MSTR| AT91C_SPI_ MODFDIS | AT91C_SPI_PCS;//设置SPI模式寄存器为主机模式，固定片选
    controller->SPI_CSR0=(AT91C_SPI_NCPHA | (AT91C_SPI_DLYBS&0x100000) | (SPI_CLOCK <<8) | CSR0_BITS_AD);//设置SPI片选寄存器包括时钟极性、相位、时钟波特率、传输数据位数
    Controller->SPI_CR= AT91C_SPI_SPIEN;//设置SPI控制寄存器，使能SPI/发送与接收数据
    当用户程序想用SPI接收或发送数据时，系统会调用spi_write和spi_read函数完成读写操作。AT91RM 9200提供了接收数据寄存器(SPI_RDR)、发送数据寄存器(SPI_TDR)和状态寄存器(SPI_SR)。其中，SPI_RDR和SPI_TDR分别存放接收到的数据和发送数据。SPI_SR用于表示SPI当前操作的状态，其中RDRF标识接收数据寄存器满。当RDRF=0时，表示上次读SPI_RDR后未收到数据；RDRF=1时，表示上次读SPI_RDR后已收到数据并由串行器发送到SPI_RDR:TDRE标识发送数据寄存器空。当TDRE=0时，表示数据已写入SPI_TDR但仍未传输到串行器；当TDRE=1时，表示最后写入发送数据寄存器的数据已传输到串行器。驱动程序通过检测RDRF和TDRE的值来完成接收和发送数据的操作。读写操作主要的实现代码如下:
    while( !(controller->SPI_SR&AT91C_SPI_RDRF));
    ret_ad = ( controller -> SPI_RDR); //存储接收到的数据
    adp =( char *)& ret_ad;
    copy_ to_user( buf,adp, count);              //把接收到的数据传给用户程序
    copy _from_user(bf,buf,count);              //接收用户需要发送的数据
    while(!(controller->SPI_SR&AT91C_SPI_TDRE));
    contro ller -> SPI_TDR = (ad_cmd&0xFFFF); //向SPI设备发送数据
3.2 开关量输出驱动程序设计
    EPA 设备具有8路开关量输出，使用的8个引脚为PA24、P A26、P A27、PB0、PB1、 PB2、 PB3、 PC15。在本驱动程序中用到的输入输出(PIO)控制器的用户接口有:PIO使能寄存器(PIO_PER)、输出使能寄存器(PIO_OER)、 PIO置位输出数据寄存器(PIO_SODR)、 清零输出数据寄存器(PIO_CODR)。以下为控制PA24引脚的输出的部分代码:
    AT9I_ SYS->PIOA_PER=(unsignedint)(1<<24); //使能PTO来控制PA24
    AT91_ SYS->PIOA_OER=(unsignedin t)(1<<24); //定义PA24为输出引脚
    if(ad_cmd&0x80)
    AT91_ SYS-> PI OA _SODR=(unsignedin t)(1<<24); //使PA24输出为高电平
    else
    AT 91_ SY S->PIOA CODR=(unsignedin t)(1<<24); //使PA24输出为低电平
3.3 开关量输入驱动程序设计
    EPA 设备具有8路数字量输入，其中有2路输入要求可以产生中断，外设通过这2路向CPU提出数据输入请求。本系统所使用作为输入的引脚有PA23、 PA25、 PC0、PC10、 PC11、 PA19、 PA20、 PA22，其中PA23、PA25作为外部中断输入。当引脚被设为输入时，每个I/O线的电平都可以通过外设数据状态寄存器PIO_PDSR读出，而此时必须将PIO控制器的时钟使能。AT91RM9200的电源控制器(PMC)独立提供和控制多达30个外设时钟，其用户接口为外设时钟使能寄存器PMC_PCER。AT91RM9200的每个外设都有自己的外设标识，PMC_CER就是通过外设标识来使能其时钟的。在includeasm-armarch-at91rm9200AT91RM9200.h文件中定义了各个外设的标识，部分定义如下:
    #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)
    以下为P A19作为输入引脚的主要代码:
    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);//通过引脚数据状态寄存器来读引脚的输出状态
    PA 23 、PA25除了作为输入引脚外还要产生中断，AT91RM9200使用高级中断控制器(AIC)来对中断进行管理。本驱动程序用到的AIC寄存器有:AIC源模式寄存器(AIC SMR0-AIC_SMR31)，用来设置各个中断源的优先级和中断源类型;中断使能命令寄存器(AIC_IECR)，根据每个设备的标识号控制其使能。
    AT91_ SYS->AIC_SMR[27]=(unsigned int)(1<<5); //设置IRQ2为边沿触发
    AT91_ SYS->AIC_IECR=((unsigned int)1<    result= request_irq(EXTERNAL_IRQ2,&testirq_interrupt2,NULL,'testiol',NULL);
    //注册中断并激活中断处理程序，返回值为0时表示注册成功
    if( result==-1)
    {
    printk ('Can 't get assigned irq %dn',EXTERNAL_IRQl);
    return result ;
    }
    void test irq_interruptl(void)  //中断处理程序
    {
    printk ('INTERRUPT1 n');
    AT91_SYS ->A IC_IECR=((unsignedin t)1 <    　　}
    以上研究了Linux操作系统设备管理方法和Linux设备中断机制，通过分析Linux设备驱动程序中断机制实现的方法及字符设备驱动程序的开发过程，编写了EPA设备的驱动程序。
    本文基于ARM嵌入式开发技术研制了EPA设备的核心控制部分，完成了从硬件平台的设计、调试到Linux操作系统的BootLoader与内核的移植，文件系统和设备驱动程序分析以及针对EPA设备驱动程序的编写。
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