摘  要: 討論了基于Linux平臺的A/D采集卡的工作過程及在工業(yè)控制中采用Linux操作系統(tǒng)進行應用開發(fā)的方式,特別對利用Linux可加載核心模塊(LKM)開發(fā)A/D采集卡驅(qū)動的相關核心機制及調(diào)用作了詳細討論。

　　關鍵詞: LKM  核心驅(qū)動  溫度采集卡  工業(yè)控制  ISA

 

　　Linux操作系統(tǒng)經(jīng)過十多年的發(fā)展,以其運行穩(wěn)定可靠、占用資源少、長期運行仍能保證效率的特性,獲得了眾多的企業(yè)和政府部門的認可。近幾年,在工業(yè)控制中Linux也有非常好的表現(xiàn),控制領域中RTLinux應用研究正在進行。筆者開發(fā)了Linux供熱控制平臺。在此Linux控制系統(tǒng)應用研究中著重研究了核心可加載驅(qū)動模塊機制。本文將詳細討論采集卡的核心驅(qū)動模塊。

1 硬件介紹

　　P51系列A/D采集卡是一個8通道ISA總線的溫度采集卡。它將溫度傳感器(熱電偶、熱電阻等)的輸出信號或電流、電壓通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其主要特點:精度高、抗干擾能力強、可靠性高。

1.1 P51采集卡的工作過程

　　圖1說明了接口板采集數(shù)據(jù)的整個過程。

 

 

　　每個通道數(shù)據(jù)以16位二進制原碼形式輸出,低字節(jié)在前。8個通道16字節(jié)數(shù)據(jù)按順序輸出。

1.2 I/O端口

　　主機與接口板的接口使用2個輸入端口,由于A0未參加譯碼,實際上占用了4個端口地址。接口板的地址可由板上的跳線開關設定。地址默認設置為164H及166H，如表1所示。

 

 

　　該硬件只用到了2個I/O端口:狀態(tài)口和數(shù)據(jù)口,字長都是8位。其中,狀態(tài)口只用D0位作為檢驗數(shù)據(jù)是否已經(jīng)準備好的標志,其它位沒有定義。

2 軟件部分

　　軟件部分由應用程序和設備驅(qū)動程序兩部分構(gòu)成,本文主要討論設備驅(qū)動程序部分。在Linux平臺上實現(xiàn)對硬件的驅(qū)動支持可以有兩種方式:一種直接在用戶空間實現(xiàn);另一種使用Linux內(nèi)核中提供的機制來實現(xiàn)。考慮到用戶空間驅(qū)動程序的局限性,在開發(fā)中采用了第二種方式。

2.1 LKM機制簡介

　　Linux內(nèi)核提供了兩種機制來開發(fā)設備驅(qū)動程序:一種直接把驅(qū)動程序聯(lián)編到內(nèi)核中;另一種則是通過稱為Linux可加載模塊(LKM)機制來開發(fā)可動態(tài)加載和卸載的驅(qū)動模塊。基于各方面的考慮本文采用后者。

　　Linux作為單核結(jié)構(gòu)效率比較高,但是系統(tǒng)靈活性不足。為了平衡這兩者的關系,提供了LKM 機制。利用這種機制可以開發(fā)Linux內(nèi)核模塊,并且可以動態(tài)地對它加載和卸載。Linux下的設備驅(qū)動程序一般都支持這種方式,且模塊被加載到內(nèi)核后,它就可以任意利用內(nèi)核提供的各種資源和服務了。Linux內(nèi)核維護了一張所有內(nèi)核資源的符號表(稱為內(nèi)核資源符號表),用于在模塊載入時解決相應資源的引用問題。并且,Linux允許模塊的堆棧操作,一個模塊可以使用其他模塊提供的資源。也就是說:一個模塊對另一個模塊資源的使用與其對內(nèi)核資源的使用非常相似,不同的只是這些服務的資源從屬于另一個模塊而已。每當一個模塊被加載,Linux就會修改內(nèi)核資源符號表,將該模塊所提供的服務和資源加入進去。這樣另一個模塊載入時,如果需要就可以引用這個模塊的資源了。

　　卸載一個模塊時,需要知道當前模塊是否正在被使用。如果沒有被使用,在卸載時要能夠通知該模塊它將被卸載,以便由它自己釋放已被它占用的系統(tǒng)資源。同時Linux還要從內(nèi)核資源符號表中刪除該模塊提供的所有資源和服務。

　　從上面的原理分析可知,內(nèi)核模塊編寫時,有兩個主要的接口函數(shù):init_module()用于在模塊加載時注冊服務和申請資源;cleanup_module()用于在模塊卸載時清除掉由init_module()所做的工作,從而使內(nèi)核模塊可以安全地卸載。其中對init_module()的調(diào)用是在根用戶執(zhí)行insmod命令加載模塊時。而對cleanup_module()的調(diào)用是在根用戶執(zhí)行rmmod命令卸載模塊時。

2.2 Linux下設備驅(qū)動程序

　　系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)內(nèi)核和應用程序之間的接口，設備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機器硬件之間的接口。設備驅(qū)動程序為應用程序屏蔽了硬件細節(jié)。在應用程序看來，硬件設備只是一個設備文件， 可以通過相應的系統(tǒng)調(diào)用象操作普通文件一樣對硬件設備進行操作。

2.2.1 Linux設備分類

　　Linux支持兩種標準硬件設備:塊設備和字符設備。塊設備接口僅支持面向塊的I/O操作,所有I/O操作都通過在內(nèi)核地址空間中的I/O緩沖區(qū)進行,它可以支持幾乎任意長度和任意位置上的I/O請求,即提供隨機存取的功能。字符設備接口支持面向字符的I/O操作,只支持順序存取的功能,一般不能進行任意長度的I/O請求。I/O請求的長度必須是設備要求的基本塊長的倍數(shù)。

2.2.2 設備標識方式

　　Linux設備由一個主設備號和一個次設備號標識。主設備號唯一標識了設備類型,即設備驅(qū)動程序類型,它是塊設備表或字符設備表中相應表項的索引。次設備號僅由設備驅(qū)動程序解釋,一般用于識別在若干可能的硬件設備中,I/O請求所涉及到的那個設備。值得一提的是次設備號還可以被分成幾個部分,用來區(qū)分子設備驅(qū)動程序和具體的設備。

2.2.3 Linux設備驅(qū)動程序組成部分

　　Linux設備驅(qū)動程序可以分為三個主要組成部分:

　　(1)自動配置和初始化子程序。負責檢測所要驅(qū)動的硬件設備是否存在并能否正常工作。如果該設備正常,則對這個設備及其相關的設備驅(qū)動程序需要的軟件狀態(tài)進行初始化。

　　(2)服務于I/O請求的子程序。主要是file_operations結(jié)構(gòu)的各個入口點的實現(xiàn)。這部分的實現(xiàn)支持文件系統(tǒng)調(diào)用(如open、close、read等)。

　　(3)中斷服務子程序。在Linux系統(tǒng)中,并不是直接從中斷向量表中調(diào)用設備驅(qū)動程序的中斷服務子程序,而是由Linux系統(tǒng)接收硬件中斷,再由系統(tǒng)調(diào)用中斷服務子程序。

2.3 溫度采集卡驅(qū)動程序內(nèi)核模塊

2.3.1 file_operations結(jié)構(gòu)的初始化

　　file_operations結(jié)構(gòu)是Linux操作系統(tǒng)中用于實現(xiàn)驅(qū)動程序的最重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),它為Linux提供的服務于I/O請求的子程序的代碼實現(xiàn)提供了一系列入口點。該結(jié)構(gòu)貫穿在整個驅(qū)動程序中,筆者在文件作用域內(nèi)進行了定義,并對本程序中用到的入口點做了初始化，其偽代碼如下:

　　struct file_operations p51_fops=}

       open ： p51_open；  　　　　　//把實現(xiàn)的p51_open函數(shù)指針賦給open入口點。

       release ： p51_release； 　　 //把實現(xiàn)的p51_release函數(shù)指針賦給release入口點。

       read ： p51_read；            //把實現(xiàn)的p51_read函數(shù)指針賦給read入口點。

　　{

2.3.2 模塊初始化與模塊卸載

　　溫度采集卡模塊初始化通過對init_module()的實現(xiàn)來完成以下幾個任務:

　　(1)以字符設備類型向系統(tǒng)注冊溫度采集卡設備,同時動態(tài)獲得主設備號。通過調(diào)用下面這個函數(shù)來實現(xiàn):

int register_chrdev(unsigned int major， const char * name， struct file_operations *fops);

    這里使major參數(shù)為0,這樣系統(tǒng)就會動態(tài)地分配并返回主設備號。name參數(shù)是用于標識設備的字符串。file_operatons傳入的是如前所述的p51_fops。

　　(2)向系統(tǒng)申請溫度采集卡的I/O端口地址。根據(jù)前面提到的跳線方法得到I/O地址,調(diào)用系統(tǒng)提供的宏:

　　check_region(start，n)    　　　 //檢查端口地址范圍start～start+n-1是否可用,是則返回0,否則返回1。

　　request_region(start，n，name)   //用于申請通過上述函數(shù)檢查的地址范圍。

　　(3)做一些必要的系統(tǒng)日志,根據(jù)各種條件用printk向系統(tǒng)日志緩沖區(qū)寫入不同級別的信息。

　　(4)控制內(nèi)核資源提供的符號表輸出的符號信息(即在LKM簡介部分提到的模塊要注冊的服務)。這里使用EXPORT_NO_SYMBOLS使得該模塊不輸出任何符號信息。

　　溫度采集卡模塊卸載需要完成以下幾個任務:

　　(1)調(diào)用release_region(start，n)宏，釋放模塊初始化時申請的I/O端口資源。

　　(2)調(diào)用int unregister_chrdev(unsigned int major， const char * name)向系統(tǒng)注銷該字符設備。本程序中major參數(shù)是前面注冊時動態(tài)獲得的主設備號,name與注冊時提供的name字符串相同。

　　(3)調(diào)用printk函數(shù),做一些必要的系統(tǒng)日志。

2.3.3 file_operations結(jié)構(gòu)中入口點的實現(xiàn)

　　(1)open和release入口點

　　這兩個入口點在本模塊中被賦予的是file_operations結(jié)構(gòu)的p51_open和p51_close函數(shù)指針。它們主要通過調(diào)用MOD_INC_USE_COUNT及MOD_DEC_USE_COUNT來進行模塊計數(shù)。用計數(shù)來控制溫度卡驅(qū)動模塊是否正在被使用,防止模塊使用中被意外卸載,導致核心對設備操作出現(xiàn)異常。

　　(2)read入口點的實現(xiàn)

　　這個入口點在本模塊中被賦予的是file_operations結(jié)構(gòu)的p51_read函數(shù)指針,它是設備操作的核心部分,實現(xiàn)了如下幾個功能:

　　·用inb_p宏訪問硬件的狀態(tài)和數(shù)據(jù)端口,以讀取相應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息。

　　·調(diào)用long sleep_on_timeout(wait_queue_head_t *q， long timeout)把當前進程加入時鐘等待隊列q中,等待timeout時間。從采集卡的工作方式來看,這樣做可以減少輪詢時間,大大提高了效率。

　　·如前所述,程序從溫度卡讀取的是數(shù)據(jù)的原碼形式,須實現(xiàn)原碼與補碼之間的轉(zhuǎn)換。

　　·Linux分為核心空間和用戶空間。用戶空間的代碼不能直接訪問核心空間,故需調(diào)用Linux核心提供的copy_to_user(to，from，n)宏,把數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間地址from拷貝到用戶空間地址to中。這樣,系統(tǒng)調(diào)用返回后,用戶空間的代碼就可以通過to指針來訪問相應的數(shù)據(jù)并進行處理了。

　　數(shù)據(jù)采集核心部分如圖2所示。

 

 

2.3.4 溫度卡故障的處理

　　故障處理在工業(yè)控制中非常重要。由于本采集卡在硬件一級對故障預報和發(fā)現(xiàn)提供的支持比較少,故在軟件層次上,在滿足需求的情況下通過對狀態(tài)口依照前面所提供的方法查詢?nèi)�次失敗�?將重新對設備進行初始化和設置,再作以上嘗試。如果還是失敗將由用戶進程進行處理。

2.4 應用程序開發(fā)

　　對上述模塊編譯并加載后,Linux根用戶可用mknod命令,利用動態(tài)分配的主設備號(該設備號在用戶空間,可以從/proc/devices文件中獲得)建立相應的設備文件,并對它設置恰當讀寫權(quán)限。就可以在應用程序中,使用Linux的文件系統(tǒng)調(diào)用這個設備文件來操作溫度采集卡。這樣做使應用程序編程風格更加統(tǒng)一,代碼更具魯棒性,應用系統(tǒng)更加安全,更易于維護。而且可在核心級保證關鍵部分的實時響應,從而降低了用戶程序開發(fā)的難度。

　　對于Linux下的工業(yè)控制軟件開發(fā),還有很長的路要走。而其中非常重要的基礎性工作就是對各種工控設備提供穩(wěn)定可靠的核心驅(qū)動模塊的支持。本文所作的工作對此進行了一次很好的嘗試。