嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁減，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)[1].自20世紀(jì)70年代世界上個為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計的微處理器誕生以來，已在幾十年的發(fā)展歷程，如今嵌入式系統(tǒng)（embedded system）已經(jīng)成為電子信息產(chǎn)業(yè)中增長力的一個分支。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，嵌入式控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)智能化、自動化中的應(yīng)用越來越普及。尤其手機(jī)、PAD、GSP、機(jī)頂盒等新興產(chǎn)品的大量應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)的市場正在以每年30%的速度遞增，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計也成為軟硬件工程師越來越關(guān)心的問題。

步進(jìn)電機(jī)是工業(yè)控制中的一種常用執(zhí)行部件，具有控制靈活、價格低等優(yōu)點(diǎn)，因而在許多設(shè)備和裝置中常被采用。嵌入式步進(jìn)電機(jī)控制器就是將微處理器置于電機(jī)控制器中，使步進(jìn)電機(jī)控制器能按設(shè)定的相數(shù)、拍數(shù)以及單個觸發(fā)脈沖所走的步數(shù)，提供相應(yīng)的控制邏輯。本文以Samsung公司的友善之譬S3C2440開發(fā)板為例，探討如何使用嵌入式Linux開發(fā)字符設(shè)備驅(qū)動程序來驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)。

　　1 硬件系統(tǒng)設(shè)計方案

控制系統(tǒng)由處理器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)3部分組成。

　　中央處理器（英文Central Processing Unit,CPU）是一臺計算機(jī)的運(yùn)算和控制。CPU、內(nèi)部存儲器和輸入/輸出設(shè)備是電子計算機(jī)三大部件。電腦中所有操作都由CPU負(fù)責(zé)讀取指令，對指令譯碼并執(zhí)行指令的部件。其功能主要是解釋計算機(jī)指令以及處理計算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)。所謂的計算機(jī)的可編程性主要是指對CPU的編程。 CPU由運(yùn)算器、控制器和寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)的總線構(gòu)成。

處理器用友善之譬QQ2440V3開發(fā)板，內(nèi)核為ARM920T.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器采用北京和利時電機(jī)技術(shù)有限公司（原四通電機(jī)）的SH-20403.驅(qū)動器共有四路輸入信號：公共、脈沖信號輸入、方向信號輸入和脫機(jī)信號輸入。驅(qū)動器的輸入信號既可以采用共陽極也可以采用共陰極接線方式，使用共陽極模式時，應(yīng)將輸入信號的電源正極連接到公共端，將輸入信號連接到對應(yīng)的信號端子，信號低電平有效，此時對應(yīng)的內(nèi)部光耦導(dǎo)通，控制信號輸入驅(qū)動器中；對應(yīng)共陰極模式時，將輸入信號的電源負(fù)極連接到公共端，信號高電平有效，我們采用的是共陽極接法。

　　2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)體系可分為：應(yīng)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(shè)備的直接接口，驅(qū)動程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)，驅(qū)動程序是內(nèi)核的一部分，它具有以下功能：

對設(shè)備初始化和釋放：比如向內(nèi)核注冊這個程序，這樣應(yīng)用程序傳入文件名時，內(nèi)核才能找到相應(yīng)的驅(qū)動程序。

對設(shè)備進(jìn)行管理，包括實(shí)時參數(shù)設(shè)置以及提供對設(shè)備的操作接口。

讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)并回送給應(yīng)用程序請求的數(shù)據(jù)。

檢測是處理設(shè)備出現(xiàn)的錯誤。

應(yīng)用程序通過Linux系統(tǒng)的調(diào)用實(shí)現(xiàn)與內(nèi)核通信。由于Linux中將設(shè)備當(dāng)做文件處理，所以對設(shè)備進(jìn)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(yīng)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(shè)備的操作。在Linux中通過分層實(shí)現(xiàn)對物理設(shè)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(dú)立性。

　　2.1 嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動程序的框架

Linux系統(tǒng)設(shè)備分成三種基本類型：字符設(shè)備、塊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。每個模塊通常實(shí)現(xiàn)其中某一種：字符模塊、塊模塊或網(wǎng)絡(luò)模塊。

嵌入式設(shè)備驅(qū)動整體可分以下兩部分：

（1）硬件設(shè)備接口層。這部分主要描述驅(qū)動程序與設(shè)備的交互。

（2）驅(qū)動與內(nèi)核接口層，它實(shí)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(biāo)準(zhǔn)的入口點(diǎn)函數(shù)init_functionO;在通過模塊化的設(shè)計方法設(shè)計驅(qū)動程序時，使用insmod加載模塊時會調(diào)用本函數(shù)，通知內(nèi)核對驅(qū)動程序進(jìn)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動開發(fā)

GeneralPurposeInputOutput（通用輸入/輸出）簡稱為GPIO,或總線擴(kuò)展器，利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)I2C、SMBus?或SPI?接口簡化了I/O口的擴(kuò)展。當(dāng)微控制器或芯片組沒有足夠的I/O端口，或當(dāng)系統(tǒng)需要采用遠(yuǎn)端串行通信或控制時，GPIO產(chǎn)品能夠提供額外的控制和監(jiān)視功能。每個GPIO端口可通過軟件分別配置成輸入或輸出。Maxim的GPIO產(chǎn)品線包括8端口至28端口的GPIO,提供推挽式輸出或漏極開路輸出。提供微型3mmx3mmQFN封裝。

　　2.2.1 開發(fā)步驟

（1）模塊化驅(qū)動程序

寫字符設(shè)備的驅(qū)動程序時，也要遵守模塊化編程的一般規(guī)范。設(shè)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(shè)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(shí)現(xiàn)了Chrdevs向量表中指向設(shè)備驅(qū)動程序名稱的指針。使用kfree釋放內(nèi)存。

（3）字符設(shè)備主設(shè)備號和次設(shè)備號的分配

主設(shè)備號標(biāo)志設(shè)備對應(yīng)的驅(qū)動程序，內(nèi)核利用主設(shè)備號將設(shè)備與相應(yīng)的驅(qū)動程序?qū)?yīng)起來。主設(shè)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(shè)備號的沖突。

次設(shè)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(shè)備模塊在內(nèi)核空間的注冊與注銷

字符設(shè)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(shè)備加入到系統(tǒng)設(shè)備列表中；另一種是devfs技術(shù)，通過系統(tǒng)函數(shù)devfs-regisrer（）實(shí)現(xiàn)設(shè)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(shè)備模塊在內(nèi)核空間提供系統(tǒng)調(diào)用的函數(shù)設(shè)備驅(qū)動程序在注冊成功以后，用戶可以通過訪問設(shè)備特殊文件（一般情況在/dev目錄下）實(shí)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(shí)際的驅(qū)動，就必需了解相關(guān)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。

    要用操作所用到的IO口，就要設(shè)置他們所用到的寄存器，我們需要調(diào)用一些現(xiàn)成的函數(shù)或者宏，比如：
    ／*每個port有16個引腳，而每個引腳由兩位來配置，所以你看到32×N。 32表示一個port的配置寄存器，而N代表是第幾個端口。而這里的offset表示的是第幾個引腳。

S3C2440開發(fā)板中GPIO的許多引腳是和地址線、數(shù)據(jù)線、串口線等引腳復(fù)用的。所以我們必須對GPIO進(jìn)行重新定義和配置。一般來說，寫驅(qū)動可以在內(nèi)核中找相近的驅(qū)動程序，以它為模板進(jìn)行開發(fā)，有時也要從零開始，這次作者在內(nèi)核Linux-2.6.13-qq2440\kernel2.6.13\drivers\char中的qq2440 led.c進(jìn)行修改。

定義了file_operations和各種API函數(shù)，配置了init和exit函數(shù)以及module_exit和module_init.

驅(qū)動開發(fā)完后，要進(jìn)行測試。把編寫好的驅(qū)動程序在PC機(jī)上進(jìn)行交叉編譯。然后用命令#insmod stepper.ko加載模塊到內(nèi)核中，通過命令#rmmod stepper.ko可以卸載模塊。用mknod/dev/stepper 1000 0建立與驅(qū)動程序相應(yīng)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)。編寫相應(yīng)的應(yīng)用程序。在應(yīng)用程序中打開步進(jìn)電機(jī)的設(shè)備文件，通過調(diào)用ioctl（fd,1&dir,O），運(yùn)行應(yīng)用程序，查看步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

　　3 結(jié)論

本文在S3C2440開發(fā)板下實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的控制。給出了簡單的驅(qū)動程序，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明驅(qū)動運(yùn)行正常、穩(wěn)定。但對于實(shí)現(xiàn)傳能激光雕刻的圖形及灰度雕刻，還有待于進(jìn)一步的完善。