1  引言

　　新設備及新的接口規范等的不斷出現，使得操作系統的設備驅動部分的開發工作層出不窮。我們在基于嵌入式Linux智能控制器的開發中，首先遇到了LonWorks現場總線設備的驅動程序問題。于是我們對Linux的驅動程序實現機制進行了深入研究，并開發了LonWorks現場總線設備的驅動程序。

　　2  關于LonWorks現場總線

　　現場總線是一種工業數據總線，是連接智能現場設備和自動化系統的高可靠的數字式、雙向傳輸的通信技術，可方便地構成全數字化的分布式現場控制網絡。對于防護工程這種工程軸線長、監控測點分散的系統，特別適合采用現場總線技術構成工程的分布式智能化控制系統。

　　在各種現場總線中，LonWorks總線技術以其在技術先進性、可靠性、開放性、拓撲結構靈活性等方面獨特的優勢，為集散式監控系統提供了很強的實現手段。使其特別適合于建筑的樓宇自動化系統。根據防護工程是一種特殊的地下建筑工程以及其布局特點，特別適合采用LonWorks現場總線技術實現其內部設備的自動化監控。

　　網絡接口卡是主計算機與LonWorks網絡的接口，使計算機能夠完成與LonWorks節點之間的數據交換。在我們設計的智能控制器中，采用專門的嵌入式LonWorks現場總線接口卡作為嵌入式CPU與Lon- Works現場總線網絡之間的接口設備。

　　2.1  LonWorks現場總線網卡的原理

　　了解LonWorks現場總線卡的工作原理，對編寫驅動程序是必要的，故我們首先給出其工作原理，并對此作一些必要的解釋。圖1是嵌入式LonWorks網卡的硬件電路方框圖。

　　                      圖1 ISA網卡的硬件電路方框圖

　　過去實現微控制器與ISA總線的接口一般使用8155、8255，電路復雜，調試困難，在本網卡的設計中，使用可編程邏輯陣列(CPLD)來實現與ISA總線的接口邏輯，只用一個芯片就完成了所有功能，大大簡化了網卡的電路。

　　2.2  LonWorks現場總線網卡的工作過程

　　計算機與微控制器之間數據交換接口的應用程序框圖如圖2、3所示。在程序框圖中，主要實現了計算機與微控制器之間讀寫數據、置標志位和清除標志位的功能。CPLD內部實現了存儲數據和標志位的寄存器。

　　                                   圖2  主機寫數據程序框圖

　　                                圖3 從機接收數據程序框圖

　　3  LonWorks現場總線網卡設備驅動實現

　　我們在Linux平臺上開發和設計了LonWorks現場總線網卡的軟件。軟件部分由應用程序和設備驅動程序兩部分構成，這里首先主要討論的是設備驅動程序部分。在Linux平臺上實現對硬件的驅動支持可以有兩種方式:一種是直接在用戶空間來實現;另一種是使用Linux內核中提供的機制來實現。考慮到用戶空間驅動程序的局限性，比如為了訪問特權指令(I/O指令)必須做一些影響系統安全的設置等等，我們在開發中采用了第二種方式。

　　3.1  Linux的可加載模塊機制

　　Linux內核提供了兩種機制來開發設備驅動程序:一種是直接把驅動程序鏈接到內核中:另一種則是通過稱為Linux可加載模塊的機制來開發可動態加載和卸載的驅動模塊。而第一種方式可以在后一種方式成功后，采用與內核一起提供的配置工具和接口來完成。所以，我們只研究可加載模塊機制。

　　Linux作為單核結構其效率比較高，但是系統靈活性不足，為了平衡這兩者的關系，它提供了可動態加載機制。利用這種機制我們可以開發Linux內核模塊，并且可以動態的對它加載和卸載。Linux下的設備驅動程序一般都支持這種方式，且模塊被加載到內核后，它就可以任意的利用核心提供的各種資源和服務了。為了讓模塊利用核心提供的資源，Linux內核維護了一張所有內核資源的符號表(在接下來的部分我們稱它為內核資源符號表)，用于在模塊載入時解決對相應資源的引用問題。并且，Linux允許模塊的堆棧操作，由此一個模塊可以使用其他模塊所提供的資源。也就是說:一個模塊對另一個模塊的資源的使用與其對內核資源的使用非常相似，不同的只是這些服務的資源從屬于另一個模塊而已。每當一個模塊被加載Linux就會有一個修改內核資源符號表的過程，將該模塊所提供的服務和資源加入進去，這樣另一個模塊載入時，如果需要就可以引用這個模塊的資源了。而卸載一個模塊時，就要知道當前模塊是否正在被使用。如果沒有被使用，在卸載時要能夠通知該模塊它將被卸載，以便由它自己釋放已被它占用的系統資源。然后，Linux還要從內核資源符號表中刪除所有該模塊提供的資源和服務。

　　從上面的原理分析可知，內核模塊編寫時應該具有兩個主要的接口函數:init_module()用于在模塊加載時由加載模塊的工具調用，以便于注冊一些必要的服務和申請一些資源。cleanup_module()用于在模塊卸載時由刪除模塊的工具來調用，清除掉由init_module()所做的工作，從而使內核模塊可以安全的卸載。其中對init_module()調用的一種工具是在根用戶執行insmod命令來加載模塊時執行。而對于cleanup_module()的調用是在根用戶使用rmmod命令來卸載模塊時執行。

　　3.2  Linux下設備驅動程序

　　系統調用是操作系統內核和應用程序之間的接口，設備驅動程序是操作系統內核和機器硬件之間的接口。設備驅動程序為應用程序屏蔽了硬件的細節，這樣在應用程序看來，硬件設備只是一個設備文件，可以通過相應的系統調用象操作普通文件一樣對硬件設備進行操作。

　　(1) Linux設備分類

　　Linux系統的設備分為字符設備(char device)，塊設備(block device)和網絡設備(network device)三種。字符設備是指存取時沒有緩存的設備，如系統的串口設備/dev/cua0, /dev/cual。塊設備的讀寫則都有緩存來支持，只能以塊為單位進行讀寫，并且塊設備必須能夠隨機存取(random access)，即不管塊處于設備的什么地方都可以對它進行讀寫，字符設備則沒有這個要求。塊設備主要包括硬盤軟盤設備，CD-ROM等。網絡設備在Linux里做專門的處理。Linux的網絡系統主要是基于BSD unix的socket機制。