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嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)中SPI接口的軟件模擬
摘要：介紹嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)的基本框架和信息流程，及其CPU S3C4510B的體系結(jié)構(gòu)和內(nèi)部資源；說明在所選用uClinux操作系統(tǒng)下，添加SPI接口驅(qū)動程序的詳細(xì)過程。關(guān)鍵詞：家庭網(wǎng)關(guān) S3C4510B uClinux SPI 軟件模擬
引言
隨著信息社會的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)和信息家電越來越地出現(xiàn)在人們的生活中。人們普通要求將家庭內(nèi)的所有家用電器與Internet連接起來，實(shí)現(xiàn)主人在遠(yuǎn)方用計算機(jī)或電話通過Internet對象家庭電設(shè)施進(jìn)行監(jiān)控。家用電器制造商可以通過網(wǎng)絡(luò)對其生產(chǎn)的設(shè)備進(jìn)行售后跟蹤服務(wù)；家用電器是故障時能自動按預(yù)設(shè)的郵件地址來發(fā)送電子郵件進(jìn)行報警。這就需要有一個“家庭網(wǎng)絡(luò)中央控制器”。它對外與Internet連接，對內(nèi)通過家庭內(nèi)部無線局域網(wǎng)將所有家用電器連接成一體，從而確保信息家電安全地接入Internet。當(dāng)前，多數(shù)研究單位推出的家庭網(wǎng)絡(luò)智能控制器，均以PC或準(zhǔn)PC機(jī)作為硬件平臺，由于價位高而均未被市場容納。
嵌入式Internet是近幾年發(fā)展起來的一項(xiàng)新興技術(shù)。以32位ARM嵌入式微處理器為硬件平臺，通過移植嵌入式操作系統(tǒng)uClinux內(nèi)核，開發(fā)相應(yīng)的硬件驅(qū)動、微型GUI和上層應(yīng)用軟件，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化的嵌入式家庭網(wǎng)絡(luò)中央控制器。該系統(tǒng)具有體積小、功耗低、價格便宜的特點(diǎn)。
1 系統(tǒng)的硬件組成
本系統(tǒng)以高性能、低價格的S3C4510B為主CPU。它是Samsung公司推出的基于ARM7TDMI核，精簡指令系統(tǒng)的32位高速微處理器。工作電壓為3.3V，內(nèi)核ARM7TDMI的工作電壓為2.5V，大大降低了芯片的功耗。S3C4510B片上資源：一個總線仲裁器可以根據(jù)總線仲裁優(yōu)先級在片上功能模塊和外圍設(shè)備之間進(jìn)行系統(tǒng)總線控制權(quán)分配；8KB指令、數(shù)據(jù)復(fù)用Cache，每128bit為1頁，并可全部或部分設(shè)置為SRAM；1個主I2C總線控制器，可作為主發(fā)送器或主接收器，能連接多個從設(shè)備；2個通用DMA；18個通用I/O口； 2路4線UART口，其中一個支持IrDA 1.0，可用于紅外通信；6組ROM/SRAM/Flash用于管理外部存儲器。另外，可擴(kuò)展4組動態(tài)存儲器和4 BANK擴(kuò)展I/O設(shè)備；2通道帶有DMA傳送方式的HDLC口；1個10M/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)控制器。
圖1為家庭網(wǎng)關(guān)的硬件框圖，以S3C4510B為基本核心系統(tǒng)，外圍擴(kuò)展一系列功能模塊。有4×4鍵盤及以屏幕LCD顯示構(gòu)成良好的人機(jī)界面，用于手動本地參數(shù)查詢和設(shè)定。家庭網(wǎng)關(guān)基本系統(tǒng)以SPI接口與PTR3000無線收發(fā)模塊相連，同時家庭內(nèi)部家電控制器也通過SPI接口擴(kuò)展PTR3000無線模塊。這樣，家庭網(wǎng)關(guān)的無線模塊以輪詢的方式與家庭內(nèi)各家電控制器上無線模塊進(jìn)行通信，從而組成家庭內(nèi)部無線子網(wǎng)。家庭網(wǎng)關(guān)基本系統(tǒng)只需對SPI口進(jìn)行操作即可實(shí)現(xiàn)與家電通信。實(shí)現(xiàn)了家電以家庭網(wǎng)關(guān)為中介與Internet在物理層互聯(lián)的三個通路：PC通過LAN經(jīng)由Internet連接到基本系統(tǒng)的以太網(wǎng)口、PC通過Modem經(jīng)由公司電話網(wǎng)與嵌入式Modem相連再到UART1、電話機(jī)經(jīng)過公用電話網(wǎng)經(jīng)語音卡連到UART1。
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2 uClinux嵌入式操作系統(tǒng)
操作系統(tǒng)選用uClinux。它是一個完全符合GNU（GNU’s Not Unix，自由軟件基金會）/GPL（General Pulic License，通用公共許可證）公約的完全開放代碼項(xiàng)目，是標(biāo)準(zhǔn)Linux的一個分支，現(xiàn)在由Lineo公司支持維護(hù)。它專門針對沒有MMU的CPU，并且專為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作。
UClinux經(jīng)過對標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核的改動，形成了一個高度優(yōu)化的、代碼緊湊的嵌入式Linux。雖然它的體積很小，但uClinux仍然保留了Linux的大多數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、完備的對各種文件系統(tǒng)的支持以及標(biāo)準(zhǔn)豐富的API。它的主要特片如下：
①在linux-2.4.x/driver/char/Makefile添加1行：obj_$(CONFIG_SPI)+=SPI.0。在24行obj-y+=mem.o tty_io.o后加PI.o。
②在linux-2.4.x/driver/char/Config.in，添加1行：bool'SPI'CONFIG_SPI便于在make me nuconfig時選擇。
③在linux-2.4.x/driver/char/mem.c在文件頭部添加：#ifdef CONFIG_SPI /*編譯時選擇該項(xiàng)就執(zhí)行SPI的初始化函數(shù)*/
extern void SPI_init(void);
#endif
在chr_dev_init()函數(shù)添加：#ifdef CONFIT_SPI
SPI_init();
#endif
④修改vendor/Samsung/4510b/Makefile,建立起設(shè)備節(jié)點(diǎn)。
在12～35行間，DEVICE部分添加內(nèi)容SPI，c,29,0。SPI是設(shè)備名，c代表字符設(shè)備，29是SPI的主設(shè)備號，0是SPI的次設(shè)備號。⑤make menuconfig時選中SPI編譯，然后直載。
啟動后，會看到/proc/devinces中字符設(shè)備多了一項(xiàng)SPI 29。
S3C4510B有18個通用I/O口，其中高10位可設(shè)置為其它功能口。在該系統(tǒng)中，設(shè)置P8為中斷接收線，P11模擬主機(jī)輸出線MOSI，P12模擬主機(jī)時鐘SCK，P13模擬主機(jī)輸入線MISO。P8口用于接收PTR3000的發(fā)送請求信號。當(dāng)P8口接收到請求信號時，系統(tǒng)進(jìn)入中斷處理。中斷處理進(jìn)程喚醒睡在睡眠隊列SPI_WAIT上的讀進(jìn)程，讀進(jìn)程由P12口輸出SCK信號并由P13口讀入數(shù)據(jù)。值得說明的是，SPI不帶中斷線，在此用P8口做中斷接收線是為了避免操作系統(tǒng)在沒有進(jìn)行SPI操作時不斷向SCK線發(fā)時鐘信號。因此，MSP430F147IPM必須另外與S3C4510B連一個引腳在請求發(fā)送數(shù)據(jù)時發(fā)出中斷接收線是為了避免操作系統(tǒng)在沒有進(jìn)行SPI操作時不斷向SCK線發(fā)時鐘信號。因此，MSP430F147IPM必須另外與S3C4510B連一個引腳在請求發(fā)送數(shù)據(jù)時發(fā)出中斷請求信號。實(shí)現(xiàn)過程如下：
Static wait_queue_head_wait; //休眠隊列
//讀函數(shù)
static ssize_t SPI_onlyread(struct file*file,char *buf,size_t count,loff_t *ppos)
{
interruptible_sleep_on(&SPI_wait); //讀進(jìn)程睡眠等待讀中斷信號
if(count>BUFNUM)count=BUFNUM;
for(num=0;num<count;num++){
for(i=0;i<8;i++){
iopdata=iopdata^0x1000; //時鐘輸出
SPI_read[num]=SPI_read[num]+((iopdata&0x2000)>>(12-i)); //數(shù)據(jù)輸入
}
}
if(copy_to_user(buf,&SPI_read,count)) //數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間拷貝到用戶這間
return-EFAULT;
return count;
}
//寫函數(shù)
static ssize_t SPI_onlywrite(struct file *file,const char *buf,size_t count,loff_t *ppos)
{
if(count>BUFNUM)count=BUFNUM;
if(copy_from_user(&SPI_write,buf,count)) //數(shù)據(jù)從用戶空間拷貝到內(nèi)核空間
return-EFAULT;
for(num=0;num<count;num++){
for(i=0;i<8;i++){
iopdata=((SPI_write[num]&0x1)<<11)+(iopdata&0xfffff7ff);
SPI_write[num]=SPI_write[num]>>1;
iopdata=iopdata^0x1000; //時鐘輸出
}
}
return count;
}
//中斷響應(yīng)函數(shù)
static int SPI_irq(int irq,void *dev_id,struct pt_regs *regs)
{
intpnd=intpnd|0X1; //清中斷位
wake_up_interruptible(&SPI_wait); //喚醒睡眠隊列
return
1;
}
//字符設(shè)備驅(qū)動接口
static struct file_operations SPI_fops={
owner; THIS_MODULE,
read: SPI_onlyread,
write: SPI_onlywrite,
};
//初始化函數(shù)
int_init SPI_init(void)
register_chrdev(29,"SPI"&SPI_fops);//設(shè)備注冊函數(shù)
init_waitqueue_head(&SPI_wait);
if(!request_irq(0,SPI_irq,SA_SAMPLE_RANDOM,"SPI"NULL)){ //中斷申請
return-EFAULT;
}
iopmod=(iopmod&0xffffe7ff)=0x1800+iopmod; //設(shè)置通用I/O口模式
iopcon=(iopcon&0xffffffe0)+0xle+iopcon;//設(shè)置通用I/O模式
enable_irq(0); //開中斷
return 0;
}
module_init(SPI_init);
MODULE_LICENSE("GPL);
EXPORT_NO_SYMBOLS;
結(jié)語
實(shí)驗(yàn)證明，模擬的SPI口接收發(fā)送數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。用戶程序可以以設(shè)備文件的形式進(jìn)行訪問，與標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口無異。該方案對于嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)的研究，以及運(yùn)用uClinux作為操作系統(tǒng)的嵌入式模擬通信接口，有一定的參考價值。
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