基于ARM的Linux下LonWorks总线设备驱动设计

LonWorks是美国Echelon公司1992年推出的局部操作网络，最初主要用于楼宇自动化，但很快发展到工业现场网。LonWorks技术为设计和实现可互操作的控制网络提供了一套完整、开放、成品化的解决途径，它协议完整、通信可靠，而且为用户提供了功能强大的开发工具(LONBU ILDER，NODEBU ILDER)。

在LonWorks现场总线设备的使用过程中，由于其设备驱动与操作系统的相关性，从而要求开发者在开发过程不仅实现硬件构成，更需要熟悉操作系统及设备驱动程序的制定。本文给出在ARM平台下实现LonWorks总线设备的互联，并在嵌入式Linux系统下，介绍LonWorks现场总线设备驱动程序的设计与实现。

1 LonWorks总线设备的构成

LonWorks技术的核心是神经元芯片(Neuron Chip)。该芯片内部装有3个微处理器：MAC处理器完成介质访问控制；网络处理器完成OSI的3～6层网络协议；应用处理器完成用户现场控制应用。它们之间通过公用存储器传递数据。同时神经元芯片共设置11个I/O口，这些I/O口可根据不同需求，利用Neuron C编程来灵活配置与外围设备的接口，如RS232、并口、定时/计数、位I/O等。其芯片结构如图1所示[1]。

在本系统设计中，基于嵌入式ARM平台下实现对LonWorks总线的访问，设计原理是利用S3C2410芯片的SPI(Serial Peripheral Interface)接口[2]与Neuron芯片来实现数据通信，其原理如图2所示。

SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，它有4条引脚：SSEL(从器件选择线)、MOSI(主机输出、从机输入数据线)、MISO(主机输入、从机输出数据线)、SCK(同步串行时钟线)。S3C2410包含2个SPI接口，本文利用SPI1与Neuron芯片CY7C53120相连。

2  Linux下设备驱动程序

设备驱动程序是操作系统内核与机器硬件之间的接口。在Linux中，设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节，对应用程序而言，硬件设备只是一个设备文件，可以通过相应的系统调用像操作普通文件一样对硬件设备进行操作。

Linux系统的设备分为字符设备(char device)、块设备(block device)和网络设备(network device)3种[3-4]。字符设备是指存取时没有缓存的设备；块设备的读写则都有缓存来支持，只能以块为单位进行读写，并且块设备必须能够随机存取(random access) ；而Linux的网络设备开发则主要基于BSD Unix的socket机制。本文要开发的Lonworks设备驱动程序是一个字符型的设备，其基本组成如图3所示。
 

Linux设备驱动程序可以分为设备初始化子程序及卸载程序、服务子I/O请求的子程序和中断服务子程序3个主要组成部分：

(1)设备初始化子程序及卸载程序。Init_module用以负责检测所要驱动的硬件设备是否存在和是否能正常工作。如果该设备正常，则对这个设备及其相关的设备驱动程序需要的软硬件进行初始化，其初始化程序流程如图4所示。[page]

Cleanup_module用以完成卸载设备时要做的工作，其设备卸载流程如图5所示。
 

(2)服务于I/O请求的子程序，又称为驱动程序的上半部。应用程序可以通过系统来调用此部分程序。此部分程序在执行时，系统仍认为是与应用程序进程属于同一个进程，具有进行此系统调用的用户程序的运行环境，只是由用户态变成了核心态，因而可以在其中调用sleep()等与进程运行环境有关的函数。

此部分的设计主要是对file_operations结构的各个入口点的实现。从而实现了支持文件系统的调用(如open，close，read等)。file_operations结构是Linux操作系统中用于实现驱动程序的最重要的数据结构，对Linux提供I/O 请求的子程序的一系列入口点进行了封装。下面给出用于Lonworks设备驱动的file_operations结构示例。

　　struct file_operations{

　　int(*lseek)(struct inode *inode，struct file *flip，off_t off，int pos)；

　　int(*read)(struct inode *inode，struct file *filp，char *buf，int count)；

　　int(*write)(struct inode *inode，struct file *filp，char *buf，int count)；

　　int(*ioctl)(struct inode *inode，struct file *filp，unsigned int cmd，unsigned int arg)；

　　int(*open)(struct inode *inode，struct file *filp)；

　　viod(*release)(struct inode *inode，struct file *filp)；

　　}

由上可见file_operations 结构中的成员全部是函数指针，该结构实质上就是函数跳转表。每个应用进程对设备的操作，都可以根据设备号，转换成对file_operations 结构的访问，通过调用相关函数完成具体操作。

(3)中断服务子程序，又称为驱动程序的下半部。在Linux系统中，并不直接从中断向量表中调用设备驱动程序的中断服务子程序，而是由Linux系统来接收硬件中断，再由系统来调用中断服务子程序。

中断可以在任何一个进程运行时产生，因而中断服务程序的调用，不依赖于任何进程的状态，即不能调用任何与进程运行环境有关的函数。在系统内部，I/O设备的存/取通过一组固定的入口点来进行，这组入口点是由每个设备的驱动程序提供的。对于本文涉及的LonWorks设备驱动，下面分析其作为字符型设备驱动程序所需用的常用入口点。

Lon_open(struct inode *inode，struct file *filp)入口点用以打开设备准备I/O操作。对字符设备文件进行打开操作，都会调用设备的open入口点。open子程序必须对将要进行的I/O操作做好必要的准备工作，如清除缓冲区等。Lon_release(struct inode *inode，struct file *filp)入口点用以关闭设备。当最后一次使用设备终结后，调用release子程序。

Lon_read(struct inode *inode，struct file *filp，char *buf，int count)入口点用以从设备上读数据。可以利用所设定的缓冲区进行I/O操作，从缓冲区里读数据。对设备进行读操作将调用read子程序。相似的，Lon_write(struct inode *inode，struct file *filp，char *buf，int count)入口点用以往设备上写数据。对设备进行写操作将调用write子程序。

Lon_ioctl(struct inode *inode，struct file *filp，unsigned int cmd，unsigned int arg)入口点执行读、写之外的一些硬件控制操作，操作命令代码通过cmd参数传送，命令参数通过arg参数传送。此函数也为功能扩展提供接口。

实现了以上3部分，核心驱动模块部分就完成了。对以上模块进行编译并加载后，Linux用户可用mknod命令利用动态分配的主设备号建立相应的设备文件，并对它设置恰当读写权限后，就可以在应用程序中通过这个设备文件来操作LonWorks总线设备了。这样做不仅使得应用程序编程风格更加统一，代码更具鲁棒性，应用系统更加安全更易于维护，而且可在核心级来保证关键部分的实时响应，从而降低用户程序开发的难度。

以上介绍了在ARM9平台的嵌入式Linux2.6.x系统中实现Lonwork通信的一种方法，并在以武汉创维特公司的JXARM9-2410实验箱为基础扩展的硬件平台上实验完成。后期可在此基础上，结合Linux在网络通信中的特长，实现对Lonwork网络的应用管理或与其他通信网络的互连，有较好的实用性。