如何编写基于ARM的裸机程序和基于Linux的驱动程序？

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-A9Linux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 CombinerTable 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、轮训模式。

轮训模式

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

在这里插入图片描述

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。

interrupts - 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.txt

69. 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

*. 1：上升沿触发*. 2：下降沿触发*. 3：高电平触发*. 4：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.c

static 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 《linux/module.h》

#include 《linux/device.h》

#include 《linux/platform_device.h》

#include 《linux/interrupt.h》

#include 《linux/fs.h》

#include 《linux/wait.h》

#include 《linux/sched.h》

#include 《asm/uaccess.h》

#include 《asm/io.h》

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 《sys/types.h》

#include 《sys/stat.h》

#include 《fcntl.h》

#include 《stdio.h》

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）;

}

原文标题：16.从0学arm，基于Cortex-A9 ADC裸机驱动详解

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责任编辑：haq