ARM9和Linux的DS18B20驱动程序研究

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本文介绍了Linux设备驱动程序的类型和文件操作接口函数，以及驱动程序的基本开发过程。以ARM9为平台，基于Linux2.6.30开发DS18B20的驱动程序，以模块的形式加载到内核，最后通过应用层调用驱动程序，获得温度数据。
       
       
        引言
       
        随着嵌入式技术的发展，基于ARM和Linux的嵌入式产品越来越多，DS18B20温度采集传感器在工业和生活上应用广泛，研究开发基于ARM9和Linux的DS18B20的驱动程序可以满足大部分温度采集平台的应用。
       
        1 Linux设备驱动的开发过程
       
        Linux操作系统通过各种驱动程序来操作硬件设备，它屏蔽了各种设备，设备驱动程序是操作系统内核和硬件之间的接口。从应用程序来看，硬件只是一个设备文件，应用程序可以像操作普通文件一样操作硬件设备。
       
        1.1设备的分类
         
        Linux看待设备可区分为3种基本设备类型，分别为字符设备、块设备和网络设备：
        ①字符设备：字符设备是一种可以当作一个字节流来存取的设备，相当于一个文件，字符设备驱动通常实现open、close、read和write系统调用；②块设备：如同字符设备，块设备通过位于/dev目录的文件系统结点来存取，块设备驱动程序主要通过传输固定大小的随机数据来访问设备，块设备驱动程序是核心内存与其他存储介质之间的管道；③网络设备：网络接口和一个已经挂载的块设备类似，网络接口使用特定的内核数据结构注册，与外界进行数据交换时调用，与块设备只响应来自内核的请求不同，Linux内核的网络子系统被设计成完全与协议无关，网络驱动程序异步地接收来自外界的数据包。
       
        1.2字符设备开发过程
         
        本项目开发的驱动程序都是字符设备驱动程序，因此简单介绍字符设备的开发过程。
       
        1.2.1重要的文件操作
         
        接口函数file_operation file_operation是一个字符驱动如何建立底层驱动与应用程序连接的结构体，包含以下重要的函数接口：
        ①int（*open）（struct inode*，struct file*）：打开设备操作。
       
        ②ssize_t（*read）（struct file*，char__user*，size_t，loff_t*）：从设备中获取数据，非负返回值代表成功读取的字节数。
       
        ③ssize_t（*write）（struct file*，const char__user*，size_t，loff_t*）：发送数据给设备，非负返回值代表成功写入的字节数。
       
        ④int（* ioctl）（struct inode*，struct file*，unsigned int，unsigned long）：系统调用提供了发出设备特定命令的方法。
       
        1.2.2设备打开与关闭
         
        open方法在应用程序调用open（）系统调用时被调用，作用是打开设备；release方法在应用程序调用close（）系统调用时被调用，作用是关闭设备。
       
        1.2.3驱动程序与应用程序交换
         
        数据交换的方式最直接的方法是在struct file_operation中的read/write方法中与用户空间的buffer进行数据的交换：unsigned long copy_to_user（void__user*to，const void*from，unsigned long count）：从内核空间拷贝数据到用户空间；unsigned long copy_from_user（void*to，const void__user*from，unsigned long count）：从用户空间拷贝数据到内核空间；1.2.4设备控制ioctl设备控制接口如下：①应用程序调用接口：int ioctl（int fd，unsigned longcmd，…）：②设备驱动的相应接口：int（*ioctl）（struct inode*inode，struct file*filp，unsigned int cmd，unsigned long arg）。
       
        应用程序通过ioctl发送命令，从而调用驱动接口的ioctl.因此，在Linux字符设备驱动程序中主要实现open、read、write和ioctl函数分别对应Linux系统调用的open、read、write和ioctl来完成数据交互和设备操作。
       
        2温度传感器驱动软件设计
       
        DS18B20采用独特的单总线接口方式，每只DS18B20都有一个唯一存储在ROM中的64位编码。最前面8位是单线系列编码：28H，接着的48位是一个唯一的序列号，最后8位是以上56位的CRC编码。通过单线总线端口访问DS18B20的协议如下：①初始化；②发送ROM操作指令；③发送DS18B20功能指令。
       
        主要功能指令，如表1所列。
       
       
        根据DS18B20的读写协议以及操作指令和功能指令，可以得出DS18B20的复位过程如图1所示，写操作流程如图2所示，读操作流程如图3所示。
       
       
        根据DS18B20复位、读写操作过程，利用Linux编写DS18B20驱动程序。过程描述如下。
       
        （1）复位操作流程
        ①设总线为输出模式；②向总线发送一个上升沿，保持高电平100 ms；③向总线发送一个下降沿，保持低电平800 ms；④向总线发送一个上升沿，延时100 ms；⑤设总线为输入模式；⑥判断总线状态，如果为低电平，则复位成功。
       
        （2）写操作流程
        ①设总线为输出模式，并设置8次循环；②向总线发送一个下降沿，保持低电平；③判断写入数据是0还是1，如果是1，则向总线发送一个上升沿，保持高电平；如果是0，则保持总线低电平不变；④延时60 ms，设总线为高电平，再延时15 ms；⑤循环操作步骤②～④；⑥设总线为高电平。
       
        （3）读操作流程
        ①设循环次数为8；②设总线为输出，向总线发送一个下降沿，保持低电平，并延时1 ms；③向总线发送一个上升沿，并设为输入；④读总线状态，并保存为1位，并延时60 ms；⑤循环操作步骤②～④，读取1个字节数据。
       
       
        （4）温度读写过程
        ①循环判断DS18B20直到复位，延时120ms；②写入CCH命令，跳过读序列号过程；③写入44H命令，开始温度转换，延时5 ms；④循环判断DS18B20直到复位，延时200 ms；⑤写入CCH命令，跳过读序列号过程；⑥写入BEH命令，读取寄存器；⑦读温度整数部分；⑧读温度小数部分。
       
        （5）驱动程序编写
        选定S3C2440一个GPIO引脚作为连接DS18B20的数据线，经过查电路图和S3C2440的芯片手册，选择GPF3为连接引脚；主要对GPF的控制寄存器GPFCON和数据寄存器GPFDAT进行操作，GPF3主要对应GPFCON第6位和第7位，以及GPFDAT的第3位进行操作；对GPFCON[7：6]设00为输人，设01为输出；GPFDAT[3]设为输入时，相应的位即为引脚的状态，设为输出则可以对引脚进行置1和置0操作；结合S3C2440的寄存器GPFCON和GPFDAT，以及DS18B20时序，可以利用C语言编写Linux下驱动程序，本驱动程序采用实现read接口函数的字符设备驱动。
       
        3部分代码
       
         
       
        最后将data通过read接口函数发送到用户层——copy_to_user（buf，data，2），即将8位整数和8位小数部分送到用户层，完成一次数据读取过程。
       
        4系统运行与测试
       
        加载驱动后，通过用户层调用驱动程序，图4为通过串口调试测试结果。
       
        结语
       
        完成了基于ARM9和Linux2.6.30的DS18B20驱动程序编写，实现了温度数据的采集以及传输。以ARM9为平台，基于Linux2.6.30开发DS18B20的驱动程序，以模块的形式加载到内核，最后通过应用层调用驱动，获得温度数据。