Lab GPIO:嵌入式硬體平台輸出入實驗

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群伏
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1 Lab GPIO: 嵌入式硬體平台輸出入實驗課程 : 嵌入式系統與軟體工程開發學校 : 台大電機系王勝德教授

2 Outline 1. 實驗器材 2. 實驗所需軟體 3. 簡介 4. 背景知識 5. 延伸討論

3 實驗器材 PC x 2 Requirement: PC or Notebook computer 一台安裝 WindowsXP, 另一台安裝 Linux (CentOS). DMA-2440 開發平台支援 WINCE 和 Linux 嵌入作業系統製造商 : 長高科技股份有限公司 DMATEK Co.,Ltd TEL: (04) FAX: (04) 台中市西屯區文心路三段號 6 樓

4 實驗所需軟體 Toolchain 安裝在 Linux 環境之下 ( 交叉編譯用 ) Winscp 安裝在 Windows 環境之下 (File transfer between Linux and Windows) keypad.c, led.c,led.h, Makefile 包含在 src files 資料夾內 kernel source (linux ) 在光碟內可取得, 建議安裝在 /root/linux

5 簡介 DMA-2440 有 8 個按鍵 (SW1...SW8) and 4 個 LEDs (LED1...LED4) 驅動程式的源碼有 keypad.c led.c led.h and a Makefile 和相對應的 keypad.ko and led.ko 在此實驗會用到當某一個鍵被按下, 相對應的 IRQ 會被觸發而導至 IRQ service routine 去開或關相對應的 LEDs

6 背景知識 1. Linux Interrupt Handling 1. Interrupt 概觀 2. 一般 interrupt 的處理流程 ( 以 shared IRQ 為例 ) 2. Keypad Driver Design 3. Interrupt Service Routines 4. Recognizing buttons 5. Testing on DMA-2440 board

7 Linux Interrupt Handling(1/8) 1. Interrupt 概觀 Interrupt lines 是相當珍貴而且有限的資源, 特別是在只有 15 或 16 條 interrupt lines 的 x86 機器上 Linux kernel 內部會有一個 "interrupt register table, 記載 registry of interrupt lines 和 interrupt handler 間的對應要使用 IRQ (interrupt request) 的模組之前, 必須先向 kernel 登記特定的 IRQ, 並且在使用完畢後釋放該 IRQ request_irq() free_irq() declared in < include/linux/sched.h >, 可分別用來註冊及釋放 IRQ, 此外 request_irq() 也做安裝 interrupt handler 的工作

8 Linux Interrupt Handling(2/8) 在 Linux 底下,/proc/interrupts 記錄目前 IRQ 使用的情況,e.g. 一般常見的裝置 (e.x. serial parallel) 都有其固定且可能的 IRQ 數值其他裝置也可藉由試誤法 (try & error), 經由 kernel 輔助, 或是驅動程式自行擁有一段程式去測試可用的 IRQ 一般而言, 系統內 interrupt 的數量 (NR_IRQS) 定義於 <asm-arm/irq.h > <fixup_irq() ; defined in asm/arch/irq.h>

9 Linux Interrupt Handling(3/8) 2. 一般 interrupt 的處理流程 ( 以 shared IRQ 為例 ) Interrupt handling The two main IRQ descriptors : irq_desc_t & irq_action

10 Linux Interrupt Handling(4/8) IRQ descriptors

11 Linux Interrupt Handling(5/8) The irqaction descriptor An irq _desc array includes NR_IRQS irq _desc_t descriptors, which include the following fields: Status A set of flags describing the IRQ line status. Handler Points to the hw_interrupt_type descriptor that identifies the PIC circuit servicing the IRQ line. Action Identifies the interrupt service routines to be invoked when the IRQ occurs. The field points to the first element of the list of irqaction descriptors associated with the IRQ. The irqaction descriptor is described briefly later in the chapter.

12 Linux Interrupt Handling(6/8) The irqaction descriptor As described earlier, multiple devices can share a single IRQ. Therefore, the kernel maintains irqaction descriptors, each of which refers to a specific hardware device and a specific interrupt. The descriptor includes the following fields. Handler Points to the interrupt service routine for an I/O device. This is the key field that allows many devices to share the same IRQ. Flags Describes the relationships between IRQ line and I/O device in a set of flags:

13 Linux Interrupt Handling(7/8) SA_INTERRUPT The handler must execute with interrupts disabled. SA_SHIRQ The device permits its IRQ line to be shared with other devices. SA_SAMPLE_RANDOM The device may be considered as a source of events occurring randomly; it can thus be used by the kernel random number generator. (Users can access this feature by taking random numbers from the /dev/random and /dev/urandom device files.) SA_PROBE The kernel is using the IRQ line while performing a hardware device probe.

14 Linux Interrupt Handling(8/8) Name Names of the I/O device (shown when listing the serviced IRQs by reading the /proc/interrupts file). dev_id The major and minor numbers that identify the I/O device. Next Points to the next element of a list of irqaction descriptors. The elements in the list refer to hardware devices that share the same IRQ.

15 Keypad 線路圖 Keypad Driver Design(1/8)

16 Keypad Driver Design(2/8) 這在線路圖裡有 4 個外部中斷信號源 (EINT0,EINT2,EINT11, EINT19), 初始電位為高電位 VDD_3V3 我們可以將 GPIO PIN,GPB6 和 GBP7 設定為低電位使得當按鍵被按下時, 產生高電位轉低電位的電位轉態, 以作為觸發中斷的來源由線路號我們知道 SW1 和 SW5 有相同的中斷信號 EINT0, 所以我們必需要分辨當按鍵被按下時, 有低電位產生, 是來自 SW1 還是 SW5, 這正是 KEY SCAN 的重點所在以 EINT0 為例, 在 keypad.c 的 kbd_open() 函式中, 我們可以看到 EINT0 為設計為負緣觸發 (IRQT_FALLING IRQ) 的方式

17 初始化 : Keypad Driver Design(3/8) 我們需對 EINTs 和 GBP6,GBP7 的電位作初始化, 以符合我們設計的需求所以我們需要參考相關的資料來設定相關的暫存器的值

18 Keypad Driver Design(4/8) 根據 GPIO controller 的規格書的 Port F 控制暫存器, 我們將 GPF0 設定為 EINT[0] 而且 GPF2 為 EINT[2] 形式在 G ports 裡, 我們將 GPG3 設定為 EINT[11] 而 GPF11 為 EINT[19] 形式

19 Keypad Driver Design(5/8)

20 Keypad Driver Design(6/8) 步驟 1: 在 keypad.c 裡的 kdc_init(void) 函式內加入以下的程式碼我們需將 GPB6 和 GPB7 也作相關的設定, 根據 Port B 的表格, 我們設定 GBP6 和 GPB7 為輸出信號的形式, 並且將其電位設定為低電位

21 Keypad Driver Design(7/8)

22 步驟 2: Keypad Driver Design(8/8) 在 keypad.c 裡的 kdc_init(void) 函式內加入以下的程式碼,

23 Interrupt Service Routines(1/3) 初始化之後, 註冊 ISRs, 概述一下 ISRs 需要做哪些事情 : a. 設定 EINT 為輸入形式, 以便之後的讀取使用 b. 呼叫副程式 test_row (KBD_DEV *kbd,int col), 其中參數 col = 0 for EINT0,col=1 for EINT2, 以此類推 c. 副程式 test_row 將辨認哪個按鍵被按下, 且將相對應的 LED 燈點亮或關閉 d. 執行 test_row 後, 將 EINT 設定回 EINT 形式且回傳 IRQ_HANDLED

24 步驟 3: Interrupt Service Routines(2/3) 在 keypad.c 裡的 isr_kdb_eint0 函式內加入以下的程式碼

25 Interrupt Service Routines(3/3) 其中的涵意為 : Step a: 第 229 至 232 行 Step b and c: 第 236 行 Step d: 244 行請參考上面程式碼寫法, 將 EINT2,EINT11 EINT19 初始化

26 Recognizing buttons(1/4) 稍早我們提及到 KEY SCAN 為辨認哪個按鍵被按下, 現在我們來討論它的機制為何我們再觀察一下線路圖, 以 EINT0 為例

27 Recognizing buttons(2/4) 當 EINT0 拉至低電位將導致寫進入 ISR, 而去呼叫副程式 test_row 此時, EINT0 的電壓值為零因為 SW1 或 SW5 被按下了 (GPB6 和 GPB7 初始化為低電位 ) 以下方式為辨認哪個按鍵被按下了 : a. 首先將 GPB6 設為 1 (high voltage). b. 再去讀 EINT0 的電位值 c. 再將 GPB6 設回 0 (ground) 在 step a, 由於 GPB6 被設為 1, 假如是 SW1 被按下則 EINT0 得到的電位值就會是 1 倘若是 SW5 被按下則 EINT0 得到的電位值會是 0 同理, 以此類推, 我們將可以辨認出 8 個按鍵的事件

28 Recognizing buttons(3/4) 為什麼這樣的機制可以工作, 這是因為 software function call 的回應時間為瞬間, 在我們按下按鍵的那一瞬間, 就執行完了所以在按鍵被下時, 我們可以借由將 GPB6 設為 1, 再去讀 EINT0 去判別之 LEDs 的開 / 關這是 LED 的線路圖, 若 LED 要亮燈則另一端需為低電位,

29 Recognizing buttons(4/4) 步驟 4: 在 keypad.c 的 test_row 函式內加入以下的程式碼 :( 此為 LED1 的例子, 請將其他的 LED 和對應的 SW, 仿以下的方式, 加入其程式碼 ) SW1 : turn on LED1,SW2 :turn on LED2, SW3 :turn on LED3,SW4 : turn on LED4 SW5 : turn off LED1,SW6 :turn off LED2, SW7 :turn off LED3,SW8 :turn off LED4

30 步驟 5: Testing on DMA-2440 board(1/6) 使用 Makefile 將 keypad.c 交叉編譯,

31 Testing on DMA-2440 board(2/6) ***** 其中 S3C2440_KERNEL_DIR 為核心目錄的路徑 ***** a. 將編譯好的 keypad.ko 和 led.ko 下載到開發板上, 利用 chmod 指令更改權限, 然後 insmod 且 mknod, 其中 led major number 為 203 而 keypad major number 為 210

32 Testing on DMA-2440 board(3/6) b. 執行指令 cat /dev/keypad 測試驅動程式在下圖, 我們可以看到當我們按下按鍵, 相對應的 LED 會被點亮, 程式可以清楚的判斷出按鍵與 LED 的對應關係

33 Testing on DMA-2440 board(4/6)

34 Testing on DMA-2440 board(5/6) SW1 : turn on LED1 SW2 : turn on LED2 SW3 : turn on LED3 SW4 : turn on LED4 SW5 : turn off LED1 SW6 : turn off LED2 SW7 : turn off LED3 SW8 : turn off LED4

35 Testing on DMA-2440 board(6/6) 由下圖, 我們可以看到在 DMA-2440 板子上按鍵和 LED 的行為 a. 初始化 b. 當 SW5 被按下,LED 1 關閉 c. 當 SW5 SW6 SW7 SW8 都被按下,LED 1 -LED4 全部關閉

36 延伸討論 1. 在註冊 IRQ 的時候, 我們是在 kbd_open() 函式中去實作它然而, 我們也可以把 IRQ 的註冊寫在 kbd_init() 函式裡, 如此一來當我們驅動裝置的時候 ( 步驟 5.a) 就可以將 IRQ 註冊的步驟完成試比較和思考其中的差別 2. 請嘗試其它種類按鍵與 LED 燈的組合如 : 跑馬燈

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