【文章內(nèi)容簡介】 define SENSOR_TYPE_MAGNETIC_FIELD 2 //磁力 define SENSOR_TYPE_ORIENTATION 3 //方向 define SENSOR_TYPE_GYROSCOPE 4 //陀螺儀 define SENSOR_TYPE_LIGHT 5 //光線感應 define SENSOR_TYPE_PRESSURE 6 //壓力 define SENSOR_TYPE_TEMPERATURE 7 //溫度 define SENSOR_TYPE_PROXIMITY 8 //接近 define SENSOR_TYPE_GRAVITY 9 //重力 define SENSOR_TYPE_LINEAR_ACCELERATION 10//線性加速度 define SENSOR_TYPE_ROTATION_VECTOR 11//旋轉(zhuǎn)矢量 利用這些傳感器我們可以制作出各種 有趣的應用程序和游戲。在這些傳感器 5 中，比較重要和常用的，也是筆者在本項目中參與驅(qū)動開發(fā)的傳感器是加速度計傳感器、磁傳感器和陀螺儀。 本文的主要內(nèi)容 在 TC4 平臺上實現(xiàn)九軸傳感器驅(qū)動 操作系統(tǒng)中， Google 提供了 11 中傳感器供應用層使用。包括返回 x、 y、 z 三軸的加速度數(shù)值的加速度 TC4 平臺是 SSCR（三星半導體中國研究所）為了開發(fā)以多核處理器 Exynos4x12 為核心的平板電腦手機的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺。 根據(jù)摩爾定律計算機以每 18 個月提升一倍的速度不斷 在提高性能，向著速度更快、效率更高、性能更強的方向發(fā)展。但由于受到器件的限制，在集成電路尺寸小到一定程度的時候，我們必須考慮到量子效應。因此，單獨從提供一個內(nèi)核的運行效率的方法是有局限性的。現(xiàn)代處理器正在朝著多個處理器核心并行運算的方向發(fā)展。 本項目采用 Exynos 系列處理器便是多核處理器。在處理器的名稱中， x 表示核心的數(shù)量，即 4212 表示雙核處理器； 4412 表示 4 核處理器。 Exynos 4212 是三星公司于 2020 年 9 月發(fā)布的新型雙核處理器。該處理器采用32 nm 制程，擁有兩枚主頻為 GHz 的 CortexA9 通用處理核心，擁有 32/32 KB I/D Cache, 1 MB L2 Cache，并且集成 ARM Mali 400 MP 圖形處理核心。在視頻方面， Exynos 4210 支持單路 WXGA 和雙路 WSVGA 視頻輸出，支持 HDMI ，可以拍攝 1080p、 30fps標準高清視頻； Exynos 4210提供了 的內(nèi)存帶寬，支持 LPDDR2/DDR2/DDR3 內(nèi)存。 Exynos 4412 則是今年年初才推出的四核處理器，擁有 32nm HKMG（高 K金屬柵極技 術(shù)）制程，支持雙通道 LPDDR2 1066。新的 32nm HKMG 技術(shù)可以幫助降低功耗，和其前代比，會減低 20% 的功耗。 Exynos 4412 四核處理器仍然集成 Mali400MP 圖形處理器，但三星公司已將這顆圖形處理器主頻由此前的266MHz 提升至 400MHz，新聞稿指出會比現(xiàn)有的雙核機型整體性能提升 60%，圖像處理提升 50%。 [3] 6 在傳感器方面， TC4 平臺就之前的 tablet 而言，將新加入陀螺儀傳感器。使得傳感系統(tǒng)更加準確。從而帶來更加的用戶體驗。 總之， TC4 平臺相對于之前的三星嵌入式開發(fā)平 臺，在處理器性能上提升了一個臺階。第一、從之前的單核處理器升級到了多核處理器；第二、處理器運行主頻更高，達到了 ；第三、在外設方面更加豐富，特別是與傳感器相關(guān)的 I2C 接口數(shù)量上，達到了 8 個之多。這些都使得 TC4 平臺的總體性能達到了世界領(lǐng)先的水平。傳感器（ Gsensor）；返回 x、 y、 z 三軸的環(huán)境磁場數(shù)據(jù)的磁力傳感器（ Msensor）；返回三軸的角度數(shù)據(jù)，方向數(shù)據(jù)的單位是角度的方向傳感器（ Osensor）；返回 x、 y、 z 三軸的角加速度數(shù)據(jù)的陀螺儀傳感器（ Gyrosensor）；檢測實時的光線 強度的光線感應傳感器；返回當前的壓強的壓力傳感器；返回當前的溫度的溫度傳感器；檢測物體與手機的距離的接近傳感器；輸出重力數(shù)據(jù)的重力傳感器（ GVsensor）；返回減去重力加速度之后加速度值的線性加速度傳感器（ LAsensor）以及返回旋轉(zhuǎn)矢量的旋轉(zhuǎn)矢量傳感器（ RVsensor）。 [4] 利用這些傳感器我們可以制作出各種有趣的應用程序和游戲。在這些傳感器中，比較重要和常用的，也是筆者在本項目中參與驅(qū)動開發(fā)的傳感器是加速度計傳感器、磁傳感器和陀螺儀。 研究的重點和難點 在主流的 平板電腦和只能手機當中，加速度傳感器和磁傳感器已經(jīng)成為標配。 加速度傳感器通過 MEMS 器件向處理器提供三個方向的加速度數(shù)值。經(jīng)過一系列的算法之后，在手勢識別、環(huán)境感知、游戲控制、磁盤保護等方面，為智能手機帶來了許多前所唯有的應用。 磁傳感器的本質(zhì)是一個電子羅盤，最主要的功能就是導航和定位。它通過霍爾傳感器來檢測地球磁場傾角，而磁傳感器能提供精確的 3D 行進方向。 自 2020 年 iPhone4 采用陀螺儀起，陀螺儀在手機中被迅速采用。陀螺儀的應用包括提升各種 “Motion Control”界面的用戶 體驗、圖形穩(wěn)定、游戲和導航等，成為提升高端手機體驗的重要配置。 在許多應用方案中，三軸加速度傳感器、三軸陀螺儀、三軸磁傳感器已經(jīng)被 7 集成到了一起，組成了九軸感測組件。比如整合加速計、陀螺儀和磁感應計，并均衡地利用三者的各自優(yōu)點，可在在導航解決方案的核心部分實現(xiàn)一個所謂的慣性測量單元（ IMU）。整合 MEMS 加速計、陀螺儀和地磁感應計的模塊正在進入更多市場。 論文研究的目的：在 TC4 平臺上實現(xiàn)九軸傳感器驅(qū)動 在 TC4 項目中，開發(fā)組分為 BSP（板極支持包）部門、 Midware（中間件）部門、 Hardware（硬件）部門和 SQA（軟件質(zhì)量保證）部門等。本課題涉及到的驅(qū)動程序設計屬于 BSP 部分。 TC4 平臺將采用最新的 操作系統(tǒng)，這在業(yè)界是領(lǐng)先的。全新的 版本的操作系統(tǒng)，將帶來全新的 UI 人性化體驗界面、提供針對多核處理器的優(yōu)化功能、全面提升運行速度；最重要的是， 將統(tǒng)一智能手機和平板電腦系統(tǒng)：谷歌新一代安卓系統(tǒng) Ice Cream Sandwich 將只有一個版本，同時支持智能手機、平板電腦，這將解決安卓 系統(tǒng)和安卓 操作系統(tǒng)版本分化的問題，開發(fā)者 為平板電腦和智能手機開發(fā)的應用也將可以通用。 本論文的目的就是首次在 Exynos4x12 的多核處理器 tablet 平臺下實現(xiàn)九軸傳感器的驅(qū)動。使得 TC4 平臺下， 操作系統(tǒng)能使用九軸傳感器。 在實現(xiàn)的方法上，由于傳感器要求的傳輸速率并不高，因此在通信協(xié)議上考慮使用 I2C 的接口方式。 Exynox4x12 芯片在內(nèi)部已經(jīng)集成了 I2C 的模塊。所以只需要操控內(nèi)部的控制器就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。 系統(tǒng)在底層采用的是 的內(nèi)核。和之前的 Linux內(nèi)核一樣，它支持 I2C 的體系結(jié)構(gòu)，在內(nèi)核代碼中已經(jīng)定義好了規(guī)范的結(jié)構(gòu)體和接口函數(shù)。開發(fā)人員需要理清各個結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，正確調(diào)用接口函數(shù)，來實現(xiàn)對設備的驅(qū)動，使得處理器可以和器件通信。 在選擇器件的時候，器件生產(chǎn)商會提供一些解決方案。這些方案是編寫驅(qū)動程序的參考材料。和操作系統(tǒng)抽象封裝下層一樣。驅(qū)動程序也會提供一些操作系統(tǒng)之上與硬件無關(guān)的函數(shù)庫。正確使用這些函數(shù)庫，是編寫正確驅(qū)動的關(guān)鍵。 總之，在三星平板電腦的開發(fā)平臺上首次實現(xiàn)九軸傳感器是本課題的重點和創(chuàng)新點，解決新版本 Android 的兼容性問題是本課題的難點。 8 第二章 TC4 平臺簡介 基于 Exynos4x12 處理器的 tablelet 開發(fā)平臺 隨著智能手機、平板電腦等便攜式手持設備的快速發(fā)展，應用處理器（ AP）被廣泛應用到各種嵌入式系統(tǒng)當中。應用處理器市場也以每年 10%左右的增長率不斷壯大。筆者實習所在的三星公司，是世界領(lǐng)先的應用處理器供應商。其芯片因性能優(yōu)越，被聯(lián)想、富士通、英華達等多家移動終端制造商使用。 TC4 平臺是面向平板電腦的開發(fā)平臺，采用的主處理器是 Exynos4x12。是三星公司推出多核處理器（ x 表示內(nèi)核的數(shù)量， x 為 2 時表示雙核， x 為 4 時表示 4核）。下面以 4212 為例做簡單介紹。 Exynos4212 采用 32 納米高 K 金屬柵極 (HK/MG)低功耗工藝。雙核 Exynos 4212 為移動設備系統(tǒng)架構(gòu)師提供了一個新的解決方案，支持高品質(zhì)用戶體驗及智能手機和平。 4212 處理器內(nèi)置兩個 CortexA9 1GHz 核心和 1MB 二級緩存，擁有 1G LP DDR2 800 內(nèi)存，并內(nèi)置有 Mali400 MP 圖形處理芯片，綁定 8GB 存儲卡。 其他配置方面，該芯片包含了 TFT24 位真彩色 LCD 控制器、相機接口、 MIPI DSI、 CSI電源管理、嵌入式 GPS 和 GLONASS、 MIPIslim 接口管理、 MIPI HSI 等；還包含有 4 個 UART、 24 通道 DMA、定時器、通用 IP 口、 3 個 I2S、S/PDIF 輸出、 8 個 IIC 總線接口、 3 個 HSSPI、 2 個 、 4 個 SD 主機及高速多媒體卡接口和四個鎖相環(huán)時鐘等。大大提高了整體功能。 4212 常采用雙核架構(gòu)，五倍的圖形性能的提高和廣泛的內(nèi)存帶寬使其能夠滿足消費者對栩栩如生的多媒體內(nèi)容立即地、有反應般地傳輸?shù)男枨蟆４送猓?4210支持先進的多媒體功能，諸如視頻編碼器 /解碼器，使消費者用每秒 30 幀的速度錄制和播放 1080P 全高清的高分辨率圖像。還 4212 提供了一個來源廣泛的高速內(nèi)存接口，包括低功耗 DDR2， DDR3 和一個非易失性內(nèi)存主機。多種編解碼器是可提供給用戶環(huán)境更方便的利用的，尤其是作為多媒體來源不同的用戶。 對于 4412，它與 4212 具有相似的特征，依然采用了 的主頻，但是 9 核心的數(shù)量從雙核上升到了四核。 值得一提的是，在傳感器支持方面， TC4 平臺在傳感器的支持方面非常領(lǐng)先，不但支持光傳感器、加速度傳感器等。還可以加入陀螺儀、磁傳感器等新型傳感器，實現(xiàn)更加豐富多彩的應用。 TC4 項目 BSP 簡介 BSP(Board Support Packet)是針對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)用的工具包，里面包含了針對開發(fā)板的各種開發(fā)軟件、工具和文檔等等。在本課題涉及的 TC4 項目中，具體的內(nèi)容如下： 交叉編譯器 本項目使用 arm2020q3 交叉編譯器，能將 C 語言的源程序編譯成機器可以識別的二進制文件，生成鏡像供板子開發(fā)使用。 對于小的程序，可以通過 arm2020q3 o hello 命令來編譯；當工程文件復雜時，則通常使用 Makefile文件中的 CC/CFLAGS選項來配置 編譯器的類型，使用 make 命令就能快捷編譯。 Bootloader 程序 Bootloader 程序是用來完成系統(tǒng)啟動和系統(tǒng)軟件加載工作的程序。它完成處理器和周邊電路正常運行所需要的初始化工作，屏蔽了底層硬件的差異，使上層軟件的編寫和移植更加方便。 [5] TC4 項目使用了 Uboot 模板，通過修改 代、更改 Makefile文件，可以編譯生成能啟動到開發(fā)板上的 bootloader 鏡像。 本項目的 bootloader 原理框圖如下， bootloader 可以大致分成 4 個步驟，bl1(Bootloader Stage1)、 bl2(Bootloader Stage 2)、 TZ(TrustZone)和 uboot(Universal Bootloader) 。通過分配空間、加載程序、加密之后跳轉(zhuǎn)到操作系統(tǒng)啟動。 Bootloader 除了有啟動操作系統(tǒng)的功能之外，還具有燒錄功能。在裸板的情況下，硬件部門只能通過 JTAG 口來燒錄程序至芯片中的 emmc 中，當 uboot 已 10 經(jīng)錄入，在 uboot 模式下，可以通過 fastboot 等工具直接燒寫操作系統(tǒng)內(nèi)核的鏡像、操作系統(tǒng)的外殼鏡像，甚至新的 bootloader 的鏡像。 嵌入式操作系統(tǒng) TC4平臺是針對 Samsung公司 Exynos 4x12應用處理器片上系統(tǒng)開發(fā)的平臺。該平臺面向平板電腦、智能手機等手持設備，重點開發(fā) 系統(tǒng)。 Android系統(tǒng)的內(nèi)核基于 linux。比如最新的 Icecream Sandwich(ICS)系統(tǒng)的內(nèi)核版本是 。在這個內(nèi)核之上， Android 還定義了系統(tǒng)運行庫層、應用程序框架層和應用程序?qū)印? Uboot 可以從官網(wǎng) Linux 內(nèi)核的源程序可以從 ， Android代碼可以通過 linux系統(tǒng)從 的 open source project 中下載。整個解決方案的開發(fā)的核心就是對這三個 prject的修改，能夠移植到 TC4 的硬件平臺上。 調(diào)試、下載工具 TC4 平臺使用一系列工具連接開發(fā)用的 PC 機和開發(fā)板，用于燒錄和調(diào)試代碼，以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng) bug、完善功能。具體的工具如下：