摘要： 随着信息技术的快速发展，嵌入式系统得到了广泛应用，例如，移动设备、数码产品等各个领域。本文首先对单片机、嵌入式概念进行阐述，随后采用单片机的方法对嵌入式系统功能进行扩展，重点介绍Linux环-境下外围设备驱动程序的运行方法，以此期望能够为类似开发程序提供参考。
关键词：单片机；嵌入式系统扩展；引用
1.相关概念
单片机（Microcontrollers）是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的300M的高速单片机。从其本质上来说，单片机本身就可以构成一个最小的应用系统。但是由于晶振、开关等器件是单片机工作所必需的，而它们本身又都无法集成到芯片内部，所以一定意义上来讲单片机的最小应用系统是由单片机、晶振电路以及由开关、电阻、电容等构成的复位电路组成。
什么是嵌入式?如果在十年前也许有70%的人不曾了解，不过近几年不管是从行业应用，还是智能硬件的爆发，物联网时代的来临，大数据等等嵌入式技术都得到了史无前例的发展。简单的说下，嵌入式技术是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统技术。例如智能手机其实就是一个嵌入式系统，它的系统配置的一些硬件如存储，CPU、电池，但考虑到功耗，为智能手机特别定制了一个系统。因此嵌入式系统就是针对产品需求而定制的系统。
2.嵌入式系统扩展方案及原理
嵌入式系统的扩展方案的设备主要包括主CPU、单片机、外围设备三个部分，主CPU借助SPI接口实现与单片机交互数据，通过单片机已有的IO口、UART等接口扩展一系列串口、红外接口各项外围设备。外围数据经单片机处理后借助SPI总线发送至主CPU。反之，主CPU想要访问外围设备也要借助SPI总线发送给单片机，通过单片机程序完成对外围设备的访问操作。系统功能结构简图SPI接口也称为外围接口，数据传递速度相比IzC总线更快，能够实现主CPU与多个外围器件传输数据信息的目的。SPI接口工作方式为主从模式，需要设计一个主机和一个多个从器件传送数据。本次设计中，主CPU是以单主单从的模式与外围单面机完成点对点通信。具体应用过中，可以依据实际需求通过SPI总线在外围集成相对应的单片机控制单元，从而集成大量的外围设备。因其实际应用领域的差异，根据开发的SPI协议与单片机固件程序合理调整外围设备，在并未增加大量制造成本和开发工作量的基础上，完成对嵌入式系统功能的扩展操作。同时，外围控制单片机能够对所有集成设备采集的信息进行相应的前置处理，能够分担主CPU运算压力，提升整个嵌入系统的响应效率。
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3.外围驱动程序结构及运行机制
本系统所用的设备驱动程序基于Linux系统下进行设计，在Linux系统中，外部设备被抽象称作文件，对文件开展的各项操作也是对外部设备的操作，上述机制被称作虚拟文件系统。设备驱动程序是连接上层用户程序与机器硬件的重要接口，能够屏蔽硬件设备各项具体操作，把具体的硬件设备抽象为设备文件提供给用户程序，促使应用程序能够像普通文件一样对硬件设备实施读写操作。设备驱动程序主要任务在于对设备及资源进行释放，读取并会送程序发出的信息，实现用户空间、内核空间与物理层之间的数据传递。
3.1本地系统设备驱动程序实现过程
主CPU能够直接集成本地串口设备及外围单片机扩展的串口、10设备等驱动实现过程。从本地设备驱动来说，驱动程序对硬件设备展开的操作直接定义至接口函数内，如果用户程序访问设备文件，接口函数执行对硬件设备的读写等操作。如果用户程序借助串口驱动定义的接口函数对本次串口文件展开访问操作，驱动核心会把用户发出的请求传递至本地串口，通过该串口驱动底层定义硬件函数把串口数据发送至硬件设备，达到最佳的通信目的。
3.2 SPI协议及外围扩展设备实现过程
在单片机内集成的外围设备，因主CPU无法对其展开直接的硬件操作，其访问过程比较复杂。SPI通信协议栈主要包括SPI基本驱动和虚通道协议栈两部分，SPI基本驱动协议中设定SPI数据包纯属速度、纠错方法等协议，确保SPI数据包能够在主CPU与单片机进行顺利传输。SPI虚通道协议栈设定每一个外扩展设备的数据格式、功能码等协议，便于对SPI数据包展开解析、封装操作。
驱动程序虚通道协议栈作为外围设备的硬件驱动在，主要由外扩展设备数据处理、重点响应等内容。上述虚拟硬件驱动通过调用协议栈虚拟的通道实现在用户与SPI硬件接口对数据进行传递。从单片机集成的外围串口来说，这种外围串口能与本地串口使用同一个串口驱动核心实施封装，虚拟成为与本次串口相同的串口设备为用户程序提供服务。本地串口驱动层能直接执行串口硬件范围操作，该虚拟硬件驱动并不执行各项硬件操作，仅调用协议栈虚拟的数据通道向SPI硬件传递数据，通过外围单片机完成接收或发送串口数据的目的。
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论文作者:陈威
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第09期
论文发表时间:2019/9/25
标签：单片机论文; 串口论文; 设备论文; 硬件论文; 嵌入式系统论文; 操作论文; 数据论文; 《科学与技术》2019年第09期论文;