基于嵌入式ARM Linux步進電機驅動程序的設計

2 步進電機驅動系統設計
Linux內核結構體系可分為：應用程序、庫函數、操作系統(內核)、驅動程序。在Linux操作系統中，驅動程序是操作系統內核與硬件設備的直接接口，驅動程序屏蔽了硬件的細節，驅動程序是內核的一部分，它具有以下功能：
對設備初始化和釋放：比如向內核注冊這個程序，這樣應用程序傳入文件名時，內核才能找到相應的驅動程序。
對設備進行管理，包括實時參數設置以及提供對設備的操作接口。
讀取應用程序傳送給設備文件的數據并回送給應用程序請求的數據。
檢測是處理設備出現的錯誤。
如圖3所示，應用程序通過Linux系統的調用實現與內核通信。由于Linux中將設備當做文件處理，所以對設備進行操作的調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。應用程序發出系統調用命令后，會從用戶態轉到內核態，通過內核將openO等的系統調用轉換成對物理設備的操作。在Linux中通過分層實現對物理設備的調用，這樣使得內核的結構清晰，提高了模塊化的獨立性。

2．1 嵌入式Linux設備驅動程序的框架
Linux系統設備分成三種基本類型：字符設備、塊設備、網絡設備。每個模塊通常實現其中某一種：字符模塊、塊模塊或網絡模塊。
嵌入式設備驅動整體可分以下兩部分：
(1)硬件設備接口層。這部分主要描述驅動程序與設備的交互。
(2)驅動與內核接口層，它實現驅動模塊在Linux內核的注冊加載與卸除工作。
對于驅動程序與內核接口層，Linux提供了標準的入口點函數init_functionO；在通過模塊化的設計方法設計驅動程序時，使用insmod加載核心模塊時會調用本函數，通知內核對驅動程序進行注冊。模塊的卸除工作與加載工作類似，通過rmmod卸載模塊時，調用cleanup_funct-ion0取消驅動程序的注冊。
2．2 GPIO的步進電機驅動開發
GPIO(General Purpose Input Output)的步進電機驅動可以歸類為Linux設備驅動的字符設備驅動，以下是開發它的一些具體步驟。
2．2．1 開發步驟
(1)模塊化驅動程序
寫字符設備的驅動程序時，也要遵守模塊化編程的一般規范。設備模塊在用戶空間的初始化和終止：
Init_mnodule()向內核注冊模塊提供數據結構、局部和全局變量。
Cleanup_module()取消所有init_module在內核中的注冊。
(2)設備模塊在內核空間的內存申請和釋放
kmalloc()函數分配一段內存，這樣就實現了Chrdevs向量表中指向設備驅動程序名稱的指針。使用kfree釋放內存。
(3)字符設備主設備號和次設備號的分配
主設備號標志設備對應的驅動程序，內核利用主設備號將設備與相應的驅動程序對應起來。主設備號的取值范圍是O～255，如果不善加規劃，則容易造成主設備號的沖突。
次設備號由驅動程序使用，內核的其他部分并不使用它，僅將它傳遞給驅動程序。
(4)設備模塊在內核空間的注冊與注銷
字符設備的注冊有兩種方法，一種是常用注冊方法，通過系統函數registel_chrdev()將設備加入到系統設備列表中；另一種是devfs技術，通過系統函數devfs-regisrer()實現設備的注冊。注銷與注冊相反，分別調用unregister_chrdev()函數和devfs_unregister()函數。
(5)設備模塊在內核空間提供系統調用的函數設備驅動程序在注冊成功以后，用戶可以通過訪問設備特殊文件(一般情況在／dev目錄下)實現系統調用。
GPIO驅動程序只需要一個file operations數據結構體就可以了。
2．2．2 驅動開發
要寫實際的驅動，就必需了解相關的硬件資源。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，如表2所示。