嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁減，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[1].自20世紀(jì)70年代世界上個(gè)為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的微處理器誕生以來(lái)，已在幾十年的發(fā)展歷程，如今嵌入式系統(tǒng)（embedded system）已經(jīng)成為電子信息產(chǎn)業(yè)中增長(zhǎng)力的一個(gè)分支。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，嵌入式控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)智能化、自動(dòng)化中的應(yīng)用越來(lái)越普及。尤其手機(jī)、PAD、GSP、機(jī)頂盒等新興產(chǎn)品的大量應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)的市場(chǎng)正在以每年30%的速度遞增，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也成為軟硬件工程師越來(lái)越關(guān)心的問(wèn)題。

步進(jìn)電機(jī)是工業(yè)控制中的一種常用執(zhí)行部件，具有控制靈活、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，因而在許多設(shè)備和裝置中常被采用。嵌入式步進(jìn)電機(jī)控制器就是將微處理器置于電機(jī)控制器中，使步進(jìn)電機(jī)控制器能按設(shè)定的相數(shù)、拍數(shù)以及單個(gè)觸發(fā)脈沖所走的步數(shù)，提供相應(yīng)的控制邏輯。本文以Samsung公司的友善之譬S3C2440開(kāi)發(fā)板為例，探討如何使用嵌入式Linux開(kāi)發(fā)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

　　1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

控制系統(tǒng)由處理器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)3部分組成。

　　中央處理器（英文Central Processing Unit,CPU）是一臺(tái)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算和控制。CPU、內(nèi)部存儲(chǔ)器和輸入/輸出設(shè)備是電子計(jì)算機(jī)三大部件。電腦中所有操作都由CPU負(fù)責(zé)讀取指令，對(duì)指令譯碼并執(zhí)行指令的部件。其功能主要是解釋計(jì)算機(jī)指令以及處理計(jì)算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)。所謂的計(jì)算機(jī)的可編程性主要是指對(duì)CPU的編程。 CPU由運(yùn)算器、控制器和寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)的總線(xiàn)構(gòu)成。

處理器用友善之譬QQ2440V3開(kāi)發(fā)板，內(nèi)核為ARM920T.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司（原四通電機(jī)）的SH-20403.驅(qū)動(dòng)器共有四路輸入信號(hào)：公共、脈沖信號(hào)輸入、方向信號(hào)輸入和脫機(jī)信號(hào)輸入。驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)既可以采用共陽(yáng)極也可以采用共陰極接線(xiàn)方式，使用共陽(yáng)極模式時(shí)，應(yīng)將輸入信號(hào)的電源正極連接到公共端，將輸入信號(hào)連接到對(duì)應(yīng)的信號(hào)端子，信號(hào)低電平有效，此時(shí)對(duì)應(yīng)的內(nèi)部光耦導(dǎo)通，控制信號(hào)輸入驅(qū)動(dòng)器中；對(duì)應(yīng)共陰極模式時(shí)，將輸入信號(hào)的電源負(fù)極連接到公共端，信號(hào)高電平有效，我們采用的是共陽(yáng)極接法。

　　2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)體系可分為：應(yīng)用程序、庫(kù)函數(shù)、操作系統(tǒng)（內(nèi)核）、驅(qū)動(dòng)程序。在Linux操作系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核與硬件設(shè)備的直接接口，驅(qū)動(dòng)程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)，驅(qū)動(dòng)程序是內(nèi)核的一部分，它具有以下功能：

對(duì)設(shè)備初始化和釋放：比如向內(nèi)核注冊(cè)這個(gè)程序，這樣應(yīng)用程序傳入文件名時(shí)，內(nèi)核才能找到相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。

對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理，包括實(shí)時(shí)參數(shù)設(shè)置以及提供對(duì)設(shè)備的操作接口。

讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)并回送給應(yīng)用程序請(qǐng)求的數(shù)據(jù)。

檢測(cè)是處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

應(yīng)用程序通過(guò)Linux系統(tǒng)的調(diào)用實(shí)現(xiàn)與內(nèi)核通信。由于Linux中將設(shè)備當(dāng)做文件處理，所以對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作的調(diào)用和對(duì)文件操作的操作類(lèi)似，主要包括open（）、read（）、write（）、ioctl（）、close（）等接口函數(shù)。應(yīng)用程序發(fā)出系統(tǒng)調(diào)用命令后，會(huì)從用戶(hù)態(tài)轉(zhuǎn)到內(nèi)核態(tài)，通過(guò)內(nèi)核將openO等的系統(tǒng)調(diào)用轉(zhuǎn)換成對(duì)物理設(shè)備的操作。在Linux中通過(guò)分層實(shí)現(xiàn)對(duì)物理設(shè)備的調(diào)用，這樣使得內(nèi)核的結(jié)構(gòu)清晰，提高了模塊化的獨(dú)立性。

　　2.1 嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的框架

Linux系統(tǒng)設(shè)備分成三種基本類(lèi)型：字符設(shè)備、塊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。每個(gè)模塊通常實(shí)現(xiàn)其中某一種：字符模塊、塊模塊或網(wǎng)絡(luò)模塊。

嵌入式設(shè)備驅(qū)動(dòng)整體可分以下兩部分：

（1）硬件設(shè)備接口層。這部分主要描述驅(qū)動(dòng)程序與設(shè)備的交互。

（2）驅(qū)動(dòng)與內(nèi)核接口層，它實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)模塊在Linux內(nèi)核的注冊(cè)加載與卸除工作。

對(duì)于驅(qū)動(dòng)程序與內(nèi)核接口層，Linux提供了標(biāo)準(zhǔn)的入口點(diǎn)函數(shù)init_functionO;在通過(guò)模塊化的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，使用insmod加載模塊時(shí)會(huì)調(diào)用本函數(shù)，通知內(nèi)核對(duì)驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行注冊(cè)。模塊的卸除工作與加載工作類(lèi)似，通過(guò)rmmod卸載模塊時(shí)，調(diào)用cleanup_funct-ion0取消驅(qū)動(dòng)程序的注冊(cè)。

　　2.2 GPIO的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)

GeneralPurposeInputOutput（通用輸入/輸出）簡(jiǎn)稱(chēng)為GPIO,或總線(xiàn)擴(kuò)展器，利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)I2C、SMBus?或SPI?接口簡(jiǎn)化了I/O口的擴(kuò)展。當(dāng)微控制器或芯片組沒(méi)有足夠的I/O端口，或當(dāng)系統(tǒng)需要采用遠(yuǎn)端串行通信或控制時(shí)，GPIO產(chǎn)品能夠提供額外的控制和監(jiān)視功能。每個(gè)GPIO端口可通過(guò)軟件分別配置成輸入或輸出。Maxim的GPIO產(chǎn)品線(xiàn)包括8端口至28端口的GPIO,提供推挽式輸出或漏極開(kāi)路輸出。提供微型3mmx3mmQFN封裝。

　　2.2.1 開(kāi)發(fā)步驟

（1）模塊化驅(qū)動(dòng)程序

寫(xiě)字符設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，也要遵守模塊化編程的一般規(guī)范。設(shè)備模塊在用戶(hù)空間的初始化和終止：

Init_mnodule（）向內(nèi)核注冊(cè)模塊提供數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、局部和全局變量。

Cleanup_module（）取消所有init_module在內(nèi)核中的注冊(cè)。

（2）設(shè)備模塊在內(nèi)核空間的內(nèi)存申請(qǐng)和釋放

kmalloc（）函數(shù)分配一段內(nèi)存，這樣就實(shí)現(xiàn)了Chrdevs向量表中指向設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序名稱(chēng)的指針。使用kfree釋放內(nèi)存。

（3）字符設(shè)備主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)的分配

主設(shè)備號(hào)標(biāo)志設(shè)備對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，內(nèi)核利用主設(shè)備號(hào)將設(shè)備與相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序?qū)?yīng)起來(lái)。主設(shè)備號(hào)的取值范圍是O~255,如果不善加規(guī)劃，則容易造成主設(shè)備號(hào)的沖突。

次設(shè)備號(hào)由驅(qū)動(dòng)程序使用，內(nèi)核的其他部分并不使用它，僅將它傳遞給驅(qū)動(dòng)程序。

（4）設(shè)備模塊在內(nèi)核空間的注冊(cè)與注銷(xiāo)

字符設(shè)備的注冊(cè)有兩種方法，一種是常用注冊(cè)方法，通過(guò)系統(tǒng)函數(shù)registel_chrdev（）將設(shè)備加入到系統(tǒng)設(shè)備列表中；另一種是devfs技術(shù)，通過(guò)系統(tǒng)函數(shù)devfs-regisrer（）實(shí)現(xiàn)設(shè)備的注冊(cè)。注銷(xiāo)與注冊(cè)相反，分別調(diào)用unregister_chrdev（）函數(shù)和devfs_unregister（）函數(shù)。

（5）設(shè)備模塊在內(nèi)核空間提供系統(tǒng)調(diào)用的函數(shù)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在注冊(cè)成功以后，用戶(hù)可以通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)設(shè)備特殊文件（一般情況在/dev目錄下）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用。

GPIO驅(qū)動(dòng)程序只需要一個(gè)file operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體就可以了。

　　2.2.2 驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)

要寫(xiě)實(shí)際的驅(qū)動(dòng)，就必需了解相關(guān)的硬件資源。比如：用到的寄存器、物理地址、中斷等。在這里，它用到如下硬件資源。

    要用操作所用到的IO口，就要設(shè)置他們所用到的寄存器，我們需要調(diào)用一些現(xiàn)成的函數(shù)或者宏，比如：
    ／*每個(gè)port有16個(gè)引腳，而每個(gè)引腳由兩位來(lái)配置，所以你看到32×N。 32表示一個(gè)port的配置寄存器，而N代表是第幾個(gè)端口。而這里的offset表示的是第幾個(gè)引腳。

S3C2440開(kāi)發(fā)板中GPIO的許多引腳是和地址線(xiàn)、數(shù)據(jù)線(xiàn)、串口線(xiàn)等引腳復(fù)用的。所以我們必須對(duì)GPIO進(jìn)行重新定義和配置。一般來(lái)說(shuō)，寫(xiě)驅(qū)動(dòng)可以在內(nèi)核中找相近的驅(qū)動(dòng)程序，以它為模板進(jìn)行開(kāi)發(fā)，有時(shí)也要從零開(kāi)始，這次作者在內(nèi)核Linux-2.6.13-qq2440\kernel2.6.13\drivers\char中的qq2440 led.c進(jìn)行修改。

定義了file_operations和各種API函數(shù)，配置了init和exit函數(shù)以及module_exit和module_init.

驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)完后，要進(jìn)行測(cè)試。把編寫(xiě)好的驅(qū)動(dòng)程序在PC機(jī)上進(jìn)行交叉編譯。然后用命令#insmod stepper.ko加載模塊到內(nèi)核中，通過(guò)命令#rmmod stepper.ko可以卸載模塊。用mknod/dev/stepper 1000 0建立與驅(qū)動(dòng)程序相應(yīng)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)。編寫(xiě)相應(yīng)的應(yīng)用程序。在應(yīng)用程序中打開(kāi)步進(jìn)電機(jī)的設(shè)備文件，通過(guò)調(diào)用ioctl（fd,1&dir,O），運(yùn)行應(yīng)用程序，查看步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

　　3 結(jié)論

本文在S3C2440開(kāi)發(fā)板下實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的控制。給出了簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)運(yùn)行正常、穩(wěn)定。但對(duì)于實(shí)現(xiàn)傳能激光雕刻的圖形及灰度雕刻，還有待于進(jìn)一步的完善。