嵌入式Linux下IC卡接口設計與驅(qū)動開發(fā)

文章出處：http://m.dipdnbxp.cn 作者：由守明 張侃諭 朱昊 薛俊   人氣： 發(fā)表時間：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)濟生活中的成功要素。IC卡作為卡基應用系統(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、存儲可靠、讀寫設備簡單、操作速度快、脫機工作能力強等優(yōu)點，其應用范圍極為廣泛。

    我們基于公用電話IC卡的應用，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卡進行收費。目前設計的IC卡讀寫器和驅(qū)動軟件已經(jīng)應用于我們的多媒體終端產(chǎn)品中。

    1 嵌入式Linux下設備驅(qū)動模塊簡介

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

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

    塊設備：塊設備和字符設備一樣可以通過文件系統(tǒng)節(jié)點來進行訪問，Linux允許應用程序像字符設備那樣讀寫塊設備。 

    網(wǎng)絡接口：任何網(wǎng)絡設備都要經(jīng)過一個網(wǎng)絡接口，即一個能夠和其它主機交換數(shù)據(jù)的設備。通常接口是個硬件設備，但也可能是個純軟件設備，比如回環(huán)(100pback)接口。Linux訪問網(wǎng)絡接口的方法是分配一個唯一的名字。

    Module是Linux內(nèi)核的一大創(chuàng)新，其正規(guī)的叫法應該是Loadable Kernel Module， 即可安裝模塊?？砂惭b模塊實現(xiàn)了Linux操作系統(tǒng)的可擴展性。模塊運行在內(nèi)核空間環(huán)境中，它的程序運行函數(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可隨時將自己開發(fā)的模塊進行加載和卸載。

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

    2 IC卡設備觸點硬件電路介紹

    IC卡硬件觸點接口及信號如下所示。 

    以上觸點中，VPP編程電壓觸點是廠家生產(chǎn)卡時編程所用，用戶卡讀寫時沒有應用。所以準確地說，只有五個觸點分別連接來自外部主控制器的五個控制信號。 設備復位后的后續(xù)操作可包括卡的地址設定操作、讀寫操作、擦除操作。針對以上卡的各種操作皆有嚴格的信號控制時序，詳情可參照各種應用卡的DATASHEET。 IC卡作為卡基應用系統(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用領(lǐng)域的不同和標準的不同具有不同的位圖定義，詳細情況請參見自己開發(fā)應用卡的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。因為IC觸點工作電壓為5V，而主控制器的工作電壓為3.3V，所以在讀卡器中設計了中間電平轉(zhuǎn)化驅(qū)動電路，同時增加了控制信號的驅(qū)動能力。為了實時檢測插卡操作，在插卡器電路中設置一開關(guān)電路，接主控制器的控制口線，用于檢測是否插卡。

    4 IC卡設備驅(qū)動模塊的實現(xiàn)詳解 

    下面以我們采用的公用電話機通用的IC卡為例，通過已實現(xiàn)代碼來說明整個IC卡設備驅(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。可以定義一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體來實現(xiàn)卡數(shù)據(jù)的存儲區(qū)域、數(shù)據(jù)地址索引、控制標志位等，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則定義了設備操作映射函數(shù)結(jié)構(gòu)。從這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)看，我們實現(xiàn)了IC卡設備的打開、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)用作進行卡復位、時鐘等信號的控制。 


    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)，用于實現(xiàn)設備的初始化、中斷初始化及處理、設備注冊等。在上面函數(shù)中，首先應用initicdata(＆icdata)實現(xiàn)了卡數(shù)據(jù)的初始化，然后定義了隊列數(shù)據(jù)。再進行了中斷處理函數(shù)的綁定、中斷申請以及中斷初始化。最后實現(xiàn)了IC卡字符設備的申請。設備名為IC。

    (4)中斷處理

    模塊采用了MPC823E的定時器中斷，在每個定時器中斷發(fā)生時對插卡狀況進行檢測。如果檢測到插卡，則進行讀卡操作；如果檢測到拔卡操作，則進行卡數(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任務隊列來實現(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)首先進行MPC823E定時器的初始化和參數(shù)設定。然后應用語句CPm_in stall_handler rCPMVEC TIMER4，m8xx_timerinterrupt，(void*)0)；實現(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)；

    實現(xiàn)了任務隊列timer_task加入內(nèi)核tq_immediate的任務隊列處理。內(nèi)核在合適的時間會自動調(diào)用timer_task的例行處理函數(shù)timer_do_taskletO進行中斷的后續(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。當中斷發(fā)生時，將等待時間隊列icdev．writeq激活；而poll_wait函數(shù)則針對此隊列進行監(jiān)控。一旦被激活，則可以傳遞給用戶插卡操作信息，在用戶應用軟件中可立即調(diào)用讀函數(shù)進行讀卡操作。這樣就實現(xiàn)了對卡的實時操作監(jiān)控。

    (5)模塊注銷函數(shù)的實現(xiàn) 



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

    (6)設備讀、寫、監(jiān)控等子函數(shù)

    用來實現(xiàn)對卡的操作，主要是通過實現(xiàn)卡的各種操作時序。也即在ic_fop s結(jié)構(gòu)體中定義的4個操作函數(shù)：icopen用于打開卡設備，進行一些數(shù)據(jù)的初始化操作；icread()用于插卡操作時讀取卡數(shù)據(jù)；icwrite()用于寫卡；icpoll（）用于實現(xiàn)卡的實時監(jiān)控。

    綜上所述，卡驅(qū)動模塊的基本實現(xiàn)原理是：申請中斷資源，當有插卡操作發(fā)生時，引發(fā)中斷，進行讀卡操作。在拔卡操作時也能引發(fā)中斷，同時進行相應數(shù)據(jù)處理。同時提供poll()函數(shù)接口，用戶可采用此函數(shù)對設備進行監(jiān)控，從而實現(xiàn)有卡操作發(fā)生時馬上進行卡數(shù)據(jù)的更新。

    6 驅(qū)動模塊的靜態(tài)編譯進內(nèi)核

    ①將模塊驅(qū)動源文件拷貝進/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。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)

    用基本的字符設備實現(xiàn)IC卡設備的驅(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)，最有效的學習途徑和最好的學習文檔就是Linux的內(nèi)核源代碼。同時，加入一些Linux的郵件開發(fā)組也將獲益匪淺。