嵌入式Linux下IC卡接口設計與驅動開發

文章出處：http://5052h112.com 作者：由守明 張侃諭 朱昊 薛俊   人氣： 發表時間：2011年10月09日

     隨著現代工業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，成為現代經濟生活中的成功要素。IC卡作為卡基應用系統中的一種卡型，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、數據保密性好、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，開發了多媒體信息終端產品，在傳統公用IC卡電話功能的基礎上增加了上網、郵件、電子支付、信息瀏覽等各種多媒體功能，統一采用公用電話IC卡進行收費。目前設計的IC卡讀寫器和驅動軟件已經應用于我們的多媒體終端產品中。

    1 嵌入式Linux下設備驅動模塊簡介

    Linux系統將設備分成三種類型：字符設備、塊設備和網絡接口。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中的節點，用戶則通過此文件節點訪問和控制設備。 

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

    網絡接口：任何網絡設備都要經過一個網絡接口，即一個能夠和其它主機交換數據的設備。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(100pback)接口。Linux訪問網絡接口的方法是分配一個唯一的名字。

    Module是Linux內核的一大創新，其正規的叫法應該是Loadable Kernel Module， 即可安裝模塊。可安裝模塊實現了Linux操作系統的可擴展性。模塊運行在內核空間環境中，它的程序運行函數庫都是在內核空間定義，而不是在用戶函數庫空間。Linux模塊的最方便之處為可加載和卸載。Linux操作系統提供了系統調用in smod和rmmod可隨時將自己開發的模塊進行加載和卸載。

    根據Linux設備分類，設備驅動模塊也可大致分為字符模塊(char module)、塊模塊(block module)和網絡模塊(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應用卡的DATASHEET資料。在驅動的開發過程中，也只有完全清楚這些位圖定義后才能將所讀取的數據按照位圖定義協議進行譯碼而得到自己最終需要的各種數據。

    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化驅動電路，同時增加了控制信號的驅動能力。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卡設備驅動模塊的實現詳解 

    下面以我們采用的公用電話機通用的IC卡為例，通過已實現代碼來說明整個IC卡設備驅動模塊。

    (1)數據結構的確定

    編輯頭文件ICDATA.H，確定在驅動模塊程序中應用的公用數據結構。驅動模塊的最終目的是讀取和寫入卡數據處理，所以規范整齊的數據結構是必須的。可以定義一個數據結構體來實現卡數據的存儲區域、數據地址索引、控制標志位等，如： 


    這樣在驅動模塊中，只需要struct ICDATA iccdata；一條語句便可定義全部的卡處理數據結構定義；而ic_fops則定義了設備操作映射函數結構。從這個數據結構看，我們實現了IC卡設備的打開、讀、寫和監控函數。

    (2)硬件接口控制線控制子函數

    這些函數用作進行卡復位、時鐘等信號的控制。 


    以上是以我們開發的硬件系統平臺為例的硬件控制接口操作函數之一，用于控制IC卡的復位信號置1。針對不同硬件平臺，函數內部操作方法不盡相同。類似的其它操作函數還有： 


    (3)模塊初始化函數的實現 


    模塊初始化函數是模塊開發過程中必不可少的處理函數，用于實現設備的初始化、中斷初始化及處理、設備注冊等。在上面函數中，首先應用initicdata(＆icdata)實現了卡數據的初始化，然后定義了隊列數據。再進行了中斷處理函數的綁定、中斷申請以及中斷初始化。最后實現了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，則進行卡數據的清零和卡狀態數據的更新。

    程序中的中斷處理采用了timer_task任務隊列來實現中斷的后續處理。其處理函數為time r_do_tasklet。M8xx timer_setup()函數首先進行MPC823E定時器的初始化和參數設定。然后應用語句CPm_in stall_handler rCPMVEC TIMER4，m8xx_timerinterrupt，(void*)0)；實現了中斷處理的資源申請和中斷處理函數m 8 x x_timer_interrupt()的綁定。

    中斷處理函數中采用語句：

    queue_task(&timer_task，&tq_immediate)；

    mark_bh(IMMEDIATE_BH)；

    實現了任務隊列timer_task加入內核tq_immediate的任務隊列處理。內核在合適的時間會自動調用timer_task的例行處理函數timer_do_taskletO進行中斷的后續處理。

    在time r dO_ta sklet()處理函數中，有一條語句wake up interruptible(&icde v．writeq)與ic_poll函數中的D011_wait(flip，&icdev．writeq，wait)相對應。當中斷發生時，將等待時間隊列icdev．writeq激活；而poll_wait函數則針對此隊列進行監控。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用讀函數進行讀卡操作。這樣就實現了對卡的實時操作監控。

    (5)模塊注銷函數的實現 



    這個函數也是模塊驅動開發中必不可少的函數之一，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、監控等子函數

    用來實現對卡的操作，主要是通過實現卡的各種操作時序。也即在ic_fop s結構體中定義的4個操作函數：icopen用于打開卡設備，進行一些數據的初始化操作；icread()用于插卡操作時讀取卡數據；icwrite()用于寫卡；icpoll（）用于實現卡的實時監控。

    綜上所述，卡驅動模塊的基本實現原理是：申請中斷資源，當有插卡操作發生時，引發中斷，進行讀卡操作。在拔卡操作時也能引發中斷，同時進行相應數據處理。同時提供poll()函數接口，用戶可采用此函數對設備進行監控，從而實現有卡操作發生時馬上進行卡數據的更新。

    6 驅動模塊的靜態編譯進內核

    ①將模塊驅動源文件拷貝進/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進入編譯內核目錄，執行make menuconfig。

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

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

    即可只編譯內核。在源文件目錄下可見到ic.o。

    7 總結

    用基本的字符設備實現IC卡設備的驅動模塊開發。內核驅動模塊的開發是與硬件直接接觸的。針對硬件的不同，其內部處理方法也千變萬化。對于內核模塊開發，最有效的學習途徑和最好的學習文檔就是Linux的內核源代碼。同時，加入一些Linux的郵件開發組也將獲益匪淺。