μClinux嵌入系统外部硬件设备快速调试

　　摘要：为了加快开发调试μClinux嵌入式系统的外部硬件设备，采用直接物理地址的设备访问方法，在μClinux嵌入式系统中实现了外部硬件设备的快速访问。使用地址映像，将设备的寄存器映像到处理器的内存空间统一编址，通过指针定义的地址操作函数对外设备进行访问。该方法可以在μClinux操作系统支持的嵌入式系统的硬件环境中进行硬件外部设备的快速调试，避免了因等待外部硬件设备驱动程序的编写而耽误外部硬件调试的时间，从而加快外部硬件设备调试速度，提高硬件开发调试效率。
　　
　　关键词：方法 μClinux硬件 调试 快速
　　
　　在传感器网络节点中，采用了基于Linux的嵌入式操作系统。开发基于Linux操作系统的嵌入式微处理器应用系统，关键是Linux能够访问嵌入式处理器上扩展连接的外部设备。一旦能够访问连接的外部芯片设备，就可以灵活地在Linux上运行对嵌入式系统外部设备的有关访问控制应用。
　　
　　Linux在个人PC机上的设备驱动框架作了介绍。介绍了μClinux中访问嵌入式系统外部设备的设备驱动方式的框架。不过对于设备驱动程序的操作函数的实现由于与具体的外设备硬件有关，没有实现的具体统一方案。设备驱动方式采用通用的文件访问方式操作设备，这给对硬件底层不了解的高层用户的程序设计带来了方便。但对于硬件的设计和调试人员来说，不了解底层硬件的操作就无法实现设备的访问。硬件设计人员必须实现访问函数的具体操作过程，以达到对外部扩展设备的访问测试和灵活控制。也就是说，先要完成设备驱动程序，然后才能进行下一步的硬件设备调试。
　　
　　编写和实现设备驱动程序必须先了解和实现对设备底层的访问，这是个复杂的过程。先要掌握处理器如何寻址外部设备、如何配置外部设备；再实现底层的地址访问函数；然后再编写设备驱动程序的实现函数，进而编写设备驱动程序；将驱动程序编译进Linux操作系统内核；最后在Linux系统中通过标准的设备访问方式访问外部设备。
　　
　　采用设备驱动方式需要很多时间，以至于耽误硬件设计调试的进程。另一方面，由于应用于嵌入式的Linux不支持动态的加载设备驱动模块，只能将设备的模块编译进Linux内部，也就是要将设备驱动程序重新编译进用于嵌入式的Linux内核中，为此采用驱动方式又增加了内核的代码。
　　
　　在μClinux操作系统中，可以采用直接物理地址访问外部扩展设备，针对设备寄存器的地址单元进行读写操作，直接与硬件接触，而且便于从最底层了解设备的操作，直接与硬件接触，而且便于从最底层了解设备的工作方式，加快开发调试产品的速度。该方法仅仅修改少量的代码，采用直接地址的访问方式能够快速完成对外设备的访问测试。与设备驱动方式相比，重新编译后使内核代码增加较少。而在μClinux中要采用直接物理地址的外部设备访问，需要修改启动代码，建立设备访问函数，需要一定技巧。本文以Motorola的ColdFire MCF5272嵌入式微处理器平台为例，介绍了μClinux对外部设备的快速访问方法。
　　　
　　1 存储空间编址
　　对于μClinux来说，其设计是针对没有MMU（Memory Manage Unit）的处理器，即μClinux不能使用处理器的虚拟内存管理技术，μClinux采用存储器的分页管理，系统在启动时把实际存储器进行分页。在加载应用程序时程序分页加载。但由于没有MMU管理，实际上μClinux采用实存储器管理策略。
　　
　　ΜClinux系统对于内存的访问是直接的，它对地址的访问不需要经过MMU，而是直接送到地址线上输出，所有程序中访问的地址都是实际的物理地址。操作系统对内存空间没有保护，各个进程实际上共享一个运行空间。
　　
　　ΜClinux采用了实内存模式，各个内部段在物理内存（没有虚存）层面都是连续的，其内存空间的地址映像如图1。
　　
　　根据内存空间是否独立，可以将I/O空间的配置分为两种：一种是I/O空间与内存空间相互独立，这样I/O空间的访问需要使用专门的I/O函数如inb和outb等。Intel CPU就使用这种方法。另一种是将I/O寄存器作为内存的一部分，即I/O寄存器与内存统一编址，这样使用普通的内存访问语句即可读写I/O寄存器。Motorola 68K处理器就采用这种体系结构，处理器MCF5272也统一编址。即其RAM、FLASH和外设I/O均统一编址，没有地址变换和内存保护。
　　
　　2 快速设备访问
　　
　　在C语言中，用指针可以对内存地址单元进行直接访问，因此在设计中可以采用指针对外部设备进行快速操作。
　　
　　2．1 地址映像
　　
　　为了访问外部设备，首先应将外设的寄存器映像到MCF5272的内存，与内存统一编址。为此，需要修改相应代码。
　　
　　用于COLDFIRE MCF5272的嵌入式μClinux启动代码由两部分组成：
　　
　　μClinux/linux/arch/m68knommu/platform/5272/MOTOROLA/crt0_rom.S
　　
　　μClinux/linux/arch/m68knommu/platform/5272/sysinit.c
　　
　　其中crt0_rom.S由汇编写成，完成CPU的初始化设置，这是整个软件体系的最开始执行的代码入口，CPU一加电就跳到这里执行；sysinit.c为C语言代码，完成MCF5272的集成模块SIM（如串口、时钟、通用I/O等）、SDRAM、FLASH和其它外设接口、片选等的初始化设置。
　　
　　MCF5272的片选CS0～CS7的寄存器CSBR0～CSBR7和CSOR0～CSOR7可将外设备寄存器的地址映像到内存储空间，这样可以采用对内存空间的访问来达到访问外部设备。其中寄存器CSBR指明了映像的内存起始地址、映像的内存容量、总线宽度等；寄存器CSOR用于配置访问控制。片选CS0用于启动存储器ROM（FLASH）。
　　
　　在C语言文件sysinit.c中修改代码以实现外设的寄存器映像功能。应用片选CS2实现的代码如下：
　　
　　MCF5272_WR_CS_CSBR2(imm,0xffa00001);//寄存器内存开始地址：0xffa00000
　　
　　MCF5272_WR_CS_CSOR2(imm,0xfff00014);//片选2
　　
　　其中imm为无符号字符指针，代表了MCF5272系统集成模块（SIM）中的寄存器地址。
　　
　　2．2 实现访问函数
　　
　　通过修改启动代码，将外部设备的寄存器单元映像到内存单元后，就可以使用访问内存的宏和指针快速访问外部设备的寄存器。有两类实现设备快速访问的函数。
　　
　　2．2．1 使用宏定义
　　
　　（1）对设备的该函数read_register()实现
　　
　　#define read_register(IMM,OFFSET,SIZE)Mcf5272iord(IMMP,OFFSET,SIZE)
　　
　　(2)对设备的写函数write_register()实现
　　
　　#define write_register(IMM,OFFSET,SIZE,DAT)Mcf5272iowr(IMMP,OFFSET,SIZE,DATA)
　　
　　其中Mcf5272_iord和Mcf5272_iowr为宏。在sysinit.h中有下列宏定义：
　　
　　（a）用于计算地址的宏
　　
　　#define Mcf5272_addr(IMM,OFFSET)((void *)&((unsigned char *)IMMP[OFFSET]))
　　
　　表示基地址为IMM，偏移地址为OFFSET的内存地址。宏返回物理地址。
　　
　　（b）访问内存的宏
　　
　　#define Mcf5272_iord(IMMP，OFFSET，SIZE)
　　
　　（*（volatile uint ## SIZE *）（Mcf5272_addr）(IMMP,OFFSET)）)
　　
　　#define Mcf5272_iowr(IMMP,OFFSET,SIZE,DATA)
　　
　　(*(volatile uint ## SIZE *)(Mcf5272_addr(IMMP,OFFSET))=(DATA))
　　
　　分别表示读内存地址单元内容、将数据DATA写入内存地址单元。地址单元的基地址为IMM，偏移地址为OFFSET。SIZE表示每次读写操作的数据度，取值可为8、16、32，分别表示每次操作8位、16位、32位的总线数据。
　　
　　2．2．2 采用指针直接定义
　　
　　（1）对设备的读函数inb()、inw()、inl()实现
　　
　　#define inb(addr)(*(volatile unsigned chart*)(addr))
　　
　　#define inw(addr)(*(volatile unsignedshort*)(addr))
　　
　　#define inl(addr)(*(volatile unsigned long*)(addr))
　　
　　分别是8位、16位、32位数据总线的读函数。
　　
　　（2）对设备的写函数outb()、outw()、outl()实现
　　
　　#define outb(data,addr)((*(volatile unsigned char*)(addr))=(data))
　　
　　#define outw(data,addr)((*(volatile unsigned short*)(addr))=(data))
　　
　　#define outl(data,addr)((*(volatile unsigned short*)(addr))=(data))
　　
　　#define outl(data,addr)((*(volatile unsigned long*)(addr))=(data))
　　
　　分别是8位、16位、32位数据总线的写函数。
　　
　　3 应用实验
　　
　　在笔者的传感器网络节点中（见图2），外部设备芯片采用W99200F，包含100多个寄存器。在芯片上电复位后，芯片寄存器的复位初始值在手册中是已知的。根据访问方式，它包含三类寄存器：只读、只写、可读写。W99200F芯片部分寄存器偏移地址及其复位初始化值如表1所示。
　　
　　
　　表1 W99200F芯片中部分寄存器及其初始化值
　　
　　寄存器名　　偏移地址 访问方式 数据宽度 复位值
　　Vint_source 0x0d　　 只读　　 8　　　　0x40
　　Vbv_initial 0x18　　 读写　　 8　　　　0x13
　　Vquality　　0x19　　 读写　　 8　　　　0x08
　　Vin_cntl　　0x21　　 读写　　 8　　　　0x0c
　　Vsize_h　　 0x24　　 读写　　 8　　　　0x2c
　　
　　修改启动代码和实现访问函数，其中寄存器CSBR2指明了映像的内存起始地址、映像的内存容量、总线宽度等。重新编译μClinux内核，并将生成的下载文件烧写到FLASH中，重新上电在内核运行起来后（或者mount上宿主机硬盘手动启动μClinux内核），通过编制一段C语言的测试程