嵌入式Linux之我行——S3C2440上ADC驱动实例开发讲解

嵌入式Linux之我行，主要讲述和总结了本人在学习嵌入式linux中的每个步骤。一为总结经验，二希望能给想入门嵌入式Linux的朋友提供方便。如有错误之处，谢请指正。

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一、开发环境

• 主  机：VMWare--Fedora 9
• 开发板：Mini2440--64MB Nand, Kernel:2.6.30.4
• 编译器：arm-linux-gcc-4.3.2

二、硬件原理分析
                               S3C2440内部ADC结构图

我们从上面的结构图和数据手册可以知道，该ADC模块总共有8个通道可以进行模拟信号的输入，分别是AIN0、AIN1、AIN2、AIN3、YM、YP、XM、XP。那么ADC是怎么实现模拟信号到数字信号的转换呢？首先模拟信号从任一通道输入，然后设定寄存器中预分频器的值来确定AD转换器频率，最后ADC将模拟信号转换为数字信号保存到ADC数据寄存器0中(ADCDAT0)，然后ADCDAT0中的数据可以通过中断或查询的方式来访问。对于ADC的各寄存器的操作和注意事项请参阅数据手册。

上图是mini2440上的ADC应用实例，开发板通过一个10K的电位器(可变电阻)来产生电压模拟信号，然后通过第一个通道(即：AIN0)将模拟信号输入ADC。

三、实现步骤

ADC设备在Linux中可以看做是简单的字符设备，也可以当做是一混杂设备(misc设备)，这里我们就看做是misc设备来实现ADC的驱动。注意：这里我们获取AD转换后的数据将采用中断的方式，即当AD转换完成后产生AD中断，在中断服务程序中来读取ADCDAT0的第0-9位的值(即AD转换后的值)。

1、建立驱动程序文件my2440_adc.c，实现驱动的初始化和退出，代码如下：

#include <linux/errno.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/input.h>
#include <linux/serio.h>
#include <linux/clk.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <asm/io.h>
#include <asm/irq.h>
#include <asm/uaccess.h>

/*定义了一个用来保存经过虚拟映射后的内存地址*/
static void __iomem *adc_base;

/*保存从平台时钟队列中获取ADC的时钟*/
static struct clk *adc_clk;

/*申明并初始化一个信号量ADC_LOCK，对ADC资源进行互斥访问*/
DECLARE_MUTEX(ADC_LOCK);

static int __init adc_init(void)
{
    int ret;

    /*从平台时钟队列中获取ADC的时钟，这里为什么要取得这个时钟，因为ADC的转换频率跟时钟有关。
    系统的一些时钟定义在arch/arm/plat-s3c24xx/s3c2410-clock.c中*/
    adc_clk = clk_get(NULL, "adc");
    if (!adc_clk) 
    {
        /*错误处理*/
        printk(KERN_ERR "failed to find adc clock source\n");
        return -ENOENT;
    }

    /*时钟获取后要使能后才可以使用，clk_enable定义在arch/arm/plat-s3c/clock.c中*/
    clk_enable(adc_clk);

    /*将ADC的IO端口占用的这段IO空间映射到内存的虚拟地址，ioremap定义在io.h中。
     注意：IO空间要映射后才能使用，以后对虚拟地址的操作就是对IO空间的操作,
     S3C2410_PA_ADC是ADC控制器的基地址，定义在mach-s3c2410/include/mach/map.h中，0x20是虚拟地址长度大小*/
    adc_base = ioremap(S3C2410_PA_ADC, 0x20);
    if (adc_base == NULL) 
    {
        /*错误处理*/
        printk(KERN_ERR "Failed to remap register block\n");
        ret = -EINVAL;
        goto err_noclk;
    }

    /*把看ADC注册成为misc设备，misc_register定义在miscdevice.h中
     adc_miscdev结构体定义及内部接口函数在第②步中讲,MISC_DYNAMIC_MINOR是次设备号，定义在miscdevice.h中*/
    ret = misc_register(&adc_miscdev);
    if (ret) 
    {
        /*错误处理*/
        printk(KERN_ERR "cannot register miscdev on minor=%d (%d)\n", MISC_DYNAMIC_MINOR, ret);
        goto err_nomap;
    }

    printk(DEVICE_NAME " initialized!\n");

    return 0;

//以下是上面错误处理的跳转点
err_noclk:
    clk_disable(adc_clk);
    clk_put(adc_clk);

err_nomap:
    iounmap(adc_base);

    return ret;
}

static void __exit adc_exit(void)
{
    free_irq(IRQ_ADC, 1);    /*释放中断*/
    iounmap(adc_base);       /*释放虚拟地址映射空间*/

    if (adc_clk)             /*屏蔽和销毁时钟*/
    {
        clk_disable(adc_clk);    
        clk_put(adc_clk);
        adc_clk = NULL;
    }

    misc_deregister(&adc_miscdev);/*注销misc设备*/
}

/*导出信号量ADC_LOCK在触摸屏驱动中使用，因为触摸屏驱动和ADC驱动公用
  相关的寄存器，为了不产生资源竞态，就用信号量来保证资源的互斥访问*/
EXPORT_SYMBOL(ADC_LOCK);

module_init(adc_init);
module_exit(adc_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Huang Gang");
MODULE_DESCRIPTION("My2440 ADC Driver");

2、adc_miscdev结构体定义及内部各接口函数的实现，代码如下：

#include <plat/regs-adc.h>

/*设备名称*/
#define DEVICE_NAME    "my2440_adc"

/*定义并初始化一个等待队列adc_waitq，对ADC资源进行阻塞访问*/
static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(adc_waitq);

/*用于标识AD转换后的数据是否可以读取，0表示不可读取*/
static volatile int ev_adc = 0;

/*用于保存读取的AD转换后的值，该值在ADC中断中读取*/
static int adc_data;

/*misc设备结构体实现*/
static struct miscdevice adc_miscdev = 
{
    .minor   = MISC_DYNAMIC_MINOR, /*次设备号，定义在miscdevice.h中，为255*/
    .name    = DEVICE_NAME,        /*设备名称*/
    .fops    = &adc_fops,          /*对ADC设备文件操作*/
};

/*字符设备的相关操作实现*/
static struct file_operations adc_fops = 
{
    .owner    = THIS_MODULE,
    .open     = adc_open,
    .read     = adc_read,    
    .release  = adc_release,
};

/*ADC设备驱动的打开接口函数*/
static int adc_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    int ret;

    /*申请ADC中断服务，这里使用的是共享中断:IRQF_SHARED,为什么要使用共享中断，因为在触摸屏驱动中
     也使用了这个中断号。中断服务程序为:adc_irq在下面实现，IRQ_ADC是ADC的中断号，这里注意：
     申请中断函数的最后一个参数一定不能为NULL，否则中断申请会失败，如果中断服务程序中用不到这个
     参数，就随便给个值就好了，我这里就给个1*/
    ret = request_irq(IRQ_ADC, adc_irq, IRQF_SHARED, DEVICE_NAME, 1);
    if (ret) 
    {
        /*错误处理*/
        printk(KERN_ERR "IRQ%d error %d\n", IRQ_ADC, ret);
        return -EINVAL;
    }

    return 0;
}

/*ADC中断服务程序，该服务程序主要是从ADC数据寄存器中读取AD转换后的值*/
static irqreturn_t adc_irq(int irq, void *dev_id)
{
    /*保证了应用程序读取一次这里就读取AD转换的值一次，
     避免应用程序读取一次后发生多次中断多次读取AD转换值*/
    if(!ev_adc) 
    {
        /*读取AD转换后的值保存到全局变量adc_data中，S3C2410_ADCDAT0定义在regs-adc.h中，
         这里为什么要与上一个0x3ff，很简单，因为AD转换后的数据是保存在ADCDAT0的第0-9位，
         所以与上0x3ff(即：1111111111)后就得到第0-9位的数据，多余的位就都为0*/
        adc_data = readl(adc_base + S3C2410_ADCDAT0) & 0x3ff;

        /*将可读标识为1，并唤醒等待队列*/
        ev_adc = 1;
        wake_up_interruptible(&adc_waitq);
    }

    return IRQ_HANDLED;
}

/*ADC设备驱动的读接口函数*/
static ssize_t adc_read(struct file *filp, char *buffer, size_t count, loff_t *ppos)
{
    /*试着获取信号量(即：加锁)*/
    if (down_trylock(&ADC_LOCK)) 
    {
        return -EBUSY;
    }

    if(!ev_adc)/*表示还没有AD转换后的数据，不可读取*/
    {
        if(filp->f_flags & O_NONBLOCK)
        {
            /*应用程序若采用非阻塞方式读取则返回错误*/
            return -EAGAIN;
        }
        else/*以阻塞方式进行读取*/
        {
            /*设置ADC控制寄存器，开启AD转换*/
            start_adc();

            /*使等待队列进入睡眠*/
            wait_event_interruptible(adc_waitq, ev_adc);
        }
    }

    /*能到这里就表示已有AD转换后的数据，则标识清0，给下一次读做判断用*/
    ev_adc = 0;

    /*将读取到的AD转换后的值发往到上层应用程序*/
    copy_to_user(buffer, (char *)&adc_data, sizeof(adc_data));

    /*释放获取的信号量(即：解锁)*/
    up(&ADC_LOCK);

    return sizeof(adc_data);
}

/*设置ADC控制寄存器，开启AD转换*/
static void start_adc(void)
{
    unsigned int tmp;

    tmp = (1 << 14) | (255 << 6) | (0 << 3);/* 0 1 00000011 000 0 0 0 */
    writel(tmp, adc_base + S3C2410_ADCCON); /*AD预分频器使能、模拟输入通道设为AIN0*/

    tmp = readl(adc_base + S3C2410_ADCCON);
    tmp = tmp | (1 << 0);                 /* 0 1 00000011 000 0 0 1 */
    writel(tmp, adc_base + S3C2410_ADCCON); /*AD转换开始*/
}

/*ADC设备驱动的关闭接口函数*/
static int adc_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    return 0;
}

注意：在上面实现的每步中，为了让代码逻辑更加有条理和容易理解，就没有考虑代码的顺序，比如函数要先定义后调用。如果要编译此代码，请严格按照C语言的规范来调整代码的顺序。

3、编写用户应用程序测试my2440_adc驱动。建立应用程序adc_test.c，代码如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>

int main(int argc, char **argv)
{
    int fd;

    //以阻塞方式打开设备文件，非阻塞时flags=O_NONBLOCK
    fd = open("/dev/my2440_adc", 0);

    if(fd < 0)
    {
        printf("Open ADC Device Faild!\n");
        exit(1);
    }

    while(1)
    {
        int ret;
        int data;
        
        //读设备
        ret = read(fd, &data, sizeof(data));

        if(ret != sizeof(data))
        {
            if(errno != EAGAIN)
            {
                printf("Read ADC Device Faild!\n");
            }

            continue;
        }
        else
        {
            printf("Read ADC value is: %d\n", data);
        }
    }

    close(fd);

    return 0;
}


4、将驱动程序下载挂载到内核，下载应用程序到开发板上后，运行应用程序，扭动mini2440开发板上的定位器，可以观察到ADC转换值的变化，证明驱动程序工作正常。效果图如下：