Embedded System Lab. II Device Driver in Linux 경희대학교 컴퓨터공학과 조 진 성

Embedded System Lab. II

Device Driver in LinuxDevice Driver in Linux

경희대학교 컴퓨터공학과

조 진 성

Embedded System Lab. II 2

주요내용

주요내용 UART 이해 LCD 이해 Ethernet 이해 USB 이해


Asynchronous Serial Communication -- UART

Universal asynchronous receiver/transmitter Transmit bits in a single channel

simplex (one way) half-duplex (one direction at a time) full-duplex (two way)

A sequence of bits – packet or character ASCII code – 7 bits for 128 characters (alphabet, numerical, and

control) fixed length or variable length Start, stop, and parity bits


EIA RS232 Connection and signal

characteristics Data terminal equipment and

data communication equipment Logic '1' (marking) – -3v to -25v

with respect to signal ground Logic “0” (spacing) – +3v to

+25v Not assigned –between -3v and

+3v (a transition region)


RS232(2)

Flow control (handshaking) signals to avoid buffer overflow or lock-up.

RTS : to prepare the DCE device for accepting transmission

CTS : to inform the DTE device that transmission may begin

DCD: data carrier detected DSR: DCE ready SG: system ground DTR: DTE ready

DTE FEP DB25 DCE MOD DB25

1 FG --------------- 1 FG

2 TX --------------> 2 TX

3 RX <-------------- 3 RX

4 RTS --------------> 4 RTS

5 CTS <-------------- 5 CTS

6 DSR <-------------- 6 DSR

7 SG --------------- 7 SG

8 DCD <-------------- 8 DCD

20 DTR --------------> 20 DTR


Signal Format for ASCII Character

data, start, stop, and (even or odd) parity bits


UART(1)

PC Com Port - EIA-574

RS-232 pin out DB-9 pin used for Asynchronous Data


UART(2)

Is Your Interface a DTE or a DCE? Find out by following these steps: The point of reference for all signals is

the terminal (or PC). ① Measure the DC voltages between (DB25) pins 2 & 7 and between pins 3 & 7. Be

sure the black lead is connected to pin 7 (Signal Ground) and the red lead to whichever pin you are measuring.

② If the voltage on pin 2 (TD) is more negative than -3 Volts, then it is a DTE, otherwise it should be near zero volts.

③ If the voltage on pin 3 (RD) is more negative than -3 Volts, then it is a DCE.

④ If both pins 2 & 3 have a voltage of at least 3 volts, then either you are measuring incorrectly, or your device is not a standard EIA-232 device. Call technical support.

⑤ In general, a DTE provides a voltage on TD, RTS, & DTR, whereas a DCE provides voltage on RD, CTS, DSR, & CD.


UART(3)

This is a standard 9 to 25 pin cable layout for async data on a PC AT serial cable

Description Signal 9-pin DTE

25-pin DCE

Source DTE or DEC

Carrier Detect CD 1 8 from Modem

Carrier Detect RD 2 3 from Modem

Transmit Data TD 3 2 from Terminal/Computer

Data Terminal Ready DTR 4 20 From Terminal/Computer

Signal Ground SG 5 7 from Modem

Data Set Ready DSR 6 6 from Modem

Request to Send RTS 7 4 from Terminal/Computer

Clear to Send CTS 8 5 from Modem

Ring Indicator RI 9 22 from Modem


UART(4)

Pin Description EIA

CKT

From

DCE

To

DCE

1 Frame Ground AA

2 Transmitted Data BA D(Data)

3 Received Data BB D

4 Request Data CA C(Control)

5 Clear to Send CB C

6 Signal Set Ready CC C

7 Singnal Gnd/Common Return AB

8 Rcvd. Line Signal Detector CF C

11 Undefined

12 Secondary Rcvd. Line Sig. Detector C

13 Secondary Clear to Send SCB C

Pin Description EIACKT

FromDCE

ToDCE

14 Secondary Transmitted Data SBA D

15 Transmitted Sig.Element Timing

DB T(Timing)

16 Secondary Received Data SBB D

17 Received Sig. Element Timing DD T

18 Undefined

19 Secondary Request to Send SCA C

20 Data Terminal Ready CD C

21 Sig. Quality Detector CG C

22 Ring Indicator CE C

23 Data Sig. Rate Selector(DCE) CI C C

24 Data Sig. Rate Selector(DTE) CH T

25 Undefined

RS-232 interface

RS-232(EIA Std.) applicable to the 25 pin interconnection of Data Terminal Equipment (DTE)and Data Communication Equipment (DCE) using serial binary data


UART(5)

RS232D used RJ45 type connectors(similar to telephone connectors)

Pin No. Signal Description Abbr. DTE DCE

1 DCE Ready, Ring Indicator DSR/RI

2 Received Line Signal Detector DCD

3 DTE Ready DTR

4 Signal Ground SG

5 Received Data RxD

6 Transmitted Data TxD

7 Clear To Send CTS

8 Request To Send RTS


Liquid Crystal Display(1) LC( 액정 ) 란 ?

일정 온도 범위에서 유동성을 지닌 액정 상태를 말함 동시에 광학적으로 복굴절성을 나타내는 결정임 보통 물질은 용융 온도에서 고체로부터 투명한 액체로 변화하지만 ,

액정물질은 용융 온도에서 우선 불투명하고 혼탁한 액체로 일단 변화하고 그 후 더욱 온도를 올리면 보통의 투명한 액체로 변화한다 .

액정이란 명칭은 고체상과 액체상의 중간 상태인 액정상을 가리키는 경우와 이러한 액정상을 갖는 물질 그 자체를 가리키는 경우의 두 가지 의미로 사용되고 있다 .

액정 물질의 온도 변화에 의한 상태 변화


Liquid Crystal Display(2) LCD

액정의 특성을 이용해 만드는 디스플레이

LCD 특징 장점

저소비 전력 ( 수∼수십 μW/cm2) 으로 장시간의 전지구동이 가능한 에너지 절약형이다 .

저전압에서 동작 ( 수∼ 10V) 하므로 직접 IC 구동이 가능하고 구동 전자회로의 소형화 , 간략화가 가능하다 .


Liquid Crystal Display(3) 소자가 얇고 ( 수 mm), 또한 대형표시 ( 수십 cm 대각 ) 부터 소형표시

( 수 mm 대각 ) 까지 가능하다 . 특히 휴대형 (portable) 기기에 적합하다 . 수광형 표시이므로 밝은 장소에서도 표시가 선명하다 . 표시의 컬러화가 쉽기 때문에 표시기능의 확대 , 다양화가 이루어질 수

있다 . 투사확대 표시나 집적표시가 가능하여 대화면 표시 ( 수 m 대각 ) 가

용이하다 . 단점

비발광형이므로 반사형 표시인 경우 어두운 곳에서 표시의 선명함이 떨어진다 .

선명한 표시가 요구되는 경우 또는 컬러 표시의 경우 후광 (back light) 을 필요로 한다 .

표시 콘트라스트가 보는 방향에 의존하는 경우가 많아서 시각에 제약을 받는다 .

응답시간이 주위 온도에 의존하기 때문에 저온동작 (-30 -40 )∼ ℃ 에 어려움이 있다 .


LCD 용도 및 분류 LCD 의 분류

형태에 따른 분류 투사형 LCD 직시형 LCD

구동방식에 따른 분류 전기적 구동 (electrically addressed) LCD 광학적 구동 (optically addressed) LCD


LCD 동작 원리 동작원리

'OFF' 상태는 전압을 가하지 않은 상태를 나타내며 , 편광판을 통과한 빛이 액정의 분자 배열을 따라 꼬여지면서 교차된 다른 편광판을 통과하게 된다 . ( 즉 전압을 가하지 않은 상태에서는 빛이 통과한다 .)

'ON' 상태는 전압을 가한 상태를 나타내며 , 이때에는 전계의 방향을 따라 액정 분자가 일어서면서 편광판을 통과한 빛을 그대로 교차된 편광판에 전달시킴으로써 빛은 편광판에 의해 차단된다 . ( 즉 전압을 가하면 빛이 차단된다 .)

전압을 선택적으로 인가함으로써 상 , 하판의 전극 모양에 따라 원하는 도형 또는 문자를 표시할 수 있게 된다 .


LCD Hardware overview

MMU

PXA250 Core

PXA255

GP[27:0]

D[31:0]A[31:0]

GPIOGPIO Registers GP[27:0]

Bridge

Interrupt Controller

ICIPICMRICLR

ICCRICFP

FIQ, IRQ

DMADMARegisters

LCD Controller

ADS 7843

Dynamic Memory Controller

SDCKE[1]SDCLK[1]SDCS[0]#

SDRAS#

WE#SDCAS#

DQM[3:0]

MDCNFGMDCAS00MDREFR

LCD CON

LDD[15:0]L-FCLKL-LCLKL-PCLK

LCDControlRegisters

DCLKCS#DINBUSY

PENIRQ#DOUT

GP4

GP5GP26

X+X-

Y-Y+

Inverter Power

L-BIAS

E-PORT0[7:0] GP25E-PORTGP23

E-PORT0 7

TFT LCD & Touch screen


이더넷 (Ethernet)(1)

Ethernet Commonly used to refer to all carrier sense multiple access

collision detection (CSMA/CD) LANS that generally conform to Ethernet specifications, including IEEE 802.3


Ethernet(2) 전자적인 특성

신호 방식 (Signaling) 기저대역 (Base-band) 시스템

Manchester digital Encoding• 디지털 대 디지털 부호화• 극형 – 이상 부호화

광대역 (Broadband) 시스템 differential PSK

• 디지털 대 아날로그 부호화 전송속도 (data rate)

1~100Mbps


Ethernet(3) Baseband:

디지털 신호 ( 이 경우 맨체스터 부호화를 의미 ) 표준

첫 숫자는 Mbps 단위로 데이터 전송율 10Base2: 얇은 동축케이블 이용 , 최장 길이는 185m 10Base5: 굵은 동축케이블 이용 , 최장 길이는 500m 10Base-F: 광케이블을 이용 10Base-T: Twisted Pair cable 이용

광대역 (Broadband): 아날로그 신호 ( 이 경우에는 PSK) 한 가지 표준 : 10Broad36


Ethernet(4)

IEEE 802


프레임 형식 (Frame Format) Preamble(7 바이트 ) - alert, timing, start synchronization SFD(Start frame delimiter) - 프레임 시작 DA(Destination address) - 목적지 주소 SA(Source address) - 발신지 주소 PDU 길이 / 유형 802.2 프레임 (PDU) - 46~1500 바이트길이 CRC - 오류 검출 정보 , CRC-32

Ethernet(5)


Ethernet(6)

제어 (Control) 필드 HDLC 의 제어 필드와 동일

I-Frame

S-Frame

U-Frame

P/F Poll/final bit

N(S) 프레임 송신 번호

N(R) 프레임 수신 번호

Code 비번호나 감시코드


Ethernet(7) ACCESS Method : CSMA/CD

Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection : "Listen before talk" 방식

각 Node 는 Common Line 을 계속적으로 감시하면서 Data 송신 기회 감지 전송 감지 : Listen before talk

경쟁에 의한 엑세스로 충돌 발생 가능 : Collision 발생시 재전송 충돌 검출 : Listen while talk

구현이 간단하지만 , 트래픽 부하가 높을 경우에 충돌로 인한 망 성능 저하 발생 충돌 회수가 네트워크의 성능을 좌우


Ethernet(8)

CSMA/CD 동작 절차 컴퓨터가 전송을 원할 때는 전송

매체를 감지하고 있다가 채널상에 트래픽이 있으면 트래픽이 끝날 때까지 기다리고 , 신호가 없으면 즉시 전송을 개시

전송도중에도 항상 버스를 감지해서 충돌여부를 감지하며 , 충돌이 발생하면 즉시 전송을 중지 , 다른 스테이션에 충돌을 알리는 jamming 신호 발생

jamming 신호 전송이 끝나면 임의의 시간 동안 대기하였다가 다시 처음부터 시도

채널트래픽여부 ?

프레임 송신 요구

송신 개시

충돌검출 ?

충돌검출 ? jamming발생

송신완료 임의의 시간 대기

Yes

No Yes

No

Yes

No

Carrier Sense

Multi Access

Collision Dection


Ethernet Hardware 예

PXA255

MD(31:0)

T/F

T/F

Primary Ethernet

Secondary Ethernet

ADDR (15:2)

D(31:0) D(31:0)

DIR OE#

Logic

nCS1nCS2nCS3nCS4

RD_nWR

nPWEnOE

MA(25:0)nDQM(3:0)

WE#OE#A(15:2)DQM(3:0)#

WE#OE#A(15:2)DQM(3:0)#

nCS1nCS2

GPIO(0)

GPIO(1)

INTR0INTR0

Ethernet Controller SMSC 10/100 Ethernet Single Chip LAN91C111 Internal 32Bit Wide Data Path 8Kbytes Internal Memory (Receive and Transmit FIFO Buffers) External 25MHz-output pin for an external PHY and MAC MSC0,1 - Static Chip Select 1,2 (Bank 1,2) Base Address = 0x04000_0000 (Pri) 0x0800_0000(sec)


Universal Serial Bus – USB(1) Motivation

Connection of the PC to the telephone Ease-of-use Port expansion

Goals for the Universal Serial Bus Ease-of-use for PC peripheral expansion Low-cost solution that supports transfer rates up to 480 Mb/s Full support for real-time data for voice, audio, and video Protocol flexibility for mixed-mode isochronous data transfers and

asynchronous messaging Integration in commodity device technology Comprehension of various PC configurations and form factors Provision of a standard interface capable of quick diffusion into product Enabling new classes of devices that augment the PC’s capability Full backward compatibility of USB 2.0 for devices built to previous

versions of the specification


Universal Serial Bus – USB (2) Feature

Easy to use for end user Single model for cabling and connectors Electrical details isolated from end user (e.g., bus terminations) Self-identifying peripherals, automatic mapping of function to driver and

configuration Dynamically attachable and reconfigurable peripherals

Wide range of workloads and applications Suitable for device bandwidths ranging from a few kb/s to several hundred

Mb/s Supports isochronous as well as asynchronous transfer types over the

same set of wires Supports concurrent operation of many devices (multiple connections) Supports up to 127 physical devices Supports transfer of multiple data and message streams between the host

and devices Allows compound devices (i.e., peripherals composed of many functions) Lower protocol overhead, resulting in high bus utilization


Universal Serial Bus – USB (3) Isochronous bandwidth

Guaranteed bandwidth and low latencies appropriate for telephony, audio, video, etc.

Flexibility Supports a wide range of packet sizes, which allows a range of device

buffering options Allows a wide range of device data rates by accommodating packet buffer

size and latencies Flow control for buffer handling is built into the protocol

Robustness Error handling/fault recovery mechanism is built into the protocol Dynamic insertion and removal of devices is identified in user-perceived

real-time Supports identification of faulty devices

Synergy with PC industry Protocol is simple to implement and integrate Consistent with the PC plug-and-play architecture Leverages existing operating system interfaces


Universal Serial Bus – USB (4) Low-cost implementation

Low-cost subchannel at 1.5 Mb/s Optimized for integration in peripheral and host hardware Suitable for development of low-cost peripherals Low-cost cables and connectors Uses commodity technologies

Upgrade path Architecture upgradeable to support multiple USB Host Controllers in a

system


Universal Serial Bus – USB (5)


Universal Serial Bus – USB (6) Taxonomy of Application Space


Physical Interface

USB H/W Architectural(1)


USB H/W Architectural(2)


USB Host Controller Host Controller 의 분류

OHCI(Open Host Controller Interface : Compaq ) UHCI(Universal Host Controller Interface : Intel )

※ 같은 capability 를 제공

USB Core

Host Controller Driver

USB Client Driver

Host Controller(Compaq or Intel)

USB Device

Application

Linux USB Device Driver Stack


USB Hub

기능 포트 제어

연결 인식 포트 enable/disable reset/resume 신호

데이터 신호 신호 재생 robustness/recover

전력 분배


USB Data Flow

Type Control Transfers: Used to configure a device at attach time and can be

used for other device-specific purposes, including control of other pipes on the device.

Bulk Data Transfers: Generated or consumed in relatively large and bursty quantities and have wide dynamic latitude in transmission constraints.

Interrupt Data Transfers: Used for timely but reliable delivery of data, for example, characters or coordinates with human-perceptible echo or feedback response characteristics.

Isochronous Data Transfers: Occupy a prenegotiated amount of USB bandwidth with a prenegotiated delivery latency. (Also called streaming real time transfers).


USB 모델 한 개의 호스트 ( 마스터 모드 ), 다수의 디바이스 (client) USB 모델의 계층


호스트 계층 USB host controller

매체에 대한 물리적인 연결 low level 프로토콜 처리 (SIE) H/W + S/W

USB system S/W 드라이버층과의 인터페이스 standard device 처리

Client S/W 디바이스 드라이버

주변장치의 기능 처리를 위한 S/W


디바이스 계층

USB bus interface 매체에 대한 물리적인 연결 low level 프로토콜 처리 (SIE)

USB logical device 호스트에 대한 소자의 common view point high-level 프로토콜 처리

Function 장치에 의해 제공되는 기능


디바이스 추상화

엔드 포인트 디바이스 끝의 데이터 소스 또는 싱크 고유주소 , unidirection, transfer 특성을 가짐

파이프 호스트 S/W owner 와 디바이스 endpoint 의 결합 호스트 메모리 버퍼에서 엔드포인트 FIFO 의 연결 파이프 통신 모드 : stream( 데이터 ) 과 message(USB 데이터 구조 ) default control pipe : endpoint 0 와의 파이프

인터페이스 파이프의 집합 각 기능에 map 1 개의 S/W client 에 의해 소유됨


USB 의 상세 형태

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