基于嵌入式Linux的接口转换卡设计

硬件系统设计

　　硬件平台基于ARM920T的处理器AT91RM9200，该处理器不仅有丰富的片上资源和标准接口，而且有低功耗、低成本、高性能、支持多种主要的嵌入式操作系统等特点，其采用5级整数流水线结构，性能高达200MIPS，具有标准的ARMv4存储器管理单元（MMU），内部集成两个USB2.0全速（12Mb/s）主机端口、一个USB2.0全速（12Mb/s）器件端口和10/100 Base-T型以太网接口。该芯片具有多种工作模式，其低功耗待机模式下电流仅3.1mA。

　　此方案的硬件系统结构设计如图1所示，主要包括AT91RM9200处理器、GPIB模块、JTAG接口、网络模块、32M SDRAM、16M FLASH、串口、USB主从口等部分。其中GPIB模块通过CPLD器件EPM1270逻辑控制GPIB接口芯片NAT9914实现，网络模块通过外接DM9161实现10/100M自适应网络连接。另外，处理器内置的双主机收发器可连接USB设备。

图1  硬件系统结构

软件系统设计

Linux系统的移植

　　Linux操作系统是可以运行在不同类型计算机上的一种操作系统的“内核”，它提供命令行或者程序与计算机硬件之间接口的软件核心部分。嵌入式Linux系统从软件角度分为4个层次，分别为引导加载程序（Boot Loader）、内核、文件系统和用户程序。

　　Boot Loader 就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。

　　本方案中Linux内核采用Linux2.6.16版的kernel。因为本方案需要访问U盘，所以内核中必须加上支持U盘的模块，包括SCSI support、SCSI disk support、USB mass STorage support、VFAT（windows95）support、MSDOS partitiON tables等。USB器件端口与USB主机通信，可以有三种方式：一些功能最完备结构也最复杂的设备，采用用户定制的内核模块实现在标准USB总线上运行复杂的高级协议，由USB主机上相应的用户驱动程序和应用程序来完成连接；另一些基于Linux系统的USB设备则利用USB总线来实现该设备与主机之间的简单点对点串行连接，主机上的应用程序实际上是利用了主操作系统所提供的USB编程接口，但实现的是串行通信协议；最后一种是设备将主计算机作为网关，将USB设备连接到办公局域网或互联网上，从而USB设备构成了一个模拟以太网接口。本方案采用最后一种方式，配置了内核中的USB RNDIS gadget模块，该模块利用USB接口作为物理媒介，模拟出一个虚构的以太网设备。

　　文件系统是用户模式进程与内核模式进程交互的纽带，制作具有特定的功能的文件系统是移植嵌入式系统不可缺少的部分。本方案利用Busybox软件工具包构造EXT2文件系统，此软件包集成了Linux常用命令，可根据需求裁减，极大的方便了嵌入式系统的开发。[page]

应用程序的具体实现

　　数据在多个接口之间的转换主要是在用户态的应用程序中实现。此应用程序主要完成的功能是两个USB主口（一个接USB仪器，一个接U盘）、一个USB从口、GPIB口和网口之间的数据交换。程序自动检测接口是否处于连接状态：如果是，便监听是否有数据需要传送，并将监听到的数据传给其他处于连接状态的接口。整个应用程序的框架如图2所示。

图2  应用程序整体框架

各个子进程的功能如下：

　　子进程1：USB从口的实现主要依靠内核中的USB RNDIS gadget模块的支持，当USB从口连接至PC时，在PC上模拟以太网接口，用TCP/IP网络协议传输数据；

　　子进程2：USB主口1专用于USB设备的USB端口；

　　子进程3：USB主口2专用于U盘，将U盘实际连接，当有数据传给U盘时，便在Linux操作系统上挂载U盘，并以二进制方式将数据存储到U盘的linux.txt文件中，15s内没有数据传输就会卸载U盘；

　　子进程4：网口是以TCP/IP网络协议传输数据。子进程1和子进程4分别实现了网络服务器功能；

　　子进程5：在Linux操作系统中为GPIB口准备一个中断例程，当GPIB口有动作时，会首先产生一个中断，应用程序立即跳转中断处理执行程序相关操作。

　　由于接口总线协议的解析都在Linux驱动中完成，所以子进程间的数据传输直接代表了接口总线的通信。子进程创建了自己专用的管道FIFO，以完成进程间的数据交换。

　　每个子进程都有一个主线程，完成端口的连接状态检测，主线程的流程图如图3所示。端口输出数据的处理主要由线程readfifo完成，它读取该进程的专用管道FIFO的数据，如果从FIFO中读到了数据，并且该端口连接标志位flag为1（表示该端口处于连接状态），便将此数据填入该端口的输出缓冲区，否则将读到的数据舍去。端口输入数据的处理由另一个线程完成，如果该端口处于连接状态，主线程就会创建该子线程实时读取该端口的输入数据，并将数据通过专用管道传给其他进程。

图3  主线流程图

　
　　在整个应用程序中，各个端口的数据转发利用了Linux进程间的数据通信技术。每个端口都设置了一定大小的数据缓冲区，使数据能够连续发送而不受外围控制器速度的影响，接收数据可靠，并尽可能减少了错误接收和错误判断的可能性。

结语

　　本文介绍了基于AT91RM9200平台和嵌入式Linux的一种接口转换卡的软硬件设计，它实现了USB、GPIB和网络之间的数据通信。此转换卡具有广泛的实际应用价值，如PC通过网络远程控制USB设备或GPIB主机控制USB设备等等。目前本方案已成功应用于示波器的接口扩展，事实证明该方案能够为组建接口总线繁多的自动测试系统提供帮助，取得了良好的效果。