基于ARM9的linux2.6内核下CF卡的驱动设计与应用

基于ARM9的linux2.6内核下CF卡的驱动设计与应用曹理发，尹勇武汉理工大学信息工程学院，湖北武汉（430070）E-mail:xiaocao1114@摘要：本文在分析LINUX内核下驱动程序结构的基础上，对CF卡的工作原理进行介绍，实现了IDE模式CF卡的驱动并成功应用在H.264视频处理系统中。

同时，文中给出了硬件接口图及软件设计思想。

关键词：ARM9,CF卡；LINUX操作系统；驱动设计1. 引言Linux是开放源代码的操作系统, 由于其高效稳定、执行速度快、实现了真正的多任务、多用户环境、强大的网络功能、较好的可裁减性与移植性等特点, 在嵌入式系统领域获得了飞速发展。

针对ARM 体系结构CPU开发的, 具有MMU功能的嵌入式Linux 操作系统无疑是ARM 平台上操作系统的最佳选择。

CF（Compact Flash）卡,是一种移动存储卡,在许多便携式电子产品,如PDA、数码相机、便携式多媒体播放器中广泛应用。

CF卡模拟硬盘的工作原理,但内部没有机械机构,因此可靠性比硬盘好。

CF卡的功耗也比硬盘小很多,大概为硬盘功耗的5%。

随着闪存技术的发展,CF 卡的最大容量已经突破了10Gbyte。

虽然CF卡单位容量价格比比不上硬盘,但由于其功耗低、速度快、重量轻、兼容性好,很适合那些既要求大容量存储同时也对功耗很敏感的嵌入式系统。

在CF卡设备开发中,有些处理器本身集成了CF卡控制器,如Intel公司的pxa255、pxa270处理器,Atmel公司的AT91RM9200处理器等[1]。

这类处理器与CF卡的接口比较容易实现。

但是很多处理器并没有集成CF控制器,如三星公S3C44B0X、S3C2410等。

这类处理器要实现CF 卡接口功能,必须利用CPU未用端口和附加的电路来进行逻辑扩展。

本文就是基于此展开研究的，成功开发了IDE模式的CF卡的驱动并应用于H.264视频处理系统中。

2. LINUX设备驱动结构Linux支持三类硬件设备:字符设备、块设备和网络设备。

字符设备是指无须缓存直接按字节读写的设备。

块设备以块为单位进行读写, 能够进行随机访问。

网络设备在Linux 里有专门的处理, 它没有被映射到文件系统的设备节点, 对它的访问采用socket机制。

字符设备与块设备的主要区别是:在对字符设备发出读/写请求时, 实际的硬件I/O一般紧接着发生;块设备是利用一块系统内存作缓冲区来进行实际的I/O操作[2]。

在Linux中,几乎所有的内容都是文件, 对设备驱动的访问也是以文件操作的方式实现。

无论是字符设备还是块设备, 用户对设备的操作都是通过虚拟文件系统(VFS)转化为设备驱动与硬件操作例程的交互。

即使是访问网络设备的socket接口,也是通过VFS实现的。

Linux 通过VFS为用户提供了一个统一的设备访问接口,使用户能够透明地访问设备驱动程序。

所有的硬件设备都可以使用和操作系统调用接口来打开、关闭、读写和I/O 控制, 而驱动程序的主要任务就是实现这些系统调用函数。

Linux系统中的所有硬件设备都使用一种特殊的设备文件来表示。

每个设备文件都有两个设备号:一个是主设备号,它用来标识该设备的种类,也标识该设备使用的驱动程序;另一个是次设备号, 用来标识使用同一设备驱动程序的不同硬件设备[3]。

实现一个嵌入式Linux设备驱动的大致流程如下:⑴定义主、次设备号;也可以动态获取。

⑵实现驱动初始化和清除函数,如果驱动程序采用模块方式,则要实现模块初始化和清除函数。

⑶设计所要实现的文件操作,定义file_operations结构。

⑷实现所需的文件操作调用,如read、write等。

⑸实现中断服务函数,并用request_irq向内核注册。

中断并不是每个设备驱动所需要。

⑹将驱动编译到内核或编译成模块,用insmod命令加载。

⑺生成设备节点文件。

Linux 为每个块设备驱动程序准备了一个注册结构device struct,系统中所有的device struct结构都记录在向量表blkdevs中,以主设备号为索引。

该结构的定义如下:static struct{const char name;struct block device operations bdops;} blkdevs[MAX BLKDEV];另外,数组blk size [ ][ ]记录每个设备的大小(以千字节为单位) ,blksize size [ ] [ ]中记录设备所使用的块大小(以字节为单位) , hardsectsize[ ][ ]记录设备的硬件扇区大小(512的2次幂),read ahead[ ]记录在内核预读的扇区数,maxreadahead[ ][ ]记录设备允许预读的最大扇区数,max sectors[ ][ ]记录单个请求的最大尺寸。

块设备向系统注册设备时,必须提供主设备号、设备名称和设备操作集。

Linux为块设备定义的接口操作集是一个block device operations结构,其定义如下:struct block device-operations {int (* open) (struct inode * ,struct file *);int (* release) (struct inode * ,struct file *);int (* ioctl) (struct inode * ,struct file *,unsigned, unsigned long);int (* check media change) (kdev_t);int (* revalidate)(kdev_t);};块设备驱动程序一般要提供open、realese和ioctl等3个接口函数来完成对设备的打开、释放和控制处理。

3. CF卡驱动硬件接口图1 CF卡内部基本结构CF卡标准是由CFA (Compact Flash Asso2ciation)协会制定。

该标准规定了CF卡的电气规范、物理规范以及命令集等。

在电气规范上,CF卡兼容PCMCIA PC Card ATA规范和IDE 接口标准的ATA/ATAPI24规范。

因此,CF卡可以工作在与PCMCIA Card 兼容的PC Card Memory、PC Card I/O模式以及与IDE 硬盘接口兼容的TRUE IDE模式。

CF卡可分为CF存储卡和CF+卡。

CF+卡是CF卡功能的延伸,属于I/O卡,如CF无线网卡、CF Modem、CF串口卡、CF接口的微型硬盘等。

本文主要应用的是CF存储卡,它的内部由Compact Flash卡控制器和闪存模组(一般是Nandflash 模块)构成。

Compact Flash卡控制器是CF卡的核心,管理着接口协议转换、数据存储和恢复、错误校正、错误处理以及电源管理和时钟控制等。

控制器本身是一个嵌入式系统,图1是它的内部基本结构。

CF卡内的控制器有缓存(SRAM)、电源管理单元(PMU)、微控制器(MCU),还有用于存放固件(firmware)的嵌入式闪存(Embedded Flash)。

MCU是Compact Flash卡控制器的核心,内部实现闪存控制器和ATA控制器。

MCU通过ATA 控制器接收来自host的信息,然后在firmware程序的控制下,把这些信息翻译为数据或者控制信号,从而完成对闪存的操作或卡的管理。

由于S3C2410没有提供标准的IDE接口，采用数据线和地址线以及附加的电路进行扩展，具体的硬件电路见图2。

表1是IDE设备的寄存器地址的定义，结合硬件接口电路可以得到各个寄存器的物理地址。

表1 IDE设备的寄存器地址CS1 CS0 A2 A1 A0 读取写入位数/位1 0 0 0 0 数据寄存器数据寄存器161 0 0 0 1 错误寄存器特征寄存器81 0 0 1 0 扇区数寄存器扇区数寄存器81 0 0 1 1 扇区号寄存器扇区号寄存器81 0 1 0 0 柱面号寄存器（低字节）柱面号寄存器（低字节）81 0 1 0 1 柱面号寄存器（高字节）柱面号寄存器（高字节）81 0 1 1 0 驱动器选择/磁头寄存器驱动器选择/磁头寄存器81 0 1 1 1 状态寄存器命令寄存器8 0 1 1 1 0 状态寄存器设备控制寄存器84. CF卡驱动软件设计在 CF卡内，有一个集成的片上控制器，当主机正确地驱动CF卡后，用户就可以像使用磁盘一样方便地利用CF卡存储数据。

一般地，CF卡分为3种寻址访问模式，每一种模式在系统上反映为如何来访问其地址空间。

通过对CF卡的属性存储空间进行配置，可以得到CF卡的不同的寻址访问模式：(1) I/O模式：通过访问CF卡的内部IO寄存器所指向的16字节数据块，实现对CF卡的通用存储空间进行寻址访问，一般利用系统提供的中断进行读写事务处理。

(2) Memory模式：将CPU与CF卡的地址线和数据线进行直连，通过访问其通用存储空间的16字节数据块来实现对CF卡的寻址访问。

(3) True IDE模式（与大多数磁盘驱动器兼容）：将标准的PC-ATA磁盘I/O寻址空间1F0h-1F7h、3F6h-3F7h (primary)或者 170h-177h、 376h-377h (secondary)作为寻址端口, 同时使用中断IRQ进行事务处理。

由于LINUX操作系统自带IDE硬盘的底层驱动，开发驱动时只需要把CF当作硬盘，所以选择了IDE模式。

在物理上CF卡为50针的接口，在IDE模式下的CF卡接口主要包括：16根数据线、3根地址线、2根寄存器组选择信号线（CS0、CS1）、数据的读/写线（IORD、IOWR）、1根中断信号请求线（INTRQ）和1根复位线（RESET）。

它们的特性和时序与IDE接口完全相同，所以，CF卡可作为一个IDE设备直接与IDE适配器连接。

LINUX2.6内核相对于2.4内核，IDE驱动程序的底层接口基本没有什么变化，使用函数ide_register_hw注册IDE适配器驱动程序，在加载的方式上有所变化。

取消了ide_init_ default_hwifs函数，而使用驱动程序统一的模板module_init函数来加载IDE设备驱动程序，这使得驱动程序更容易实现模块化加载和对IDE设备热拔插的软件支持[4]。

在驱动程序中涉及到三个地址：IDE设备基地址，数据端口基地址，IDE控制端口地址。

#define CF_IDE_BASE_PHYS (0x08000000)#define CFIDE_CTRL_OFFSET 0x1c#define CFIDE_DATA_OFFSET 0x20一个中断：#define IRQ_IDE IRQ_EINT6IDE模式CF卡注册函数如下：cfide_register(unsigned int data_port, unsigned int ctrl_port, int irq, ide_hwif_t **hwif){hw;hw_regs_ti;intmemset(&hw, 0, sizeof(hw));for (i =IDE_DATA_OFFSET; i <= IDE_STATUS_OFFSET; i++) {hw.io_ports[i] =(unsigned long)data_port;data_port +=2;}hw.io_ports[IDE_CONTROL_OFFSET] =ctrl_port;hw.irq =irq;hw.dma=NO_DMA;ide_register_hw(&hw, hwif);return 0;}LINUX系统在初始化时会调用module_init(cfide_init)，在这个函数中将实际的寄存器物理地址作为实参带入到cfide_register（）函数。