向明尚++張志華++潘麗艷

摘 要：以飛凌6410開發(fā)板上的外部設(shè)備為例，介紹了GPIO工作原理，講解了Linux字符驅(qū)動(dòng)程序的工作原理和設(shè)計(jì)步驟，介紹了Linux內(nèi)核模塊設(shè)計(jì)、編譯、加載和卸載等的實(shí)現(xiàn)方法，闡述了嵌入式系統(tǒng)圖形用戶界面Qt的應(yīng)用和多線程工作機(jī)制，給出了軟硬件的設(shè)計(jì)方法，以完成多線程嵌入式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：字符設(shè)備；驅(qū)動(dòng)程序；多線程；嵌入式系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.04.011

嵌入式系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于航天、航空、鐵路、公路、汽車和家居生活等各個(gè)領(lǐng)域。系統(tǒng)中有大量的外部設(shè)備，比如用于測(cè)量溫度、壓力、流量和速度等的傳感器，以及馬達(dá)、電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這些外部設(shè)備往往需要協(xié)同、并行工作，即所謂的多任務(wù)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有較高的要求。設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，既要考慮每一個(gè)外部硬件設(shè)備能夠可靠工作，又要考慮多個(gè)設(shè)備之間的資源共享，所以，軟件、硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要考慮到多任務(wù)、實(shí)時(shí)性的要求。Linux操作系統(tǒng)因其多任務(wù)、實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。Qt作為一種基于C++跨平臺(tái)GUI系統(tǒng)，能夠?yàn)橛脩籼峁?gòu)造圖形界面的強(qiáng)大功能，提供豐富的多線程支持，并被應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的GUI設(shè)計(jì)中。本文基于Linux+Qt，實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)、多線程嵌入式控制系統(tǒng)。

1 字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序工作原理

對(duì)于嵌入式系統(tǒng)中的外部設(shè)備，有一大類在Linux系統(tǒng)中被定義為字符設(shè)備，它需要專用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)才能正常工作。Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是為了特定的硬件提供給用戶程序的一組標(biāo)準(zhǔn)化接口，它隱藏了設(shè)備工作的細(xì)節(jié)。它是用來控制和管理硬件設(shè)備、完成數(shù)據(jù)傳送的專用軟件，是用戶的應(yīng)用程序與外部設(shè)備信息交換的橋梁。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序作為操作系統(tǒng)的一部分運(yùn)行在操作系統(tǒng)內(nèi)核中，用戶的應(yīng)用程序通過系統(tǒng)調(diào)用與內(nèi)核打交道，內(nèi)核根據(jù)系統(tǒng)通調(diào)用號(hào)來調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序所對(duì)應(yīng)的接口函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的管理。Linux中字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序以內(nèi)核模塊的形式編寫，驅(qū)動(dòng)程序的加載方式之一就是采用內(nèi)核模塊方式動(dòng)態(tài)加載，具有靈活、高效的特點(diǎn)。

Linux的字符設(shè)備是能夠像字節(jié)流一樣被訪問的設(shè)備，由字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)這種特性。字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)，就是實(shí)現(xiàn)設(shè)備的讀寫、控制接口，即實(shí)現(xiàn)Linux的核心結(jié)構(gòu)體file_operation。該結(jié)構(gòu)體是Linux虛擬文件系統(tǒng)的文件接口，其中定義了用于設(shè)備操作的各種接口函數(shù)。在設(shè)計(jì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，只需要實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體中的有關(guān)函數(shù)即可，比如設(shè)備的打開、讀、寫、控制、關(guān)閉所對(duì)應(yīng)的open、read、wtite、ioctl、release等函數(shù)，即可像操作普通文件一樣來管理設(shè)備。Linux系統(tǒng)為每一個(gè)設(shè)備分配一個(gè)主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)，驅(qū)動(dòng)程序以主設(shè)備號(hào)、次設(shè)備號(hào)唯一標(biāo)示一個(gè)具體的外設(shè)，比如開發(fā)板上的LED、按鍵、蜂鳴器、溫度傳感器和AD轉(zhuǎn)換器，等等。

2 Qt多線程工作機(jī)制

嵌入式系統(tǒng)大多是多任務(wù)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)，多個(gè)外部設(shè)備同時(shí)并行工作，實(shí)時(shí)性要求比較嚴(yán)格。因?yàn)閷?duì)用戶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求比較高，所以，引入了多線程技術(shù)。

在Qt系統(tǒng)中，與線程有關(guān)的類是與平臺(tái)無關(guān)的QThread類，提供線程的創(chuàng)建、運(yùn)行、管理等多種方法。線程通QThread類run函數(shù)重載執(zhí)行。應(yīng)用程序要想執(zhí)行自己的線程，需要繼承QThread類，實(shí)現(xiàn)run函數(shù)即可。GUI運(yùn)行主線程，從窗口獲取事件，并分發(fā)給相應(yīng)的組件處理，即實(shí)現(xiàn)主線程、子線程多個(gè)線程之間并發(fā)執(zhí)行，保證系統(tǒng)對(duì)多個(gè)外部設(shè)備的及時(shí)響應(yīng)。為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)線程之間的通信，Qt提供了一整套工作機(jī)制。

Qt系統(tǒng)中引入“可重入”“線程安全”的概念來說明函數(shù)與線程之間的關(guān)系?！翱芍厝搿崩^承于C++，它指的是一個(gè)類的函數(shù)在該類的不同實(shí)例上可以被多個(gè)線程調(diào)用，則該類是“可重入”的；“線程安全”指的是不同的線程作用于同一個(gè)實(shí)例上可以正常工作。

Qt提供的信號(hào)和槽機(jī)制支持跨線程連接，方便了GUI主線程與子線程之間的通信，其連接方式有3種：①直接連接。當(dāng)信號(hào)發(fā)出時(shí)，對(duì)應(yīng)的槽函數(shù)立即調(diào)用執(zhí)行。槽函數(shù)在發(fā)出信號(hào)的線程中執(zhí)行，而不一定在接收對(duì)象所屬的線程中執(zhí)行。②排隊(duì)連接。信號(hào)發(fā)出后，要等到接收對(duì)象所屬線程的時(shí)間循環(huán)取得控制權(quán)時(shí)再調(diào)用對(duì)應(yīng)的槽函數(shù)，并在信號(hào)接收對(duì)象所屬的同一個(gè)線程中執(zhí)行。③自動(dòng)連接。這是Qt默認(rèn)的連接方式。信號(hào)的發(fā)出與接收信號(hào)的對(duì)象在同一個(gè)線程，則工作在直接連接方式，否則工作在排隊(duì)方式。

對(duì)于Qt線程與事件循環(huán)機(jī)制，每個(gè)Qt的線程都有自己的事件循環(huán)。GUI主線程是唯一可以創(chuàng)建Qapplication對(duì)象并調(diào)用exec函數(shù)啟動(dòng)事件循環(huán)的，而其他子線程則通過調(diào)用QTread類的exec函數(shù)啟動(dòng)自己的事件循環(huán)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以飛凌6410開發(fā)板為例，利用其上的外部設(shè)備，比如LED、按鍵、蜂鳴器、溫度傳感器和GPIO等字符設(shè)備來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多線程系統(tǒng)。

3.1 GPIO端口工作原理

GPIO通用輸入/輸出端口。每個(gè)GPIO端口有多個(gè)對(duì)應(yīng)的寄存器，比如配制寄存器、數(shù)據(jù)寄存器等。它們可以通過軟件修改配制寄存器的值，將端口的功能分別配置成輸入、輸出等多種工作方式，而數(shù)據(jù)寄存器則用于保存端口數(shù)據(jù)。當(dāng)端口配置成輸入功能時(shí)，可以讀取數(shù)據(jù)寄存器得到1個(gè)二進(jìn)制數(shù)值，它的每一位1，0分別代表1個(gè)引腳電平的高、低；當(dāng)端口配置成輸出功能時(shí)，可以寫入1個(gè)二進(jìn)制數(shù)值到數(shù)據(jù)寄存器，它的每一位1，0分別控制1個(gè)引腳輸出高、低電平。

3.2 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

以開發(fā)板上的LED為例，介紹字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)過程。6410開發(fā)板上有4個(gè)共陽(yáng)極接法的LED指示燈，分別接到GPM0-GPM3上。當(dāng)GPM0-GPM3的4個(gè)引腳有低電平輸出時(shí)，對(duì)應(yīng)的LED點(diǎn)亮，否則熄滅。

LED驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)就是實(shí)現(xiàn)Linux的核心結(jié)構(gòu)體file_operation結(jié)構(gòu)體的接口函數(shù)的過程，即實(shí)現(xiàn)下列幾個(gè)函數(shù)：

struct file_operation LED_fops={

.owner = THIS_LED， //模塊塊所有者

.open = led_open， //設(shè)備打開函數(shù)

.ioctl = led_ioctl， //設(shè)備操作函數(shù)

.release = led_release} //設(shè)備關(guān)閉函數(shù)

led_ioctl函數(shù)用來控制端口的操作，包括功能配置、輸出高低電平控制LED的亮滅燈等。

驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)采用內(nèi)核模塊方式，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)加載，運(yùn)行靈活，便于調(diào)試。其在驅(qū)動(dòng)程中添加模塊代碼如下：

模塊初始化函數(shù)：

static int led_init（void）

{ int ret；

ret=register_chrdev（led_MAJOR，“l(fā)ed”，& LED_fops）

//注冊(cè)字符設(shè)備，其中參數(shù)分別為：主設(shè)備號(hào)、設(shè)備名稱、設(shè)備操作函數(shù)入口其中設(shè)備名稱提供給用戶，以文件的形式打開并操控設(shè)備

if （ret < 0） { printk（“Unable to register！”）； return ret； }

return 0；

}

模塊退出函數(shù)：

static void led_exit（void）

{unregister_chrdev（led_MAJOR，“l(fā)ed”）；

Printk（“Unregister ！”）；}

添加初始化、卸載接口：

module_init（led_init）//模塊初始化接口

module_exit（led_exit）//模塊卸載接口

3.3 模塊編譯

可加載的模塊化驅(qū)動(dòng)程序?qū)懞煤?，需要編譯成內(nèi)核模塊才能加載到內(nèi)核執(zhí)行，并編寫相應(yīng)的makefile文件，即：

obj-m ：= led_module.o

CROSS_COMPILE=arm-linux-

KERNELDIR？=/home/linux-3.0.1

PWD ：= $（shell pwd）

default：

$（MAKE） -C $（KERNELDIR） M=$（PWD） modules

clean：

$（MAKE） -C $（KERNELDIR） M=$（PWD） clean

有了makefile文件后，可以用命令編譯生成模塊：

make -C /linux-3.0.1/ M=/home/drivers6410 modules

3.4 模塊加載

模塊生成后，根據(jù)需要使用下列命令在內(nèi)核中加載、卸載模塊，即：

insmod led_module.ko 加載模塊到內(nèi)核

rmmod led_module.ko 卸載模塊

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)測(cè)試程序設(shè)計(jì)

為了保證驅(qū)動(dòng)程設(shè)計(jì)的正確性，需要編寫用戶程序來測(cè)試LED驅(qū)動(dòng)程序和用戶程序的正確性、可靠性。經(jīng)過測(cè)試可以正確運(yùn)行，測(cè)試代碼如下：

int led_fd，i = 0，j；

led_fd = open（"/dev/led"，0）； //以輸出的形式打開設(shè)備，控制LED的亮滅

if（led_fd < 0 ）

{printf（"Error opening gpcio！＼n"）； exit（0）； }

while（1）

{

for（i = 0；i < 4； i++）

{ ioctl（led_fd， 1， i）； //輸出高電平，熄滅LED }

for（i = 0；i < 4； i++）

{ ioctl（led_fd， 0， i）； //端口低電平，點(diǎn)亮LED }

}

close（led_fd）；

4.2 多線程用戶程序設(shè)計(jì)

由于該系統(tǒng)中控制多個(gè)外部設(shè)備，為了保證設(shè)備能夠及時(shí)得到系統(tǒng)的響應(yīng)，在程序設(shè)計(jì)時(shí)引入了多線程操作，確保外部設(shè)備的工作不受影響，從而實(shí)現(xiàn)多線程實(shí)時(shí)系統(tǒng)。程序部分代碼如下：

GUI主線程部分代碼如下：

int main（int argc， char *argv[]）

{

QApplication app1（argc， argv）；//定義Qt應(yīng)用程序?qū)ο螅錁?gòu)造函數(shù)接收與主函數(shù)相同的參數(shù)，是Qt圖形界面程序的入口。

MainWindow mainWindow；//定義主窗體、設(shè)置其屬性

mainWindow.setOrientation（MainWindow：：ScreenOrientationAuto）；

mainWindow.showExpanded（）；

QCoreApplication app（argc， argv）；

Led led； //以下創(chuàng)建多個(gè)線程對(duì)象的實(shí)例，控制LED、ADC的設(shè)備的操作

Adc adc；

Buzzer buzzer；

Keyscan keyscan；

Ds18b20 ds18b20；

led.start（）；//以下啟動(dòng)多個(gè)線程，實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備的操作

adc.start（）；

buzzer.start（）；

keyscan.start（）；

ds18b20.start（）；

led.wait（）； //線程等待，調(diào)用它的線程暫停執(zhí)行，直到被喚醒或等待時(shí)間到。

buzzer.wait（）；

adc.wait（）；

keyscan.wait（）；

ds18b20.wait（）；

return app1.exec（）；} //調(diào)用了QCoreApplication的exec函數(shù)，創(chuàng)建消息循環(huán)

LED 控制子線程部分代碼：

class Led ： public QThread //創(chuàng)建一個(gè)子線程，實(shí)例化QThread類

{ public： void run（）； }；

void Led：：run（） //重寫run函數(shù)

{ int led_fd，i = 0，j；

led _fd = ：：open（"/dev/led"，0）；//打開設(shè)備寫數(shù)據(jù)

if（led _fd < 0 ）{printf（"Error opening gpcio?。躰"）； exit（0）； }

while（1）

{ for（i = 0；i < 4； i++）

{ioctl（led _fd， 1， i）； sleep（1）； //延時(shí)作用 }

文章編號(hào)：2095-6835（2017）04-0013-02

for（i = 0；i < 4； i++）

{ioctl（led _fd， 0， i）； sleep（1）； }

}

：：close（led _fd）；

}

5 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)利用Linux內(nèi)核模塊技術(shù)開發(fā)了多個(gè)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)，利用Qt作為圖形界面開發(fā)了多線程、多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了外部設(shè)備的并發(fā)操作。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、

可靠。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：白潔〕