嵌入式Linux下IC卡接口設(shè)計(jì)與驅(qū)動開發(fā)

文章出處：http://botanicstilllife.com 作者：由守明 張侃諭 朱昊 薛俊   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月09日

     隨著現(xiàn)代工業(yè)社會逐步向信息社會的過渡，信息將扮演愈來愈重要的角色，成為現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)生活中的成功要素。IC卡作為卡基應(yīng)用系統(tǒng)中的一種卡型，是利用安裝在卡中的集成電路(IC)來記錄和傳遞信息的；具有存儲量大、數(shù)據(jù)保密性好、抗干擾能力強(qiáng)、存儲可靠、讀寫設(shè)備簡單、操作速度快、脫機(jī)工作能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用范圍極為廣泛。

    我們基于公用電話IC卡的應(yīng)用，開發(fā)了多媒體信息終端產(chǎn)品，在傳統(tǒng)公用IC卡電話功能的基礎(chǔ)上增加了上網(wǎng)、郵件、電子支付、信息瀏覽等各種多媒體功能，統(tǒng)一采用公用電話IC卡進(jìn)行收費(fèi)。目前設(shè)計(jì)的IC卡讀寫器和驅(qū)動軟件已經(jīng)應(yīng)用于我們的多媒體終端產(chǎn)品中。

    1 嵌入式Linux下設(shè)備驅(qū)動模塊簡介

    Linux系統(tǒng)將設(shè)備分成三種類型：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)接口。三種類型設(shè)備定義如下：

    字符設(shè)備：字符設(shè)備是指能夠像字節(jié)流(比如文件)一樣被訪問的設(shè)備，如字符終端(／dev／con s01e)和串口(／dev／ttys0)以及類似設(shè)備。字符設(shè)備對應(yīng)文件系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)，用戶則通過此文件節(jié)點(diǎn)訪問和控制設(shè)備。 

    塊設(shè)備：塊設(shè)備和字符設(shè)備一樣可以通過文件系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行訪問，Linux允許應(yīng)用程序像字符設(shè)備那樣讀寫塊設(shè)備。 

    網(wǎng)絡(luò)接口：任何網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都要經(jīng)過一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，即一個(gè)能夠和其它主機(jī)交換數(shù)據(jù)的設(shè)備。通常接口是個(gè)硬件設(shè)備，但也可能是個(gè)純軟件設(shè)備，比如回環(huán)(100pback)接口。Linux訪問網(wǎng)絡(luò)接口的方法是分配一個(gè)唯一的名字。

    Module是Linux內(nèi)核的一大創(chuàng)新，其正規(guī)的叫法應(yīng)該是Loadable Kernel Module， 即可安裝模塊?？砂惭b模塊實(shí)現(xiàn)了Linux操作系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。模塊運(yùn)行在內(nèi)核空間環(huán)境中，它的程序運(yùn)行函數(shù)庫都是在內(nèi)核空間定義，而不是在用戶函數(shù)庫空間。Linux模塊的最方便之處為可加載和卸載。Linux操作系統(tǒng)提供了系統(tǒng)調(diào)用in smod和rmmod可隨時(shí)將自己開發(fā)的模塊進(jìn)行加載和卸載。

    根據(jù)Linux設(shè)備分類，設(shè)備驅(qū)動模塊也可大致分為字符模塊(char module)、塊模塊(block module)和網(wǎng)絡(luò)模塊(network module)三種。

    2 IC卡設(shè)備觸點(diǎn)硬件電路介紹

    IC卡硬件觸點(diǎn)接口及信號如下所示。 

    以上觸點(diǎn)中，VPP編程電壓觸點(diǎn)是廠家生產(chǎn)卡時(shí)編程所用，用戶卡讀寫時(shí)沒有應(yīng)用。所以準(zhǔn)確地說，只有五個(gè)觸點(diǎn)分別連接來自外部主控制器的五個(gè)控制信號。 設(shè)備復(fù)位后的后續(xù)操作可包括卡的地址設(shè)定操作、讀寫操作、擦除操作。針對以上卡的各種操作皆有嚴(yán)格的信號控制時(shí)序，詳情可參照各種應(yīng)用卡的DATASHEET。 IC卡作為卡基應(yīng)用系統(tǒng)中的一種卡型，是利用安裝在卡中的集成電路(IC)來記錄和傳遞信息的，所以IC卡皆有特定的存儲位圖。具體存儲位圖針對應(yīng)用領(lǐng)域的不同和標(biāo)準(zhǔn)的不同具有不同的位圖定義，詳細(xì)情況請參見自己開發(fā)應(yīng)用卡的DATASHEET資料。在驅(qū)動的開發(fā)過程中，也只有完全清楚這些位圖定義后才能將所讀取的數(shù)據(jù)按照位圖定義協(xié)議進(jìn)行譯碼而得到自己最終需要的各種數(shù)據(jù)。

    3 IC卡讀卡電路簡介 

    我們采用MPC823E作為主處理器。因?yàn)镮C觸點(diǎn)工作電壓為5V，而主控制器的工作電壓為3.3V，所以在讀卡器中設(shè)計(jì)了中間電平轉(zhuǎn)化驅(qū)動電路，同時(shí)增加了控制信號的驅(qū)動能力。為了實(shí)時(shí)檢測插卡操作，在插卡器電路中設(shè)置一開關(guān)電路，接主控制器的控制口線，用于檢測是否插卡。

    4 IC卡設(shè)備驅(qū)動模塊的實(shí)現(xiàn)詳解 

    下面以我們采用的公用電話機(jī)通用的IC卡為例，通過已實(shí)現(xiàn)代碼來說明整個(gè)IC卡設(shè)備驅(qū)動模塊。

    (1)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的確定

    編輯頭文件ICDATA.H，確定在驅(qū)動模塊程序中應(yīng)用的公用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。驅(qū)動模塊的最終目的是讀取和寫入卡數(shù)據(jù)處理，所以規(guī)范整齊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是必須的?？梢远x一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體來實(shí)現(xiàn)卡數(shù)據(jù)的存儲區(qū)域、數(shù)據(jù)地址索引、控制標(biāo)志位等，如： 


    這樣在驅(qū)動模塊中，只需要struct ICDATA iccdata；一條語句便可定義全部的卡處理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義；而ic_fops則定義了設(shè)備操作映射函數(shù)結(jié)構(gòu)。從這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)看，我們實(shí)現(xiàn)了IC卡設(shè)備的打開、讀、寫和監(jiān)控函數(shù)。

    (2)硬件接口控制線控制子函數(shù)

    這些函數(shù)用作進(jìn)行卡復(fù)位、時(shí)鐘等信號的控制。 


    以上是以我們開發(fā)的硬件系統(tǒng)平臺為例的硬件控制接口操作函數(shù)之一，用于控制IC卡的復(fù)位信號置1。針對不同硬件平臺，函數(shù)內(nèi)部操作方法不盡相同。類似的其它操作函數(shù)還有： 


    (3)模塊初始化函數(shù)的實(shí)現(xiàn) 


    模塊初始化函數(shù)是模塊開發(fā)過程中必不可少的處理函數(shù)，用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的初始化、中斷初始化及處理、設(shè)備注冊等。在上面函數(shù)中，首先應(yīng)用initicdata(＆icdata)實(shí)現(xiàn)了卡數(shù)據(jù)的初始化，然后定義了隊(duì)列數(shù)據(jù)。再進(jìn)行了中斷處理函數(shù)的綁定、中斷申請以及中斷初始化。最后實(shí)現(xiàn)了IC卡字符設(shè)備的申請。設(shè)備名為IC。

    (4)中斷處理

    模塊采用了MPC823E的定時(shí)器中斷，在每個(gè)定時(shí)器中斷發(fā)生時(shí)對插卡狀況進(jìn)行檢測。如果檢測到插卡，則進(jìn)行讀卡操作；如果檢測到拔卡操作，則進(jìn)行卡數(shù)據(jù)的清零和卡狀態(tài)數(shù)據(jù)的更新。

    程序中的中斷處理采用了timer_task任務(wù)隊(duì)列來實(shí)現(xiàn)中斷的后續(xù)處理。其處理函數(shù)為time r_do_tasklet。M8xx timer_setup()函數(shù)首先進(jìn)行MPC823E定時(shí)器的初始化和參數(shù)設(shè)定。然后應(yīng)用語句CPm_in stall_handler rCPMVEC TIMER4，m8xx_timerinterrupt，(void*)0)；實(shí)現(xiàn)了中斷處理的資源申請和中斷處理函數(shù)m 8 x x_timer_interrupt()的綁定。

    中斷處理函數(shù)中采用語句：

    queue_task(&timer_task，&tq_immediate)；

    mark_bh(IMMEDIATE_BH)；

    實(shí)現(xiàn)了任務(wù)隊(duì)列timer_task加入內(nèi)核tq_immediate的任務(wù)隊(duì)列處理。內(nèi)核在合適的時(shí)間會自動調(diào)用timer_task的例行處理函數(shù)timer_do_taskletO進(jìn)行中斷的后續(xù)處理。

    在time r dO_ta sklet()處理函數(shù)中，有一條語句wake up interruptible(&icde v．writeq)與ic_poll函數(shù)中的D011_wait(flip，&icdev．writeq，wait)相對應(yīng)。當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，將等待時(shí)間隊(duì)列icdev．writeq激活；而poll_wait函數(shù)則針對此隊(duì)列進(jìn)行監(jiān)控。一旦被激活，則可以傳遞給用戶插卡操作信息，在用戶應(yīng)用軟件中可立即調(diào)用讀函數(shù)進(jìn)行讀卡操作。這樣就實(shí)現(xiàn)了對卡的實(shí)時(shí)操作監(jiān)控。

    (5)模塊注銷函數(shù)的實(shí)現(xiàn) 



    這個(gè)函數(shù)也是模塊驅(qū)動開發(fā)中必不可少的函數(shù)之一，用于模塊卸載時(shí)進(jìn)行資源的釋放，并注銷此模塊。如上函數(shù)所示，首先進(jìn)行了中斷的停止、釋放中斷資源，同時(shí)進(jìn)行了字符設(shè)備的注銷。

    (6)設(shè)備讀、寫、監(jiān)控等子函數(shù)

    用來實(shí)現(xiàn)對卡的操作，主要是通過實(shí)現(xiàn)卡的各種操作時(shí)序。也即在ic_fop s結(jié)構(gòu)體中定義的4個(gè)操作函數(shù)：icopen用于打開卡設(shè)備，進(jìn)行一些數(shù)據(jù)的初始化操作；icread()用于插卡操作時(shí)讀取卡數(shù)據(jù)；icwrite()用于寫卡；icpoll（）用于實(shí)現(xiàn)卡的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

    綜上所述，卡驅(qū)動模塊的基本實(shí)現(xiàn)原理是：申請中斷資源，當(dāng)有插卡操作發(fā)生時(shí)，引發(fā)中斷，進(jìn)行讀卡操作。在拔卡操作時(shí)也能引發(fā)中斷，同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)處理。同時(shí)提供poll()函數(shù)接口，用戶可采用此函數(shù)對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)有卡操作發(fā)生時(shí)馬上進(jìn)行卡數(shù)據(jù)的更新。

    6 驅(qū)動模塊的靜態(tài)編譯進(jìn)內(nèi)核

    ①將模塊驅(qū)動源文件拷貝進(jìn)/drivers/char/目錄下；
    ②修改/drivers/char/Makefile文件，添加obj-$(CONFIG_MYMODULE)+=ic.o
    ③在/drivers/char/config.in文件中添加config CONFIG_MYMODULE bool “IC”CONFIG_MYMODULE
    ④進(jìn)入編譯內(nèi)核目錄，執(zhí)行make menuconfig。

    在character devices 目錄下即可見到IC選項(xiàng)。選擇，然后執(zhí)行編譯命令，即可編入內(nèi)核或僅編譯模塊：

    make mrproper
    make menuconfig
    make CROSS_COMPILE=ppc_8xx-gcc
    make modules CROSS_COMPILE=ppc_8xx-gcc 

    即可只編譯內(nèi)核。在源文件目錄下可見到ic.o。

    7 總結(jié)

    用基本的字符設(shè)備實(shí)現(xiàn)IC卡設(shè)備的驅(qū)動模塊開發(fā)。內(nèi)核驅(qū)動模塊的開發(fā)是與硬件直接接觸的。針對硬件的不同，其內(nèi)部處理方法也千變?nèi)f化。對于內(nèi)核模塊開發(fā)，最有效的學(xué)習(xí)途徑和最好的學(xué)習(xí)文檔就是Linux的內(nèi)核源代碼。同時(shí)，加入一些Linux的郵件開發(fā)組也將獲益匪淺。