（海思LonWorks技術(shù)粉絲供稿）
引言
在現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品開發(fā)及系統(tǒng)建設(shè)中，各類新設(shè)備及新的接口規(guī)范等，使得操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)工作層出不窮。在基于嵌入現(xiàn)場(chǎng)總線控制器的開發(fā)中，將遇到LonWorks設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序問題。對(duì)驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)制進(jìn)行研究，對(duì)開發(fā)LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序十分必要。
一、LonWorks技術(shù)簡(jiǎn)介
現(xiàn)場(chǎng)總線是一類工業(yè)數(shù)據(jù)總線，是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的高可靠的數(shù)字式、雙向傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)，可方便地構(gòu)成全數(shù)字化的分布式現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)。在各種現(xiàn)場(chǎng)總線中，LonWorks總線技術(shù)以其在技術(shù)先進(jìn)性、可靠性、開放性、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活性等方面獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，為分布式監(jiān)控系統(tǒng)提供了理想的實(shí)現(xiàn)手段。特別適合于建筑的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)。
LON網(wǎng)絡(luò)接口卡是上位機(jī)與LonWorks網(wǎng)絡(luò)的接口適配器，使上位機(jī)能夠完成與LonWorks節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信。
（一） LonWorks網(wǎng)卡的硬件構(gòu)成
了解LonWorks網(wǎng)卡的工作原理，對(duì)編寫驅(qū)動(dòng)程序是必要的。
圖1是LonWorks網(wǎng)卡的硬件原理框圖。
在LonWorks網(wǎng)卡的設(shè)計(jì)中，使用可編程邏輯陣列(CPLD)來實(shí)現(xiàn)與ISA總線的接口邏輯，只用一個(gè)芯片就完成了所有功能，大大簡(jiǎn)化了網(wǎng)卡的電路。
（二）LonWorks網(wǎng)卡的工作原理
計(jì)算機(jī)與微控制器之間數(shù)據(jù)交互的流程圖如圖2、3所示，完成計(jì)算機(jī)與微控制器之間讀寫數(shù)據(jù)、置標(biāo)志位和清除標(biāo)志位的功能。CPLD為內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和標(biāo)志位的寄存器。
二、LonWorks網(wǎng)卡設(shè)備驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)
在Linux平臺(tái)上開發(fā)和設(shè)計(jì)LonWorks網(wǎng)卡的軟件包含應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序兩部分。本文主要討論的是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序部分。
在Linux平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的驅(qū)動(dòng)支持采用了如下工作方式：使用Linux內(nèi)核中提供的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。
（一） Linux的可加載模塊機(jī)制
Linux內(nèi)核提供了兩種機(jī)制來開發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序：一種是直接把驅(qū)動(dòng)程序鏈接到內(nèi)核中；另一種則是通過稱為Linux可加載模塊的機(jī)制來開發(fā)可動(dòng)態(tài)加載和卸載的驅(qū)動(dòng)模塊。而第一種方式可以在后一種方式成功后，采用與內(nèi)核一起提供的配置工具和接口來完成。
Linux作為單核結(jié)構(gòu)其效率比較高，但是系統(tǒng)靈活性不足，為了平衡這兩者的關(guān)系，它提供了可動(dòng)態(tài)加載機(jī)制。利用這種機(jī)制我們可以開發(fā)Linux內(nèi)核模塊，并且可以動(dòng)態(tài)的對(duì)它加載和卸載。Linux下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序一般都支持這種方式，且模塊被加載到內(nèi)核后，它就可以任意的利用核心提供的各種資源和服務(wù)了。為了讓模塊利用核心提供的資源，Linux內(nèi)核維護(hù)了一張所有內(nèi)核資源的符號(hào)表(在接下來的部分我們稱它為內(nèi)核資源符號(hào)表)，用于在模塊載入時(shí)解決對(duì)相應(yīng)資源的引用問題。并且，Linux允許模塊的堆棧操作，由此一個(gè)模塊可以使用其他模塊所提供的資源。也就是說:一個(gè)模塊對(duì)另一個(gè)模塊的資源的使用與其對(duì)內(nèi)核資源的使用非常相似，不同的只是這些服務(wù)的資源從屬于另一個(gè)模塊而已。每當(dāng)一個(gè)模塊被加載Linux就會(huì)有一個(gè)修改內(nèi)核資源符號(hào)表的過程，將該模塊所提供的服務(wù)和資源加入進(jìn)去，這樣另一個(gè)模塊載入時(shí)，如果需要就可以引用這個(gè)模塊的資源了。而卸載一個(gè)模塊時(shí)，就要知道當(dāng)前模塊是否正在被使用。如果沒有被使用，在卸載時(shí)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。然后，Linux還要從內(nèi)核資源符號(hào)表中刪除所有該模塊提供的資源和服務(wù)。
從上面的原理分析可知，內(nèi)核模塊編寫時(shí)應(yīng)該具有兩個(gè)主要的接口函數(shù):init_module()用于在模塊加載時(shí)由加載模塊的工具調(diào)用，以便于注冊(cè)一些必要的服務(wù)和申請(qǐng)一些資源。cleanup_module()用于在模塊卸載時(shí)由刪除模塊的工具來調(diào)用，清除掉由init_module()所做的工作，從而使內(nèi)核模塊可以安全的卸載。其中對(duì)init_module()調(diào)用的一種工具是在根用戶執(zhí)行insmod命令來加載模塊時(shí)執(zhí)行。而對(duì)于cleanup_module()的調(diào)用是在根用戶使用rmmod命令來卸載模塊時(shí)執(zhí)行。
（二） Linux下設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)內(nèi)核和應(yīng)用程序之間的接口， .aspx" title="設(shè)備" style="text-decoration:underline;color:blue">設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機(jī)器硬件之間的接口。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閼?yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)，這樣在應(yīng)用程序看來，硬件設(shè)備只是一個(gè)設(shè)備文件，可以通過相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用象操作普通文件一樣對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行操作。
(1) Linux設(shè)備分類
Linux系統(tǒng)的設(shè)備分為字符設(shè)備(char device)，塊設(shè)備(block device)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(network device)三種。字符設(shè)備是指存取時(shí)沒有緩存的設(shè)備，如系統(tǒng)的串口設(shè)備/dev/cua0, /dev/cual。塊設(shè)備的讀寫則都有緩存來支持，只能以塊為單位進(jìn)行讀寫，并且塊設(shè)備必須能夠隨機(jī)存取(random access)，即不管塊處于設(shè)備的什么地方都可以對(duì)它進(jìn)行讀寫，字符設(shè)備則沒有這個(gè)要求。塊設(shè)備主要包括硬盤軟盤設(shè)備，CD-ROM等。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在Linux里做專門的處理。Linux的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要是基于BSD unix的socket機(jī)制。
(2) 設(shè)備標(biāo)識(shí)方式
Linux設(shè)備由一個(gè)主設(shè)備號(hào)和一個(gè)次設(shè)備號(hào)標(biāo)識(shí)。主設(shè)備號(hào)唯一標(biāo)識(shí)了設(shè)備類型，即設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序類型，它是塊設(shè)備表或字符設(shè)備表中相應(yīng)表項(xiàng)的索引。次設(shè)備號(hào)僅由設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序解釋，一般用于識(shí)別在若干可能的硬件設(shè)備中，I/O請(qǐng)求所涉及到的那個(gè)設(shè)備。值得一提的是次設(shè)備號(hào)還可以被分成幾個(gè)部分用來區(qū)分子設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和具體的設(shè)備。
(3) Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序組成部分
Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以分為三個(gè)主要組成部分:
●自動(dòng)配置和初始化子程序。負(fù)責(zé)檢測(cè)所要驅(qū)動(dòng)的硬件設(shè)備是否存在和是否能正常工作。如果該設(shè)備正常，則對(duì)這個(gè)設(shè)備及其相關(guān)的、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序需要的軟硬件進(jìn)行初始化。
●服務(wù)于I/O請(qǐng)求的子程序。它們主要是對(duì)file_operations結(jié)構(gòu)的各個(gè)入口點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)。這部分的實(shí)現(xiàn)支持了文件系統(tǒng)的調(diào)用(如open，close,
read等等)。
●中斷服務(wù)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(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的中斷服務(wù)子程序，而是由Linux系統(tǒng)來接收硬件中斷，再由系統(tǒng)來調(diào)用中斷服務(wù)子程序。
但是，這三個(gè)部分不是必須在每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序中必須具有的。
（三） LonWorks網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序
根據(jù)Linux的設(shè)備管理以及設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)方法，LonWorks節(jié)點(diǎn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序即可進(jìn)行編寫實(shí)現(xiàn)，并對(duì)實(shí)現(xiàn)中的一些關(guān)鍵問題進(jìn)行探討。
(1) LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序
在驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和開發(fā)中，一定要注意機(jī)制(Mechanism)與策略(Policy)的分離。所謂的機(jī)制是指驅(qū)動(dòng)程序提供的接口應(yīng)該忠實(shí)地反映設(shè)備的原始功能，而與應(yīng)用無關(guān)。而策略是指一旦這個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)樵O(shè)備機(jī)制提供了相應(yīng)的軟件接口，應(yīng)用程序開發(fā)人員就能按照特定的方式使用機(jī)制接口?？梢哉f，在內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)過程中，所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以及確定的接口命令都是為以后的應(yīng)用策略提供的一種機(jī)制。而如前所述，這種機(jī)制在Unix類系統(tǒng)內(nèi)部是通過一組固定的入口點(diǎn)來提供的。由于我們要開發(fā)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是一個(gè)字符型的設(shè)備，所以接下來我們首先分析字符型設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中常用的入口點(diǎn):
● open入口點(diǎn)
打開設(shè)備準(zhǔn)備I/O操作。對(duì)字符設(shè)備文件進(jìn)行打開操作，都會(huì)調(diào)用設(shè)備的open入口點(diǎn)。open子程序必須對(duì)將要進(jìn)行的I/O操作做好必要的準(zhǔn)備工作，如清除緩沖區(qū)等。如果設(shè)備是獨(dú)占的，即同一時(shí)刻只能有一個(gè)程序訪問此設(shè)備，則open子程序必須設(shè)置一些標(biāo)志以表示設(shè)備處于忙狀態(tài)。
●release入口點(diǎn)
關(guān)閉一個(gè)設(shè)備。當(dāng)最后一次使用設(shè)備終結(jié)后，調(diào)用release子程序。獨(dú)占設(shè)備必須改變前由open子程序設(shè)置的標(biāo)志，以便設(shè)備可再次被使用。
●read入口點(diǎn)
從設(shè)備上讀數(shù)據(jù)。對(duì)于有緩沖區(qū)的I/O操作，一般是從緩沖區(qū)里讀數(shù)據(jù)。對(duì)字符設(shè)備文件進(jìn)行讀操作將調(diào)用read子程序。
●write入口點(diǎn)
往設(shè)備上寫數(shù)據(jù)。對(duì)于有緩沖區(qū)的I/O操作，一般是把數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)里。對(duì)字符設(shè)備文件進(jìn)行寫操作將調(diào)用write子程序。
● ioctl入口點(diǎn)
執(zhí)行讀、寫之外的一些硬件控制操作。
●poll入口點(diǎn)
把對(duì)許多非阻塞操作的設(shè)備描述符集合起來，等待事件的發(fā)生，以便于集中檢查，看數(shù)據(jù)是否可從設(shè)備讀取或設(shè)備是否可用于寫數(shù)據(jù)，這樣就做到了所謂的多路復(fù)用。
以上入口點(diǎn)構(gòu)成了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的三大組成部分中I/O請(qǐng)求的部分，在Linux中它們由file_operations結(jié)構(gòu)來封裝，并不是所有的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序都必須提供以上每一個(gè)入口點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)，如果設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序沒有提供上述入口點(diǎn)中的某幾個(gè)，系統(tǒng)會(huì)用缺省的子程序來代替。
由上面的描述可見，在內(nèi)核設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)中，相應(yīng)的機(jī)制的提供主要是對(duì)設(shè)備入口點(diǎn)的選擇和設(shè)計(jì)。
針對(duì)LonWorks網(wǎng)卡的特點(diǎn)，選擇并實(shí)現(xiàn)了五個(gè)入口點(diǎn)，即open, release,read，write, ioctl。對(duì)于open和release入口點(diǎn)由于設(shè)備特點(diǎn)，只需要控制設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊在使用時(shí)，不被異常釋放即可。接下來將描述以上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中與Linux內(nèi)核相關(guān)的一些調(diào)用和問題。
(2) 對(duì)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(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序的最重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，前面提到過，它對(duì)Linux提供I/O請(qǐng)求的子程序的一系列入口點(diǎn)進(jìn)行了封裝。該結(jié)構(gòu)貫穿在整個(gè)驅(qū)動(dòng)程序中，故在文件作用域內(nèi)定義了它的一個(gè)變量，并對(duì)本程序中用到的入口點(diǎn)做了初始化，其代碼如下:
struct file_operations lmdev_fops= {
NULL，
lmdev_read,
//把實(shí)現(xiàn)的lmdev_read函數(shù)指針賦給read入口點(diǎn)。
lmdev_write，
//把實(shí)現(xiàn)的lmdev_write函數(shù)指針賦給write入口點(diǎn)。
NULL，
NULL，
lmdev_ioctl，
//把實(shí)現(xiàn)的lmdev_ioctl函數(shù)指針賦給ioctl入口點(diǎn)。
NULL，
lmdev_open，
//把實(shí)現(xiàn)的lmdev_ open函數(shù)指針賦給open入口點(diǎn)。
lmdev_release，
//把實(shí)現(xiàn)的lmdev_release函數(shù)指針賦給release入口點(diǎn)。
NULL，
NULL，
NULL，
NULL,
};
對(duì)于lmdev-*函數(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，我們將在后面做詳細(xì)的討論。
(3) 模塊初始化與模塊卸載
● 9;color:blue">LonWorks網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)模塊初始化，通過對(duì)init_module的實(shí)現(xiàn)來完成以下幾個(gè)任務(wù)。以字符設(shè)備類型向系統(tǒng)注冊(cè)LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備卡，同時(shí)動(dòng)態(tài)獲得其設(shè)備號(hào)。通過調(diào)用下面這個(gè)函數(shù)int
register_ chrdev(unsigned int major, const char*name,struct file_operations
*fops)來實(shí)現(xiàn)。
這里我們使major參數(shù)為0，這樣系統(tǒng)就會(huì)動(dòng)態(tài)的分配并返回主設(shè)備號(hào)。name參數(shù)是用于標(biāo)識(shí)設(shè)備的字符串。file_operatons傳入的是如前所述的lmdev_fops。然后，向系統(tǒng)申請(qǐng)LonWorks網(wǎng)卡的I/O端口地址。根據(jù)該卡上的跳線得到的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到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(qǐng)通過以上函數(shù)檢查的地址范圍。接下來，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(jí)別的信息。最后，控制對(duì)內(nèi)核資源提供的符號(hào)表輸出的符號(hào)信息(即在可加載模塊機(jī)制部分提到的模塊要注冊(cè)的服務(wù))。這里使用EX-PORT_NO_SYMBOLS使得該模塊不輸出任何符號(hào)信息。
●LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)卡模塊卸載需要完成以下幾個(gè)任務(wù):
調(diào)用release_region(start,n)宏釋放模塊初始化時(shí)申請(qǐng)的I/O端口資源。
調(diào)用int unregister_chrdev(unsigned int major, const char*name);
向系統(tǒng)注銷該字符設(shè)備，本程序中major參數(shù)即前面注冊(cè)時(shí)動(dòng)態(tài)獲得的主設(shè)備號(hào)，name與注冊(cè)時(shí)提供的name字符串相同。調(diào)用printk函數(shù)，做一些必要的系統(tǒng)日志。
(4) 對(duì)file operations結(jié)構(gòu)中入口點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)
●open和release入口點(diǎn)。
這兩個(gè)入口點(diǎn)在本模塊中被賦予的就是前面在介紹file_operations結(jié)構(gòu)時(shí)給出的lmdev_open和lmdev_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(jìn)行模塊計(jì)數(shù)。用計(jì)數(shù)來對(duì)LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊是否正在被使用進(jìn)行控制，防止模塊正在使用時(shí)被意外卸載而導(dǎo)致核心對(duì)設(shè)備操作出現(xiàn)異常。
●對(duì)read/write入口點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)
這個(gè)入口點(diǎn)在本模塊中被賦予的就是前面在介紹file_operations結(jié)構(gòu)時(shí)給出的lmdev_read函數(shù)指針，它是對(duì)設(shè)備操作的核心部分，根據(jù)前面描述的算法，它實(shí)現(xiàn)了如下幾個(gè)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(yīng)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)函數(shù)把當(dāng)前進(jìn)程加入時(shí)鐘等待隊(duì)列q中，使它等待timeout時(shí)間。根據(jù)LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線卡的工作方式來看，這樣做可以減少輪詢時(shí)間，大大的提高了效率。
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(yīng)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理了。這樣核心驅(qū)動(dòng)模塊部分的程序就完成了。
(5) 編譯內(nèi)核模塊
在程序完成后，用gcc編譯成目標(biāo)文件(不鏈接，生成*.o文件)，要做到這一點(diǎn)只需在gcc命令行里加上-c參數(shù)。另外，還要加上-D_KERNEL_ -DMODULE參數(shù)。上述程序可以這么編譯。
root# gcc -c -D-KERNEL_-DMODULE -Wall -02
lmdev.c。其中參數(shù)-Wall的功能是打印附加的警告信息。由于頭文件中的函數(shù)都是聲明為inline的，還必須給編譯器指定-O選項(xiàng)。gcc只有打開優(yōu)化選項(xiàng)后才能擴(kuò)展內(nèi)嵌函數(shù)，不過它能同時(shí)接受-g和-O選項(xiàng)，這樣就可以調(diào)試那些內(nèi)嵌函數(shù)的代碼了。優(yōu)化參數(shù)-O有三個(gè)級(jí)別:Ol,02, 03，它們的優(yōu)化程度不同，優(yōu)化效果03大于02大于Ol。編譯好模塊后的如何加載模塊，在前面已經(jīng)有所描述，這里就不再敘述了。
（四） 應(yīng)用程序開發(fā)
在對(duì)以上模塊編譯并加載后，Linux根據(jù)用戶可用mknod命令，利用動(dòng)態(tài)分配的主設(shè)備號(hào)(該設(shè)備號(hào)在用戶空間可以從/proc/devices文件中用設(shè)備名獲得)建立相應(yīng)的設(shè)備文件，并對(duì)它設(shè)置恰當(dāng)讀寫權(quán)限后，就可以在應(yīng)用程序中，使用Linux的文件系統(tǒng)調(diào)用通過這個(gè)設(shè)備文件來操作LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線卡了。這樣做不僅使得應(yīng)用程序編程風(fēng)格更加統(tǒng)一，代碼更具魯棒性，應(yīng)用系統(tǒng)更加安全更易于維護(hù)。而且可在核心級(jí)來保證關(guān)鍵部分的實(shí)時(shí)響應(yīng)，從而降低了用戶程序開發(fā)的難度。
（本文僅供對(duì)LonWorks技術(shù)開發(fā)有興趣者學(xué)習(xí)、參考，不代表本網(wǎng)站同意其觀點(diǎn)及方法）
