基于嵌入式ARM Linux步進電機驅(qū)動程序的設計

2 步進電機驅(qū)動系統(tǒng)設計
Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)體系可分為：應用程序、庫函數(shù)、操作系統(tǒng)(內(nèi)核)、驅(qū)動程序。在Linux操作系統(tǒng)中，驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核與硬件設備的直接接口，驅(qū)動程序屏蔽了硬件的細節(jié)，驅(qū)動程序是內(nèi)核的一部分，它具有以下功能：
對設備初始化和釋放：比如向內(nèi)核注冊這個程序，這樣應用程序傳入文件名時，內(nèi)核才能找到相應的驅(qū)動程序。
對設備進行管理，包括實時參數(shù)設置以及提供對設備的操作接口。
讀取應用程序傳送給設備文件的數(shù)據(jù)并回送給應用程序請求的數(shù)據(jù)。
檢測是處理設備出現(xiàn)的錯誤。
如圖3所示，應用程序通過Linux系統(tǒng)的調(diào)用實現(xiàn)與內(nèi)核通信。由于Linux中將設備當做文件處理，所以對設備進行操作的調(diào)用和對文件操作的操作類似，主要包括open()、read()、write()、ioctl()、close()等接口函數(shù)。應用程序發(fā)出系統(tǒng)調(diào)用命令后，會從用戶態(tài)轉(zhuǎn)到內(nèi)核態(tài)，通過內(nèi)核將openO等的系統(tǒng)調(diào)用轉(zhuǎn)換成對物理設備的操作。在Linux中通過分層實現(xiàn)對物理設備的調(diào)用，這樣使得內(nèi)核的結(jié)構(gòu)清晰，提高了模塊化的獨立性。

2．1 嵌入式Linux設備驅(qū)動程序的框架
Linux系統(tǒng)設備分成三種基本類型：字符設備、塊設備、網(wǎng)絡設備。每個模塊通常實現(xiàn)其中某一種：字符模塊、塊模塊或網(wǎng)絡模塊。
嵌入式設備驅(qū)動整體可分以下兩部分：
(1)硬件設備接口層。這部分主要描述驅(qū)動程序與設備的交互。
(2)驅(qū)動與內(nèi)核接口層，它實現(xiàn)驅(qū)動模塊在Linux內(nèi)核的注冊加載與卸除工作。
對于驅(qū)動程序與內(nèi)核接口層，Linux提供了標準的入口點函數(shù)init_functionO；在通過模塊化的設計方法設計驅(qū)動程序時，使用insmod加載核心模塊時會調(diào)用本函數(shù)，通知內(nèi)核對驅(qū)動程序進行注冊。模塊的卸除工作與加載工作類似，通過rmmod卸載模塊時，調(diào)用cleanup_funct-ion0取消驅(qū)動程序的注冊。
2．2 GPIO的步進電機驅(qū)動開發(fā)
GPIO(General Purpose Input Output)的步進電機驅(qū)動可以歸類為Linux設備驅(qū)動的字符設備驅(qū)動，以下是開發(fā)它的一些具體步驟。
2．2．1 開發(fā)步驟
(1)模塊化驅(qū)動程序
寫字符設備的驅(qū)動程序時，也要遵守模塊化編程的一般規(guī)范。設備模塊在用戶空間的初始化和終止：
Init_mnodule()向內(nèi)核注冊模塊提供數(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。
(2)設備模塊在內(nèi)核空間的內(nèi)存申請和釋放
kmalloc()函數(shù)分配一段內(nèi)存，這樣就實現(xiàn)了Chrdevs向量表中指向設備驅(qū)動程序名稱的指針。使用kfree釋放內(nèi)存。
(3)字符設備主設備號和次設備號的分配
主設備號標志設備對應的驅(qū)動程序，內(nèi)核利用主設備號將設備與相應的驅(qū)動程序?qū)饋怼Ｖ髟O備號的取值范圍是O～255，如果不善加規(guī)劃，則容易造成主設備號的沖突。
次設備號由驅(qū)動程序使用，內(nèi)核的其他部分并不使用它，僅將它傳遞給驅(qū)動程序。
(4)設備模塊在內(nèi)核空間的注冊與注銷
字符設備的注冊有兩種方法，一種是常用注冊方法，通過系統(tǒng)函數(shù)registel_chrdev()將設備加入到系統(tǒng)設備列表中；另一種是devfs技術(shù)，通過系統(tǒng)函數(shù)devfs-regisrer()實現(xiàn)設備的注冊。注銷與注冊相反，分別調(diào)用unregister_chrdev()函數(shù)和devfs_unregister()函數(shù)。
(5)設備模塊在內(nèi)核空間提供系統(tǒng)調(diào)用的函數(shù)設備驅(qū)動程序在注冊成功以后，用戶可以通過訪問設備特殊文件(一般情況在／dev目錄下)實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用。
GPIO驅(qū)動程序只需要一個file operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體就可以了。
2．2．2 驅(qū)動開發(fā)
要寫實際的驅(qū)動，就必需了解相關的硬件資源。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，如表2所示。