嵌入式Linux下IC卡接口设计与驱动开发

引 言 
    随着现代工业社会逐步向信息社会的过渡，信息将扮演愈来愈重要的角色，成为现代经济生活中的成功要素。IC卡作为卡基应用系统中的一种卡型，是利用安装在卡中的集成电路(IC)来记录和传递信息的；具有存储量大、数据保密性好、抗干扰能力强、存储可靠、读写设备简单、操作速度快、脱机工作能力强等优点，其应用范围极为广泛。
我们基于公用电话IC卡的应用，开发了多媒体信息终端产品，在传统公用IC卡电话功能的基础上增加了上网、邮件、电子支付、信息浏览等各种多媒体功能，统一采用公用电话IC卡进行收费。目前设计的IC卡读写器和驱动软件已经应用于我们的多媒体终端产品中。

1 嵌入式Linux下设备驱动模块简介 
    Linux系统将设备分成三种类型：字符设备、块设备和网络接口。三种类型设备定义如下： 
    字符设备：字符设备是指能够像字节流(比如文件)一样被访问的设备，如字符终端(／dev／con s01e)和串口(／dev／ttys0)以及类似设备。字符设备对应文件系统中的节点，用户则通过此文件节点访问和控制设备。 
    块设备：块设备和字符设备一样可以通过文件系统节点来进行访问，Linux允许应用程序像字符设备那样读写块设备。 
    网络接口：任何网络设备都要经过一个网络接口，即一个能够和其它主机交换数据的设备。通常接口是个硬件设备，但也可能是个纯软件设备，比如回环(100pback)接口。Linux访问网络接口的方法是分配一个唯一的名字。 
    Module是Linux内核的一大创新，其正规的叫法应该是Loadable Kernel Module， 即可安装模块。可安装模块实现了Linux操作系统的可扩展性。模块运行在内核空间环境中，它的程序运行函数库都是在内核空间定义，而不是在用户函数库空间。Linux模块的最方便之处为可加载和卸载。Linux操作系统提供了系统调用in smod和rmmod可随时将自己开发的模块进行加载和卸载。 
根据Linux设备分类，设备驱动模块也可大致分为字符模块(char module)、块模块(block module)和网络模块(network module)三种。

2 IC卡设备触点硬件电路介绍 
IC卡硬件触点接口及信号如图1所示。

　

C1：VCC电源电压。
C2：RST复位信号。
C3：cLK时钟信号。
C4：未用。
C5：GND。
C6：VPP编程电压。
C7：I／O数据输入／输出口线。
C8：未用。
    以上触点中，VPP编程电压触点是厂家生产卡时编程所用，用户卡读写时没有应用。所以准确地说，只有五个触点分别连接来自外部主控制器的五个控制信号。 设备复位后的后续操作可包括卡的地址设定操作、读写操作、擦除操作。针对以上卡的各种操作皆有严格的信号控制时序，详情可参照各种应用卡的DATASHEET。 IC卡作为卡基应用系统中的一种卡型，是利用安装在卡中的集成电路(IC)来记录和传递信息的，所以IC卡皆有特定的存储位图。具体存储位图针对应用领域的不同和标准的不同具有不同的位图定义，详细情况请参见自己开发应用卡的DATASHEET资料。在驱动的开发过程中，也只有完全清楚这些位图定义后才能将所读取的数据按照位图定义协议进行译码而得到自己最终需要的各种数据。

3 IC卡读卡电路简介 
    IC卡读卡接口电路框图如图2所示。

 

    我们采用MPC823E作为主处理器。因为IC触点工作电压为5V，而主控制器的工作电压为3.3V，所以在读卡器中设计了中间电平转化驱动电路，同时增加了控制信号的驱动能力。为了实时检测插卡操作，在插卡器电路中设置一开关电路，接主控制器的控制口线，用于检测是否插卡。

4 IC卡设备驱动模块的实现详解 
    下面以我们采用的公用电话机通用的IC卡为例，通过已实现代码来说明整个IC卡设备驱动模块。
(1)数据结构的确定 
    编辑头文件ICDATA.H，确定在驱动模块程序中应用的公用数据结构。驱动模块的最终目的是读取和写入卡数据处理，所以规范整齐的数据结构是必须的。可以定义一个数据结构体来实现卡数据的存储区域、数据地址索引、控制标志位等，如：
slruct ICDATA {
char*readbuffstrt；          //读入数据缓冲区首指针
char*readbuffend；            //读入数据缓冲区末指针 
char*writebuffstart；       //写入数据缓冲区首指针
char*writebuffend；          //写入数据缓冲区末指针
int readcount；                  //读入数据量
int writecount；              //写入数据量
char *readp；                     //读人数据当前指针
int readnum；                  //已经读入量
char *writep；                 //当前写入数据指针
int writenum；                 //当前写入量
int newstate；                 //卡当前状态，O为无卡，1为有卡
int oldstate；                   //卡的旧状态
int statechange；             //卡状态变化标志 
}；struct file_operations ic_fops={ 
open： icopen， 
read： icread， 
write： icwrite， 
poll： icpoll， }；
    这样在驱动模块中，只需要struct ICDATA iccdata；一条语句便可定义全部的卡处理数据结构定义；而ic_fops则定义了设备操作映射函数结构。从这个数据结构看，我们实现了IC卡设备的打开、读、写和监控函数。
(2)硬件接口控制线控制子函数
    这些函数用作进行卡复位、时钟等信号的控制。static void setclkout(void){ 
#define PB_DR26 ((ushort)0x0020) 
volatile immap_t*immap=(immap_t*)IMAP_ADDR； 
(void)immap； 
immap=>im_cpm.cp_pbpat &=～(PB_DR26)； 
immap->im_cpm.cp_pbdirl=PB_DR26； } 
    以上是以我们开发的硬件系统平台为例的硬件控制接口操作函数之一，用于控制IC卡的复位信号置1。针对不同硬件平台，函数内部操作方法不尽相同。类似的其它操作函数还有： 
static void setrstout(void) 
static void clearrst(void) 
static void setclk(void) 
static void setrst(void) 
static void clearclk(void) 
static void setsda(void) 
static void clearsda(void) 
static void setsdain(void) 
static void setsdaout(void) 
(3)模块初始化函数的实现 
static int_init
init_ic(void){
initicdata(&icdata)；
init waitqueue head(&icdev readq)；
init_waitqueue_head(&icdev．writeq)；
timer task．routine=(void(*)(void*))timer_do_tasklet：
timer task．data=(void *)&icdata；
mSxx_timersetup（）；
m8xx_timer_start（）；
result=register_chrdev(majorl，“IC”，&ic_fops)；
return 0：
} 
    模块初始化函数是模块开发过程中必不可少的处理函数，用于实现设备的初始化、中断初始化及处理、设备注册等。在上面函数中，首先应用initicdata(＆icdata)实现了卡数据的初始化，然后定义了队列数据。再进行了中断处理函数的绑定、中断申请以及中断初始化。最后实现了IC卡字符设备的申请。设备名为IC。
(4)中断处理
    模块采用了MPC823E的定时器中断，在每个定时器中断发生时对插卡状况进行检测。如果检测到插卡，则进行读卡操作；如果检测到拔卡操作，则进行卡数据的清零和卡状态数据的更新。
程序中的中断处理采用了timer_task任务队列来实现中断的后续处理。其处理函数为time r_do_tasklet。M8xx timer_setup()函数首先进行MPC823E定时器的初始化和参数设定。然后应用语句CPm_in stall_handler rCPMVEC TIMER4，m8xx_timerinterrupt，(void*)0)；实现了中断处理的资源申请和中断处理函数m 8 x x_timer_interrupt()的绑定。
    中断处理函数中采用语句
queue_task(&timer_task，&tq_immediate)；
mark_bh(IMMEDIATE_BH)；
    实现了任务队列timer_task加入内核tq_immediate的任务队列处理。内核在合适的时间会自动调用timer_task的例行处理函数timer_do_taskletO进行中断的后续处理。 
    在time r dO_ta sklet()处理函数中，有一条语句wake up interruptible(&icde v．writeq)与ic_poll函数中的D011_wait(flip，&icdev．writeq，wait)相对应。当中断发生时，将等待时间队列icdev．writeq激活；而poll_wait函数则针对此队列进行监控。一旦被激活，则可以传递给用户插卡操作信息，在用户应用软件中可立即调用读函数进行读卡操作。这样就实现了对卡的实时操作监控。
(5)模块注销函数的实现
static void_exit
remove_ic(void){ 
m8xx_timer_stop()； 
cpm_free_handler(CPMVEC_TIMERl)； 
unregister_chrdev(majorl，“IC”)；
} 
    这个函数也是模块驱动开发中必不可少的函数之一，用于模块卸载时进行资源的释放，并注销此模块。如上函数所示，首先进行了中断的停止、释放中断资源，同时进行了字符设备的注销。
(6)设备读、写、监控等子函数 
    用来实现对卡的操作，主要是通过实现卡的各种操作时序。也即在ic_fop s结构体中定义的4个操作函数：icopen用于打开卡设备，进行一些数据的初始化操作；icread()用于插卡操作时读取卡数据；icwrite()用于写卡；icpoll（）用于实现卡的实时监控。 
    综上所述，卡驱动模块的基本实现原理是：申请中断资源，当有插卡操作发生时，引发中断，进行读卡操作。在拔卡操作时也能引发中断，同时进行相应数据处理。同时提供poll()函数接口，用户可采用此函数对设备进行监控，从而实现有卡操作发生时马上进行卡数据的更新。
注：驱动程序源码见本刊网站WWW．dpj．tom．cn。5 驱动模块开发的编译调试 以开发平台和编译器为例编写简单的makefile文件为：
CC=ppc 8xx_gcc 
DD=．nostdinc．DMODULE-D_KERNEL_I／mykeme Finclude.Wall-Wstrict-prototypes-Wno-trigraphs-02-fomit-frame-pointer-fno-strict-aliasing-fno-common-I／mykernel／arch／ppc-fsigned-char-resort-float-pipe-ffixed-r2-Wno-uninitialized-mmultiple-mstring-fno-builtin-I／Opt／hardhat/devkit／ppc／8xx／target／usr／lib／gcc-lib／powerpc-hardhat-linux／3．2．1／include ie．o：ic．C 
$(CC)$(DD)-C ic．c 
install： 
make ic．o 
clean： 
rn*o 
    执行命令make install，便可以实现驱动模块的动态编译。 
    内核提供了两个应用程序insmod和rmmod来实现内核模块的动态加载和去除。在模块编译当前目录下执行命令
mknod/dev/charmodule c2540 
建立与此设备模块对应的设备文件节点。c表示为字符设备，254表示主设备号，0表示子设备号。
执行命令insmod ic.o，可实现模块动态加载；而命令rmmod ic可实现模块的动态去除。

6 驱动模块的静态编译进内核
    ①将模块驱动源文件拷贝进/drivers/char/目录下；
    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进入编译内核目录，执行make menuconfig。
    在character devices 目录下即可见到IC选项。选择，然后执行编译命令，即可编入内核或仅编译模块：
make mrproper
make menuconfig
make CROSS_COMPILE=ppc_8xx-gcc
make modules CROSS_COMPILE=ppc_8xx-gcc
即可只编译内核。在源文件目录下可见到ic.o。

7 总结
    用基本的字符设备实现IC卡设备的驱动模块开发。内核驱动模块的开发是与硬件直接接触的。针对硬件的不同，其内部处理方法也千变万化。对于内核模块开发，最有效的学习途径和最好的学习文档就是Linux的内核源代码。同时，加入一些Linux的邮件开发组也将获益匪浅。