如何编写基于ARM的裸机程序和基于Linux的驱动程序

前言

在嵌入式开发中，ADC应用比较频繁，本文主要讲解ADC的基本原理以及如何编写基于ARM的裸机程序和基于Linux的驱动程序。

ARM架构：Cortex-A9 Linux内核：3.14

在讲述ADC之前，我们需要先了解什么是模拟信号和数字信号。

模拟信号

主要是与离散的数字信号相对的连续的信号。模拟信号分布于自然界的各个角落，如每天温度的变化，而数字信号是人为的抽象出来的在时间上不连续的信号。电学上的模拟信号是主要是指幅度和相位都连续的电信号，此信号可以被模拟电路进行各种运算，如放大，相加，相乘等。

模拟信号是指用连续变化的物理量表示的信息，其信号的幅度，或频率，或相位随时间作连续变化，如目前广播的声音信号，或图像信号等。

如下图所示从上到下一次是正弦波、 调幅波、 阻尼震荡波、 指数衰减波 。

数字信号

数字信号指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。二进制码就是一种数字信号。二进制码受噪声的影响小，易于有数字电路进行处理，所以得到了广泛的应用。

数字信号：高清数字电视，MP3，JPG，PNG文件等等。

优点：

1. 抗干扰能力强、无噪声积累

在模拟通信中，为了提高信噪比，需要在信号传输过程中及时对衰减的传输信号进行放大，信号在传输过程中不可避免地叠加上的噪声也被同时放大。

随着传输距离的增加，噪声累积越来越多，以致使传输质量严重恶化。

对于数字通信，由于数字信号的幅值为有限个离散值(通常取两个幅值)，在传输过程中虽然也受到噪声的干扰，但当信噪比恶化到一定程度时，

即在适当的距离采用判决再生的方法，再生成没有噪声干扰的和原发送端一样的数字信号，所以可实现长距离高质量的传输。

2. 便于加密处理

信息传输的安全性和保密性越来越重要，数字通信的加密处理的比模拟通信容易得多，以话音信号为例，经过数字变换后的信号可用简单的数字逻辑运算进行加密、解密处理。

3. 便于存储、处理和交换

数字通信的信号形式和计算机所用信号一致，都是二进制代码，因此便于与计算机联网，也便于用计算机对数字信号进行存储、处理和交换，

可使通信网的管理、维护实现自动化、智能化。

4. 设备便于集成化、微型

数字通信采用时分多路复用，不需要体积较大的滤波器。设备中大部分电路是数字电路，可用大规模和超大规模集成电路实现，因此体积小、功耗低。

5. 便于构成综合数字网和综合业务数字网

采用数字传输方式，可以通过程控数字交换设备进行数字交换，以实现传输和交换的综合。

另外，电话业务和各种非话业务都可以实现数字化，构成综合业务数字网。

6. 占用信道频带较宽

一路模拟电话的频带为4kHz带宽，一路数字电话约占64kHz，这是模拟通信目前仍有生命力的主要原因。随着宽频带信道(光缆、数字微波)的大量利用(一对光缆可开通几千路电话)以及数字信号处理技术的发展(可将一路数字电话的数码率由64kb/s压缩到32kb/s甚至更低的数码率)，数字电话的带宽问题已不是主要问题了。

常用的数字信号编码有不归零（NRZ）编码、 曼彻斯特（Manchester）编码和差分曼彻斯特（Differential Manchester）编码。

数字信号与模拟信号的转化

模拟信号和数字信号之间可以相互转换：模拟信号一般通过PCM脉码调制(Pulse Code Modulation)方法量化为数字信号，

即让模拟信号的不同幅度分别对应不同的二进制值，例如采用8位编码可将模拟信号量化为2^8=256个量级，实用中常采取24位或30位编码；

数字信号一般通过对载波进行移相(Phase Shift)的方法转换为模拟信号。计算机、计算机局域网与城域网中均使用二进制数字信号，

目前在计算机广域网中实际传送的则既有二进制数字信号，也有由数字信号转换而得的模拟信号。但是更具应用发展前景的是数字信号。

PCM脉冲编码调制

脉冲编码调制就是把一个时间连续，取值连续的模拟信号变换成时间离散，取值离散的数字信号后在信道中传输。

脉冲编码调制就是对模拟信号先抽样，再对样值幅度量化， 编码的过程。

抽样：

就是对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。

该模拟信号经过抽样后还应当包含原信号中所有信息，也就是说能无失真的恢复原模拟信号。

量化：

就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示,通常是用二进制表示。

编码：

就是用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值。然而，实际上量化是在编码过程中同时完成的，故编码过程也称为模/数变换，可记作A/D。

ADC

ADC，Analog-to-Digital Converter的缩写，指模/数转换器或者模数转换器。是指将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号的器件。真实世界的模拟信号，例如温度、压力、声音或者图像等，需要转换成更容易储存、处理和发射的数字形式。模/数转换器可以实现这个功能，在各种不同的产品中都可以找到它的身影。

ADC最早用于对无线信号向数字信号转换。如电视信号，长短播电台发接收等。

与之相对应的DAC，Digital-to-Analog Converter，它是ADC模数转换的逆向过程。

现在市场上的电子产品都集成了传感器，传感器要采集数据，他的内部结构里就一定要用到ADC，常见的传感器如下：

   温湿度：温度传感器，DHT11     声音：音频芯片进行录音，WM8906     图像：索尼IMX386/IMX283传感器

Exynos4412 A/D转换器

三星的Exynos4412模块结构图如下所示：

Adc控制器集成在exynos4412 soc中，控制器内部有一根中断线连接到中断控制器combiner，然后路由到GIC（Generic Interrupt Controller），滑动变阻器连接到adc控制器的通道3。

ADC控制器

参考《Exynos 4412 SCP》 的datasheet。

ADC控制器是10位或12位CMOS再循环式模拟数字转换器，它具有10个通道输入，并可将模拟量转换至10位或12位二进制数。5Mhz A/D 转换时钟，最大1Msps的转换速度。A/D转换具备片上采样保持功能，同时也支持待机工作模式。

ADC接口包括如下特性。

10bit/12bit输出位可选。

微分误差 1.0LSB。

积分误差 2.0LSB。

最大转换速率5Msps.

功耗少，电压输入1.8V。

电压输入范围 0~1.8V。

支持偏上样本保持功能。

通用转换模式。

模块图

4412 A/D转换器的控制器接口框图如下：

原理我们并不需要关注，知道即可。

通道选择

由上图可知，A/D控制器一共有4个通道，通用寄存器地址为0x126c0000。

A/D控制器寄存器

对ADC控制器的操作主要是通过配置寄存器来实现的，查看datasheet，必须掌握寄存器的使用。以下是A/D控制器寄存器汇总。

1、A/D控制寄存器ADCCON

RES         : 选择A/D转换精度，0：划分成1024份  1：划分成4096份

ECFLG   ：转换是否结束  0：转换中  1：转换完毕；对于轮询模式需要根据该位判断数据是否转换完毕。

PRSCEN：A/D转换预分频是否使能

PRSCVL：预分频的值，转换公式见下面

STANDBY：待机模式  0：正常工作模式 1：待机模式。处于待机模式时要将PRSCEN设置为0

READ_START: A/D转换由读操作触发，设置为1后，每次读取A/D值的操作都会触发一次A/D转换。

ENABLE_START: 单次开启A/D转换，转换完毕后该位自动清零，当READ_START设置为1的时候，该位无效。

通常设置值为(1 << 16 | 1 << 14 | 99 <<6 | 1 << 1)。

2、A/D转换数据寄存器ADCDAT0

注意该寄存器的值只有低12位有效。

3、A/D清中断寄存器CLRINTADC

黄色部分可知，中断例程负责清中断，中断结束后写入任意值就可以清中断。

4、A/D通道选择寄存器ADCMUX

每次操作都要先设置通道，因为 4个通道是共用同一套寄存器，如果有其他任务也在使用A/D，就会产生混乱。在此我们选择通道3，置3即可。

5、ADC中断ID

参见9.2.2GIC Interrupt Table

由此可知，ADC中断号对应的SPI值是10，inturrupt ID 为42。对于终端查询方式和编写终端的驱动需要知道SPI id和inturrupt ID，后面讲解基于Linux驱动还会再分析设备树节点如何填写。

6、Combiner中断控制器

combiner的配置寄存器：IMSRn、IECRn、ISERn、ISTRn，类似于GPIO 对中断源分组。只有中断模式才需要考虑combiner中断控制器的操作。

7、Combiner分组

参考章节：10.2.1Interrupt Combiner Table 10-1Interrupt Groups of Interrupt Combiner

可见ADC在INTG10，即第10组。

8、Combiner IESR2

参考章节：10.4.2.9IESR2

如果要用中断模式设置为1即可。

9、Combiner IECR2

参考章节：10.4.2.10IECR2

此处用于关闭中断，采用默认值即可，注意，如果设置了1，那么中断功能就关闭了。

10、A/D转换的转换时间计算

例如：PCLK为100MHz,PRESCALER = 65 ;所有10位转换时间为

100MHz/(99+1) = 1MHz

转化时间为1/(1MHz/5 cycles) = 5us。

完成一次A/D转换需要5个时钟周期。A/D转换器的最大工作时钟为5MHz,所以最大采样率可以达到1Mit/s.

电路连接图

由该电路图可知，外设是一个滑动变阻器，根据接触点的不同，会导致输入电压的模拟值不同。连接的A/D控制器通道为3。该电路利用一个电位计输出电压到4412的AIN3管脚。输入的电压范围为0~1.8V。

ADC裸机开发程序实例

ADC数据的读取通常由2种方法：中断模式、轮询模式。

轮询模式

轮询模式读取数据步骤如下:

1.要读取数据首先向ADC寄存器ADCCON的bit：1写1，发送转换命令，采用读-启动模式来开启转换。

2.当ADC控制器转换完毕会将ADCCON的bit：15设置为1，

3.轮询检测ADCCON的bit：15是否设置为1，如果设置为1，就读走数据，否则继续等待。

这种方式比较占用CPU资源。

//注：这里使用读-启动模式

/***********************ADC ******************/ #define   ADC_CFG  __REG(0x10010118) #define  ADCCON  __REG(0x126C0000) #define  ADCDLY  __REG(0x126C0008) #define  ADCDAT  __REG(0x126C000C) #define  CLRINTADC __REG(0x126C0018) #define  ADCMUX  __REG(0x126C001C) #include "exynos_4412.h" #include "pwm.h" #include "uart.h" unsigned char table[10] = {'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9'}; void mydelay_ms(int time) {   int i, j;   while(time--)   {     for (i = 0; i < 5; i++)     for (j = 0; j < 514; j++);   } } adc_init(int temp) {   ADCCON = (1 << 16 | 1 << 14 | 99 <<6 | 1 << 1);   ADCMUX = 3;   temp = ADCDAT & 0xfff; } /*  *  裸机代码，不同于LINUX 应用层， 一定加循环控制  */ int main (void) {   unsigned char bit4,bit3,bit2,bit1;   unsigned int temp = 0;      uart_init();   adc_init(temp);   puts("开始转换 ");   while(1)   {     while(!(ADCCON & 0x8000));     temp = ADCDAT & 0xfff;     printf("U = %d ",temp);     temp = 1.8 * 1000 * temp/0xfff;     bit4 = temp /1000;     putc(table[bit4]);     bit3 = (temp % 1000)/100?;     putc(table[bit3]);     bit2 = ((temp % 1000)%100)/10;     putc(table[bit2]);     bit1 = ((temp % 1000)%100)%10;     putc(table[bit1]);     puts("mV");     putc(' ');     mydelay_ms(1000);   }   return 0; }

中断模式

中断模式读取数据步骤如下:

1.要读取数据首先向ADC寄存器ADCCON的bit：0写1，发送转换命令;

2.当ADC控制器转换完毕会通过中断线向CPU发送中断信号;

3.在中断处理函数中，读走数据，并清中断.

注：中断对应寄存器的设置，后续会更新对应的文档。

void do_irq(void) {        int irq_num;        irq_num = CPU0.ICCIAR &0x3ff;        switch(irq_num)        {          case 42:               adc_num = ADCDAT&0xfff;               printf("adc = %d ",adc_num);               CLRINTADC = 0;        //    IECR2 = IECR2 | (1 << 19);               打开的话只能读取一次，               //42/32               ICDICPR.ICDICPR1 = ICDICPR.ICDICPR1 | (1 << 10);【清GIC中断标志位类似于 ICDISER】               break;        }        CPU0.ICCEOIR = CPU0.ICCEOIR & (~0x3ff) | irq_num; } void adc_init(void) {    //12bit   使能分频       分频值                 手动        ADCCON = (1 << 16) | (1 << 14) | (0xff << 6) | (1 << 0);        ADCMUX = 3; } void adcint_init(void) {        IESR2 = IESR2 | (1 << 19);        ICDDCR = 1;    //使能分配器        //42/32        ICDISER.ICDISER1 = ICDISER.ICDISER1 | (1 << 10);//使能相应中断到分配器        ICDIPTR.ICDIPTR10 = ICDIPTR.ICDIPTR10 &(~(0xff << 16)) | (0x1 << 16);//发送到相应CPU接口        CPU0.ICCPMR = 255;//设置中断屏蔽优先级        CPU0.ICCICR = 1;  //全局使能开关 } int main (void) {    adc_init();        adcint_init();        while(1)        {               ADCCON = ADCCON | 1;               delay_ms(1000);        }    return 0; }

基于Linux驱动编写

设备树

编写基于Linux的ADC外设驱动，首先需要编写设备树节点信息，在裸机程序中，我们只用到了寄存器地址，而编写基于Linux的驱动，我们需要用到中断功能。所以编写设备树节点需要知道ADC要用到的硬件资源主要包括：寄存器资源和中断资源。

关于中断的使用我们在后续文章中会继续分析，现在我们只需要知道中断信息如何填写即可。

ADC寄存器信息填写

由上可知，寄存器基地址为0x126c0000,其他寄存器只需要根据基地址做偏移即可获取，所以设备树的reg属性信息如下：

    reg = <0x126C0000 0x20>;

ADC中断信息填写

描述中断连接需要四个属性：

父节点提供以下信息

interrupt-controller - 一个空的属性定义该节点作为一个接收中断信号的设备。 interrupt-cells      - 这是一个中断控制器节点的属性。它声明了该中断控制器的 中断指示符中【interrupts】 cell 的个数（类似于 #address-cells 和 #size-cells）。

子节点描述信息

interrupt-parent - 这是一个设备节点的属性，包含一个指向该设备连接的中断控制器的 phandle。那些没有 interrupt-parent 的节点则从它们的父节点中继承该属性。 iterrupts       - 一个设备节点属性，包含一个中断指示符的列表，对应于该设备上的 每个中断输出信号。【设备的中断信息放在该属性中】

父节点

首先我们必须知道ADC控制器的中断线的父节点：

由上图可知ADC控制器位于soc内，4个ADC通道公用一根中断线，该中断线连接在combiner上，所以我们需要查找到combiner这个父节点的说明：

进入设备树文件所在目录：archarmootdts

grep combiner *.* -n

经过筛选得到以下信息:

因为我们使用的板子是exynos4412，而exynos系列通用的平台设备树文件是exynos4.dtsi，查看该文件：

上图列举了combiner控制器的详细信息：

    interrupt-cells ;     interrupt-cells =<2>;

所以ADC控制器中断控制器的interrupts属性应该有两个cell。

interrupts属性填写

而设备的中断信息填写方式由内核的以下文档提供：

Documentationdevicetreeindingsinterrupt-controllerinterrupts.txt69. b) two cells  70.  ------------  71.  The #interrupt-cells property is set to 2 and the first cell 72. defines the  73.  index of the interrupt within the controller, while the second cell is used  74.  to specify any of the following flags:  75.    - bits[3:0] trigger type and level flags  76.        1 = low-to-high edge triggered  77.        2 = high-to-low edge triggered  78.        4 = active high level-sensitive  79.        8 = active low level-sensitive

由以上信息可知，中断的第一个cell是该中断源所在中断控制器的index，第二个cell表示中断的触发方式

上升沿触发 

下降沿触发 

高电平触发 

低电平触发

那么index应该是多少呢？

详见datasheet的9.2.2 GIC Interrupt Table 节：

此处我们应该是填写左侧的SPI ID：10 还是填写INTERRUPT ID：42呢？

此处我们可以参考LCD节点的interrupts填写方法：

通过查找父节点为combiner的设备信息。

继续grep combiner . -n

由此可见lcd这个设备的interrupts属性index值是11，所以可知ADC控制器中断线的index是10。中断信息如下：

interrupt-parent = <&combiner>; interrupts = <10 3>;

ADC外设设备树信息

fs4412-adc{     compatible = "fs4412,adc";     reg = <0x126C0000 0x20>;     interrupt-parent = <&combiner>;     interrupts = <10 3>; };

本文默认大家会使用设备树，不知道如何使用设备树的朋友，后续会开一篇单独讲解设备树。

【注意】在不支持设备树内核中，以Cortex-A8为例，中断信息填写在以下文件中

内部中断，Irqs.h (archarmmach-s5pc100includemach) 外部中断在Irqs.h (archarmplat-s5pincludeplat)

ADC属于内部中断，位于archarmmach-s5pc100includemachIrqs.h中。

寄存器信息填写在以下位置：

archarmmach-s5pc100Mach-smdkc100.cstatic struct platform_device *smdkc100_devices[] __initdata = {   &s3c_device_adc,   &s3c_device_cfcon,   &s3c_device_i2c0,   &s3c_device_i2c1,   &s3c_device_fb,   &s3c_device_hsmmc0,   &s3c_device_hsmmc1,   &s3c_device_hsmmc2,   &samsung_device_pwm,   &s3c_device_ts,   &s3c_device_wdt,   &smdkc100_lcd_powerdev,   &s5pc100_device_iis0,   &samsung_device_keypad,   &s5pc100_device_ac97,   &s3c_device_rtc,   &s5p_device_fimc0,   &s5p_device_fimc1,   &s5p_device_fimc2,   &s5pc100_device_spdif, };

结构体s3c_device_adc定义在以下文件:

archarmplat-samsungDevs.c#ifdef CONFIG_PLAT_S3C24XX static struct resource s3c_adc_resource[] = {   [0] = DEFINE_RES_MEM(S3C24XX_PA_ADC, S3C24XX_SZ_ADC),   [1] = DEFINE_RES_IRQ(IRQ_TC),   [2] = DEFINE_RES_IRQ(IRQ_ADC), }; struct platform_device s3c_device_adc = {   .name    = "s3c24xx-adc",   .id    = -1,   .num_resources  = ARRAY_SIZE(s3c_adc_resource),   .resource  = s3c_adc_resource, }; #endif /* CONFIG_PLAT_S3C24XX */ #if defined(CONFIG_SAMSUNG_DEV_ADC) static struct resource s3c_adc_resource[] = {   [0] = DEFINE_RES_MEM(SAMSUNG_PA_ADC, SZ_256),   [1] = DEFINE_RES_IRQ(IRQ_TC),   [2] = DEFINE_RES_IRQ(IRQ_ADC), }; struct platform_device s3c_device_adc = {   .name    = "samsung-adc",   .id    = -1,   .num_resources  = ARRAY_SIZE(s3c_adc_resource),   .resource  = s3c_adc_resource, }; #endif /* CONFIG_SAMSUNG_DEV_ADC */

由代码可知，平台驱动对应的platform_device具体内容由宏CONFIG_PLAT_S3C24XX、CONFIG_SAMSUNG_DEV_ADC来控制。

驱动编写架构和流程如下

read() {        1、向adc设备发送要读取的命令           ADCCON    1<<0 | 1<<14 | 0X1<<16 | 0XFF<<6        2、读取不到数据就休眠             wait_event_interruptible();        3、等待被唤醒读数据           havedata = 0； } adc_handler（） {        1、清中断 ADC使用中断来通知转换数据完毕的        2、状态位置位；             havedata=1；        3、唤醒阻塞进程             wake_up() } probe（） {       1、读取中断号，注册中断处理函数       2、读取寄存器的地址，ioremap       3、字符设备的操作 }

驱动需要首先捕获中断信号后再去寄存器读取相应的数据，在ADC控制器没有准备好数据之前，应用层需要阻塞读取数据，所以在读取数据的函数中，需要借助等待队列来实现驱动对应用进程的阻塞。驱动程序

驱动程序对寄存器的操作参考裸机程序，只是基地址需要通过ioremap（）做映射，对寄存器的读写操作需要用readl、writel。

driver.c

#include  #include  #include  #include  #include  #include  #include  #include  #include  static int major = 250;     static wait_queue_head_t wq; static int have_data = 0; static int adc; static struct resource *res1; static struct resource *res2; static void *adc_base;   #define ADCCON 0x0000 #define ADCDLY 0x0008 #define ADCDAT 0x000C #define CLRINTADC 0x0018 #define ADCMUX 0x001C     static  irqreturn_t adc_handler(int irqno, void *dev) {   have_data = 1;     printk("11111 ");   /*清中断*/   writel(0x12,adc_base + CLRINTADC);   wake_up_interruptible(&wq);   return IRQ_HANDLED; } static int adc_open (struct inode *inod, struct file *filep) {     return 0; } static ssize_t adc_read(struct file *filep, char __user *buf, size_t len, loff_t *pos) {     writel(0x3,adc_base + ADCMUX);   writel(1<<0 | 1<<14 | 0X1<<16 | 0XFF<<6 ,adc_base +ADCCON );     wait_event_interruptible(wq, have_data==1);     /*read data*/   adc = readl(adc_base+ADCDAT)&0xfff;      if(copy_to_user(buf,&adc,sizeof(int)))   {     return -EFAULT;   }   have_data = 0;   return len; } static  int adc_release(struct inode *inode, struct file *filep) {   return 0; } static struct file_operations  adc_ops = {   .open = adc_open,   .release = adc_release,   .read = adc_read, };     static int hello_probe(struct platform_device *pdev) {   int ret;   printk("match 0k  ");     res1 = platform_get_resource(pdev,IORESOURCE_IRQ, 0);     res2 = platform_get_resource(pdev,IORESOURCE_MEM, 0);         ret = request_irq(res1->start,adc_handler,IRQF_DISABLED,"adc1",NULL);       adc_base = ioremap(res2->start,res2->end-res2->start);     register_chrdev( major, "adc", &adc_ops);   init_waitqueue_head(&wq);      return 0; } static int hello_remove(struct platform_device *pdev) {   free_irq(res1->start,NULL);   free_irq(res2->start,NULL);     unregister_chrdev( major, "adc");   return 0; }   static struct of_device_id adc_id[]= {   {.compatible = "fs4412,adc" }, };   static struct platform_driver hello_driver= {      .probe = hello_probe,   .remove = hello_remove,   .driver ={     .name = "bigbang",     .of_match_table = adc_id,   }, };   static int hello_init(void) {   printk("hello_init");   return platform_driver_register(&hello_driver); } static void hello_exit(void) {   platform_driver_unregister(&hello_driver);   printk("hello_exit  ");   return; } MODULE_LICENSE("GPL"); module_init(hello_init); module_exit(hello_exit);

测试程序

test.c

#include  #include  #include  #include    main() {   int fd,len;   int adc;   fd = open("/dev/hello",O_RDWR);   if(fd<0)   {     perror("open fail  ");     return ;   }     while(1)   {     read(fd,&adc,4);     printf("adc%0.2f V  ",(1.8*adc)/4096);   }     close(fd); }