CN109960670A - 一种基于嵌入式Linux的IO驱动方法及装置 - Google Patents

一种基于嵌入式Linux的IO驱动方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于嵌入式Linux的IO驱动方法及装置，其通过底层驱动程序实现待驱动装置的注册和初始化；通过删除驱动程序实现待驱动装置的卸载；通过结构程序实现待驱动装置的操作入口管理；通过库程序用于根据主控模块的指令将所述驱动装置需要实现的不同功能封装成上层功能测试应用程序能访问的API函数；通过上层功能测试应用程序调用库程序提供的API函数，驱动库程序将主控模块的指令发送给底层驱动程序，从而实现对待驱动装置的驱动操作，利用各层之间的相互调用，实现驱动程序模块化及访问方式的规范化。

Description

一种基于嵌入式Linux的IO驱动方法及装置
技术领域
本发明属于嵌入式驱动领域，具体涉及一种基于嵌入式Linux的IO驱动方法及装置。
背景技术
随着信息化技术的发展和数字化产品的普及，以计算机技术、芯片技术和软件技术为核心的嵌入式系统再度成为当前研究和应用的热点。与此同时，嵌入式Linux操作系统也越来越显示出它的优势。而驱动程序是Linux内核用于完成对实际物理设备进行控制操作的功能模块，在Linux内核中占有极其重要的位置。作为操作系统与物理硬件的接口，设备驱动程序是使用标准的核心服务，如内存分配、中断发送和等待队列等等来完成对不同硬件设备的底层驱动的。
嵌入式Linux是一种日趋成熟完善的操作系统，基于该平台的特制电路的设备驱动程序和商业设备的驱动程序的需求愈来愈多，由于嵌入式系统平台的多样性以及系统资源的有限性，尤其是内存这一特殊系统资源的限制，往往要对内核进行一定的裁减与定制，也引发了内核空间与内核函数的重新定义。而嵌入式Linux操作系统对其内核进行了严格的保护，对于内核空间的数据、核心服务与函数的调用又有严格的定义，设备驱动程序作为核心的一部分，如内核中其它代码一样，出错将导致系统的严重损伤。
目前，在航天领域广泛采用ISA+CPLD为IO系统架构逐渐成为实现的主流方案，但因为嵌入式Linux驱动程序的编写需要开发人员对Linux内核有深入了解和大量的内核调试技巧，一个编写不当的设备驱动程序甚至能够使系统崩溃，并导致文件系统的破坏和数据的丢失。而特定的嵌入式Linux系统内核源码代码量大且错综复杂，涉及嵌入式Linux系统内核操作的驱动程序开发很难入门，而驱动程序又不具有通用性，不同的IO板卡需要不同的驱动程序。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于嵌入式Linux的IO驱动方法及装置，其通过将驱动程序分为底层驱动程序、库程序和上层功能测试应用程序实现不同的驱动操作，利用各层之间的相互调用，实现驱动程序模块化及访问方式的规范化。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于嵌入式Linux的IO驱动方法，具体步骤为：
S1.通过底层驱动程序实现待驱动装置的注册和初始化；通过删除驱动程序实现待驱动装置的卸载；通过结构程序实现待驱动装置的操作入口管理；
S2.通过库程序用于根据主控模块的指令将所述驱动装置需要实现的不同功能封装成上层功能测试应用程序能访问的API函数；
S3.通过上层功能测试应用程序调用库程序提供的API函数，驱动库程序将主控模块的指令发送给底层驱动程序，从而实现对待驱动装置的驱动操作。
作为本发明的进一步改进，API函数将需要访问的待驱动装置的端口地址和I/O控制码，转发给底层驱动程序进行处理，以完成上层功能测试应用程序与底层驱动程序之间的通讯。
作为本发明的进一步改进，API函数包括打开板卡、关闭板卡、初始化板卡、设置板卡基地址、选择中断号、从计算机端口读取数据和向计算机端口写入数据。
作为本发明的进一步改进，上层功能测试应用程序采用QT中Qt WidgetsApplication框架进行编程。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了另一种基于嵌入式Linux的IO驱动装置，其包括译码控制模块、光耦模块和继电器，译码控制模块分别连接主控模块、继电器和光耦模块，继电器和光耦模块连接待驱动装置，其特征在于：
译码控制模块用于依据主控模块的指令操作驱动程序以实现对待驱动装置的驱动操作，驱动程序包括底层驱动程序、库程序和上层功能测试应用程序；
底层驱动程序包括初始化驱动程序、删除驱动程序和结构程序，其分别用于实现待驱动装置的注册和初始化、待驱动装置的卸载和待驱动装置的操作入口管理；
库程序用于根据主控模块的指令将所述驱动装置需要实现的不同功能封装成上层功能测试应用程序能访问的API函数；
上层功能测试应用程序用于调用库程序提供的API函数。
作为本发明的进一步改进，API函数将需要访问的待驱动装置的端口地址和I/O控制码，转发给底层驱动程序进行处理，以完成上层功能测试应用程序与底层驱动程序之间的通讯。
作为本发明的进一步改进，API函数包括打开板卡、关闭板卡、初始化板卡、设置板卡基地址、选择中断号、从计算机端口读取数据和向计算机端口写入数据。
作为本发明的进一步改进，上层功能测试应用程序采用QT中Qt WidgetsApplication框架进行编程。
作为本发明的进一步改进，主控模块和译码控制模块通过ISA地址数据控制总线连接，主控模块通过ISA地址数据控制总线将指令发送给译码控制模块，译码控制模块通过开入量指令和开出量指令实现对待驱动装置的相应操作。
作为本发明的进一步改进，光耦模块用于采集与开入量指令对应的待驱动装置的自检测开关信号，并对其进行隔离后发送给译码控制模块；所述继电器用于依据开出量指令输出相应的开出量信号给对应的待驱动装置。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明的一种基于嵌入式Linux的IO驱动方法及装置，其通过主控模块、译码控制模块、光耦模块和继电器的特定连接方式，结合相应驱动程序的特殊设计，可解决新研制的某导弹测试仪无IO驱动程序的问题，为新研制的IO板卡提供驱动程序和API函数访问并实现功能测试，同时，可应用于复杂产品批量生产过程中，仅需很少的修改便可实现同一类型设备驱动，具有较好的应用价值和推广前景。
本发明的一种基于嵌入式Linux的IO驱动方法及装置，其通过将驱动程序分为底层驱动程序、库程序和上层功能测试应用程序实现不同的驱动操作，利用各层之间的相互调用，实现驱动程序模块化及访问方式的规范化，同时底层驱动程序具有模块化、分层次的特点，因而无须考虑控制硬件的细节。
本发明的一种基于嵌入式Linux的IO驱动方法及装置，其通过库程序封装上层功能测试应用程序所需的功能函数，使得用户在使用时无需关心驱动细节即可实现测试软件开发。
附图说明
图1为本发明实施例的一种基于嵌入式Linux的IO驱动装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的一种基于嵌入式Linux的IO驱动装置函数调用的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。
一种基于嵌入式Linux的IO驱动方法，具体步骤为：
S1.通过底层驱动程序实现待驱动装置的注册和初始化；通过删除驱动程序实现待驱动装置的卸载；通过结构程序实现待驱动装置的操作入口管理；
具体地，初始化驱动程序register_cdrdev即为待驱动装置的注册和初始化实现函数，当执行insmod命令时，通过该函数使得待驱动装置被注册成功后，首先获得待驱动装置的设备编号，然后将对应的待驱动装置的设备编号加入该驱动装置的驱动表中，该驱动装置的驱动表保留指向g_ima_file_operations的一个数据指针，这样用户可通过该数据指针对待驱动装置进行相应的操作，如open，release和ioctl等；
删除驱动程序unregister_chrdev即为待驱动装置的卸载实现函数，在执行rmmod的时候调用该删除驱动程序，进而实现待驱动装置的卸载。
结构程序file_operations即为待驱动装置的具体操作入口实现函数，通过结构程序过file_operations数据结构提供待驱动装置文件系统的入口函数，从而可以对待驱动装置文件系统进行相应的操作，从而实现对待驱动装置的具体操作；
底层驱动程序安装时点击采用命令安装，可将安装命令写成脚本文件提供给用户，用户只需运行脚本文件就能将待驱动装置驱动安装成功，操作非常方便，作为一个示例，利用该脚本文件安装后的待驱动装置对应的驱动名为ima，待驱动装置的网络地址为wanfeng_1228io_card，其主设备号为50。
S2.通过库程序用于根据主控模块的指令将所述驱动装置需要实现的不同功能封装成上层功能测试应用程序能访问的API函数；
具体地，API函数将需要访问的待驱动装置的端口地址和I/O控制码，转发给底层驱动程序进行处理，以完成上层功能测试应用程序与底层驱动程序之间的通讯。API函数包括打开板卡、关闭板卡、初始化板卡、设置板卡基地址、选择中断号、从计算机端口读取数据和向计算机端口写入数据。
S3.通过上层功能测试应用程序调用库程序提供的API函数，驱动库程序将主控模块的指令发送给底层驱动程序，从而实现对待驱动装置的驱动操作。
具体地，上层功能测试应用程序采用QT中Qt Widgets Application框架进行编程。上层功能测试应用软件测试IO功能时分为计算机端口写入数据(8位)、计算机端口读取数据(8位)、计算机端口写入数据(16位)、计算机端口读取数据(16位)、计算机端口写入数据(32位)、计算机端口读取数据(32位)以此来验证底层驱动程序和库程序的正确性和稳健性，验证测试均通过。
图1为本发明实施例的一种基于嵌入式Linux的IO驱动装置的结构示意图。如图1所示，一种基于嵌入式Linux的IO驱动装置，其包括主控模块、译码控制模块、光耦模块和继电器，译码控制模块CPLD分别连接主控模块、继电器和光耦模块，继电器和光耦模块连接待驱动装置，其中，
译码控制模块CPLD用于接收主控模块发送的指令，并按照核心板发送的指令控制光耦模块采集对应地址的开入量数据；按照主控模块发送的指令控制继电器输出对应地址的开出量数据。作为一个优先的方案，主控模块和译码控制模块CPLD通过ISA地址数据控制总线连接，主控模块通过ISA地址数据控制总线将指令发送给译码控制模块CPLD，译码控制模块CPLD通过开入量指令和开出量指令实现对待驱动装置的相应操作。
具体地，译码控制模块CPLD可利用驱动程序实现该驱动装置的硬件资源分配，该驱动程序包括底层驱动程序和库程序，
其中，底层驱动程序在Linux2.6.32内核下开发，主要的构成包括初始化驱动程序register_cdrdev，删除驱动程序unregister_chrdev和结构程序file_operations。
初始化驱动程序register_cdrdev即为待驱动装置的注册和初始化实现函数，当执行insmod命令时，通过该函数使得待驱动装置被注册成功后，首先获得待驱动装置的设备编号，然后将对应的待驱动装置的设备编号加入该驱动装置的驱动表中，该驱动装置的驱动表保留指向g_ima_file_operations的一个数据指针，这样用户可通过该数据指针对待驱动装置进行相应的操作，如open，release和ioctl等；
删除驱动程序unregister_chrdev即为待驱动装置的卸载实现函数，在执行rmmod的时候调用该删除驱动程序，进而实现待驱动装置的卸载。
结构程序file_operations即为待驱动装置的具体操作入口实现函数，通过结构程序过file_operations数据结构提供待驱动装置文件系统的入口函数，从而可以对待驱动装置文件系统进行相应的操作，从而实现对待驱动装置的具体操作。
利用上述程序从而实现对待驱动装置的操作，不管实现的时候是多么的复杂，对用户来看，就是这些常用的文件操作函数。作为一个优选的实施例，可以将该驱动装置各种操作的入口程序进行统一管理，例如建立一个入口管理程序g_ima_file_operation，对于一些操作是不必要的，其入口置为NULL，该驱动装置提供了open，release、ioctl函数调用功能。入口管理程序g_ima_file_operation中每一个入口的名字都对应着一个系统调用程序，在用户进程利用系统调用对设备文件进行open、release和ioctl操作时，系统调用通过待驱动装置的主设备号找到相应的系统调用程序，然后读取该系统调用程序相应的函数指针，从而实现对待驱动装置的相应操作。
库程序相当于应用程序与驱动程序通讯之间的桥梁，其用于提供上层功能测试应用程序与驱动程序通讯所需的接口函数。库程序根据主控模块的指令将驱动装置需要实现的不同功能封装成上层功能测试应用程序能访问的API函数，API函数的具体实现是将需要访问的待驱动装置的端口地址和I/O控制码，利用ioctl函数转发到驱动程序的派遣函数ima_ioctl中对其处理，进而完成应用程序与驱动程序之间的通讯。
库程序提供的API函数包括打开板卡、关闭板卡、初始化板卡、设置板卡基地址、选择中断号、从计算机端口读取数据(8/16/32位)、向计算机端口写入数据(8/16/32位)等。
上层功能测试应用程序可采用QT中Qt Widgets Application框架进行编程，加载库程序生成的lib文件后，将库程序提供的.h文件加载到工程后调用库程序中提供的API函数实现IO功能测试、验证底层驱动程序和库程序的正确性。
图2为本发明实施例的一种嵌入式Linux操作系统IO驱动装置函数调用的示意图。如图2所示，上层功能测试应用程序调用库程序提供的API函数，库程序调用Linux系统调用接口，Linux系统调用接口穿过文件系统，将用户的请求传输到底层驱动程序中，底层驱动程序根据g_ima_file_operation中不同的入口函数指针对应不同的派遣函数调用具体实现的派遣函数ima_ioctl，在派遣函数ima_ioctl中根据不同的I/O控制码调用硬件抽象层所提供的宏映射到操作系统中的端口地址进行操作，
底层驱动程序安装时点击采用命令安装，可将安装命令写成脚本文件提供给用户，用户只需运行脚本文件就能将待驱动装置驱动安装成功，操作非常方便，作为一个示例，利用该脚本文件安装后的待驱动装置对应的驱动名为ima，待驱动装置的网络地址为wanfeng_1228io_card，其主设备号为50。
如图1所示，IO设备驱动程序既是操作系统内核和硬件之间的接口，也可以看作是应用程序与硬件之间的一个中间软件层。设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节，这样在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，所有的外部设备都被看作是目录/dev下的一个文件，也就是系统把外部设备当作特殊文件来处理，并为外部设备提供一种标准接口，应用程序通过调用设备文件操作函数来打开、关闭、读取和控制待驱动装置。
上层功能测试应用软件测试IO功能时分为计算机端口写入数据(8位)、计算机端口读取数据(8位)、计算机端口写入数据(16位)、计算机端口读取数据(16位)、计算机端口写入数据(32位)、计算机端口读取数据(32位)以此来验证底层驱动程序和库程序的正确性和稳健性，验证测试均通过。作为一个示例，某导弹测试仪IO驱动连续进行上千次操作蜂鸣器及指示灯正常，无故障、内存冲突的情况发生，证明底层驱动程序和库程序运行正常，验证了其正确性、稳定性和可行性。
光耦模块用于采集与开入量指令对应的待驱动装置的自检测开关信号，并对其进行隔离后发送给译码控制模块CPLD；
继电器用于依据开出量指令输出相应的开出量信号给对应的待驱动装置，该开出量指令可以为小电流信号，该小电流信号作为继电器的控制信号，驱动继电器线圈、实现继电器的通断控制；优选地，该装置还包括指示灯，该小电流信号可以控制指示灯的颜色和点亮方式，实现开出量指令的可视化。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于嵌入式Linux的IO驱动方法，其特征在于，具体步骤为：
S1.通过底层驱动程序实现待驱动装置的注册和初始化；通过删除驱动程序实现待驱动装置的卸载；通过结构程序实现待驱动装置的操作入口管理；
S2.通过库程序用于根据主控模块的指令将所述驱动装置需要实现的不同功能封装成上层功能测试应用程序能访问的API函数；
S3.通过上层功能测试应用程序调用库程序提供的API函数，驱动库程序将主控模块的指令发送给底层驱动程序，从而实现对待驱动装置的驱动操作。
2.根据权利要求1所述的一种基于嵌入式Linux的IO驱动方法，其特征在于，所述API函数将需要访问的待驱动装置的端口地址和I/O控制码，转发给底层驱动程序进行处理，以完成上层功能测试应用程序与底层驱动程序之间的通讯。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于嵌入式Linux的IO驱动方法，其特征在于，所述API函数包括打开板卡、关闭板卡、初始化板卡、设置板卡基地址、选择中断号、从计算机端口读取数据和向计算机端口写入数据。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种基于嵌入式Linux的IO驱动方法，其特征在于，所述上层功能测试应用程序采用QT中Qt Widgets Application框架进行编程。
5.一种基于嵌入式Linux的IO驱动装置，其包括主控模块、译码控制模块、光耦模块和继电器，所述译码控制模块分别连接主控模块、继电器和光耦模块，所述继电器和光耦模块连接待驱动装置，其特征在于：
所述译码控制模块用于依据主控模块的指令操作驱动程序以实现对待驱动装置的驱动操作，所述驱动程序包括底层驱动程序、库程序和上层功能测试应用程序；
所述底层驱动程序包括初始化驱动程序、删除驱动程序和结构程序，其分别用于实现待驱动装置的注册和初始化、待驱动装置的卸载和待驱动装置的操作入口管理；
所述库程序用于根据主控模块的指令将所述驱动装置需要实现的不同功能封装成上层功能测试应用程序能访问的API函数；
所述上层功能测试应用程序用于调用库程序提供的API函数。
6.根据权利要求5所述的一种基于嵌入式Linux的IO驱动装置，其特征在于，所述API函数将需要访问的待驱动装置的端口地址和I/O控制码，转发给底层驱动程序进行处理，以完成上层功能测试应用程序与底层驱动程序之间的通讯。
7.根据权利要求5或6所述的一种基于嵌入式Linux的IO驱动装置，其特征在于，所述API函数包括打开板卡、关闭板卡、初始化板卡、设置板卡基地址、选择中断号、从计算机端口读取数据和向计算机端口写入数据。
8.根据权利要求5-7中任一项所述的一种基于嵌入式Linux的IO驱动装置，其特征在于，所述上层功能测试应用程序采用QT中Qt Widgets Application框架进行编程。
9.根据权利要求5-8中任一项所述的一种基于嵌入式Linux的IO驱动装置，其特征在于，所述主控模块和译码控制模块通过ISA地址数据控制总线连接，所述主控模块通过ISA地址数据控制总线将指令发送给译码控制模块，译码控制模块通过开入量指令和开出量指令实现对待驱动装置的相应操作。
10.根据权利要求5-9中任一项所述的一种基于嵌入式Linux的IO驱动装置，其特征在于，所述光耦模块用于采集与开入量指令对应的待驱动装置的自检测开关信号，并对其进行隔离后发送给译码控制模块；所述继电器用于依据开出量指令输出相应的开出量信号给对应的待驱动装置。
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