S3C2440 Windows CE的RTC模块驱动设计与实现

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1 引言
    桌面Windows系统的时间显示功能已为大家所熟知，它是通过BIOS上的时钟模块实现的。用户通过点击桌面系统任务栏右下脚的时间，可以修改当前时间、时区以及实现与Internet时间同步等功能。
    目前流行的手机、PDA、HMI(人机接口设备)等嵌入式系统中，都大量移植了微软的Windows CE操作系统。虽然WinCE系统也实现了时间显示，但是在具体的实现中，其原理和方法与桌面系统大不相同，即使是基于不同嵌入式硬件平台的WinCE开发，也有所不同。由于嵌入式系统的复杂性、分散性，目前嵌入式系统的实时时钟RTC功能的实现，大部分是在基于内嵌于SoC处理器的RTC功能IP模块的基础上，通过软件驱动实现的。
    S3C2440是三星公司推出的一款基于ARM920T处理器构架的低功耗、高性能的嵌入式SoC处理器，应用极为广泛。RTC是S3C2440的一个内部功能模块，本文首先对于S3C2440的硬件架构进行介绍，在此基础上对S3C2440的RTC功能模块的工作机理进行了分析，最后给出Windows CE.net下的RTC功能的驱动程序设计、实现，本驱动程序成功地应用在基于S3C2440Window CE平台的手持GPS机实时时钟功能的实现，对于基于Windows CE.net其它硬件平台的RTC功能实现具有一定的借鉴作用。

2 硬件构架
    WinCE下RTC功能实现是基于RTC模块的，在此先对S3C2440处理器作简单介绍，主要对于S3C2440的RTC的硬件结构、工作机理进行分析，这些是Windows CE.net下RTC功能实现的基础。
2.1 简介
    S3C2440 是三星公司推出的基于ARM920T的嵌入式处理器，主频高达400MHz，最高可达533MHz，低功耗、高性能，广泛地应用于PDA、便携媒体播放器、卫星导航仪等多媒体终端，片上集成指令/数据分开的16KCache、SDRAM控制器、LCD控制器、4通道DMA、3通道UART、IIC总线、 IIS总线、SD主机接口、PWM定时器、看门狗、片上PLL时钟发生器、8通道10位AD控制器和触摸屏接口以及带日历函数的实时时钟，极大地方便于系统开发。
2.2 S3C244O处理器的RTC硬件构架
    S3C2440内部RTC模块结构框图如图1所示。S3C2440处理器的RTC模块依靠外部32.768kHz晶振提供基准时钟，系统能够在断电的情况下由后备电池供电继续工作，能够将8位数据转换为BCD码的格式传送给处理器。这些数据包括秒、分、时、日期、星期、月、年。
    如图1所示，RTC模块由基准晶振的连接引脚、时钟滴答发生器、215时钟分频器、控制和重置寄存器、闰年发生器、报警发生器以及BCD数字(秒、分、时、日期、星期、月、年)等几部分组成：XTlrtc与XTortc是连接外部晶振32.768kHz的两个引脚，为RTC内部提供输入。215时钟分频器负责对基准频率进行分频。时钟滴答发生器可以产生时钟滴答，它可以引起中断。闰年发生器按照从日期、月、年得来的BCD数据决定一个月最后一天是28、 29、30还是31号(也就是计算是否是闰年)。报警发生器可以根据系统设定时间和当前时间决定是否报警。控制寄存器控制包括读/写BCD寄存器使能、时钟复位、时钟选择等。重置寄存器可以选择”秒”对”分”进位边界，提供三个可选边界：30、40或者50秒。

图1 S3C2440内部RTC模块结构图
2.3 S3C2440处理器的RTC工作原理
    由RTC模块的结构图可以看出，RTC模块的有三种功能：产生时钟滴答、实时计时和作为系统的触发唤醒器。RTC时钟滴答可以作为实时操作系统(RTOS)的内核时钟滴答，当时钟滴答周期确定后，就会定时产生中断，操作系统的中断服务程序会实时处理这个中断。
    RTC模块可以在处理器的掉电模式或普通模式在设定时间(由BCD数据给出)和当前时间相同时发生报警。在普通模式下，ALMINT(报警中断)处于激活状态。在掉电模式下，PMWKUP(电源管理唤醒信号)与ALMINT一起处于报警状态。
    RTC最重要的功能就是显示时间。在掉电模式下，RTC依然能够正常工作，此时，RTC模块通过外部的电池工作。RTC时间显示功能是通过读/写寄存器来实现的。要显示秒、分、时、日期、月、年，处理器只要读取存在于BCDSEC、BCDMIN、BCDHOUR、BCDDAY、BCDDATE、 BCDMON和BCDYEAR寄存器中的值即可。

3 驱动程序实现
    本RTC功能的实现在基于S3C2440嵌入式开发平台上，通过WinCE下的RTC模块的驱动程序完成，而WinCE下RTC的驱动是在底层实现的，具体要在OAL(OEM Adaption Layer)实现。下面对于OAL代码层进行简要介绍，然后分析RTC驱动代码，在此基础上给出部分源程序。
3.1 OAL概述
    OAL的全称是OEM Adaption Layer，即原始设备制造商适配层。从逻辑结构上看，它位于操作系统的内核与硬件之间，是连接系统与硬件的枢纽；从功能上看，OAL是被链接到内核的库，它可以用来创建内核的可执行文件。OAL在系统内核与目标设备之间进行通信，隶属于操作系统.是操作系统的一部分。从存在方式上讲OAL是一组函数的集合体，这些函数体现出OAL的功能，如图2所示。

图2 OAL功能结构关系框图
    OAL层包含Startup()、OEMInit()、实时时钟函数、串口调试函数、底层中断处理函数、以太网口调试函数、KITL(Kernel Independent Transport Layer)内核独立传输层，此外，它还实现了包括电源管理、模块认证等高级功能。
    WinCE的启动过程为：CPU执行引导向量，跳转到硬件初始化代码，即Startup函数。
    在Startup函数完成最小硬件环境初始化后跳转到KernelStart函数来对内核进行初始化；KernelStart函数调用 OEMInitDebugSerial完成对调试串口的初始化，调用OEMInit函数来完成硬件初始化工作以及设置时钟、中断，调用 OEMGetExtensionDRAM函数来判断是否还有另一块DRAM。
    因此，实时时钟驱动实现代码是在OAL层实现的，当Windows CE启动时，会调用实时时钟函数来初始化系统时间，下面介绍这些函数的具体实现。
3.2 时钟函数
    实现RTC功能需要编写3个函数，分别是OEMGetRealTime()、OEMSetRealTime()与OEMSetAlarmTime()。下面对于这三个函数分别介绍。
    OEMGetRealTime()得到当前时间。此函数名不可更改，是WinCE内核规定好了的，也就是当内核需要知道当前时间的时候直接调用此函数。图3为函数OEMGetRealTime()执行流程。

    由于RTC不能任意地修改，不然会造成时间的混乱，所以每次获取时间或者设置时间完毕以后必须禁止RTC，具体是通过设置RTC使能/禁止寄存器实现的。而在每次读取时间或者设置时间的时候必须先使用它。在读取时间的时候 若读取的“秒”为0必须重新读取时间，因此时的“分”已经被进位了。
    OEMSetRealTime()设置时间。与OEMGetRealTime()一样，它也不可改名，通过此函数核心可以直接修改时间。也就是说，如果用户点击WinCE任务栏中的时间以后，修改时间最终都是调用此函数。
    OEMSetAlarmTime()设置系统报警时间，其参数为指向含有SYSTEMTIME结构体缓冲区的长指针。如果此函数执行成功则返回TRUE，执行失败则返回FALSE。此函数必须是可重人的以防止对硬件的多次操作。对于一般用户的操作，用户可以不用编写此函数。如果需要系统在特定的时间完成特定的功能就需要完成此函数的编写。
    下面给出OEMGetRealTime()的源代码仅供参考。
OEMGetRealTime(LPSYSTEMTIME lpst)
{
volatile RTCreg *s2440RTC；
s2440RTC = (RTCreg *)RTC_BASE;
//RETAILMSG(1,(_T("OEMGetRealTime ")));
//使能RTC
s2440RTC->rRTCCON =0x1;
lpst->wMilliseconds=0;
lpst->wSecond= FROM_BCD(s2440RTC->rBCDSEC&0x7f);
lpst->wMinute= FROM_BCD(s2440RTC->rBCDMIN&0x7f);
lpst->wHour= FROM_BCD(s2440RTC->rBCDHOUR&0x3f);
lpst->wDayOfWeek=(s2440RTC->rBCDDATE-1);
lpst->wDay= FROM_BCD(s2440RTC->rBCDDAY&0x3f);
lpst->wMonth=FROM_BCD(s2440RTC->rBCDMON&0x1f);
//lpst->wYear=(2000+s2440RTC->rBCDYEAR);
lpst->wYear=FROM_BCD(s2440RTC->rBCDYEAR)+2000;
if(lpst->wSecond==0)
{
lpst->wSecond=FROM_BCD(s2440RTC->rBCDSEC&0x7f);
lpst->wMinute=FROM_BCD(s2440RTC->rBCDMIN&0x7f);
lpst->wHour=FROM_BCD(s2440RTC->rBCDHOUR&0x3f);
lpst->wDayOfWeek=(s2440RTC->rBCDDATE-1);
lpst->wDay=FROM_BCD(s2440RTC->rBCDDAY&0x3f);
lpst->wMonth=FROM_BCD(s240RTC->rBCDMON&0x1f);
lpst->wYear=(2000+s240RTC->rBCDYEAR);
}
//禁止RTC
s2440RTC->rRTCCON=0;
return TRUE;
}
3.3 系统I/O
    OAL代码层提供了与内核交互的函数，通过它内核可以获得硬件平台的信息 。在OAL层中，完成此功能的函数为OEMIOcontrol()。其函数原型如下：
Bool OEMIoContol(……)
{switch(dwIoContro1)
{case IOCTL_HAL_INIT_RTC;
if(nInBufSize>= sizeof(SYSTEMTIME))
  return OEMSetRealTime((LPSYSTEMTIME)lpInBuf);
else
  return FALSE;
break;
……
default: return FALSE;
}
    WinCE每次启动时都会由KernelIoContrl()函数调用OEMIOcontrol()，完成底层硬件信息的读取，其中参数 dwIoControl为内核与OAL通信的控制代码，通过它可以完成硬件信息的读取。控制代码一般都是微软定义好的，其中RTC模块定义的控制代码为 IOCTL_HAL_INIT_RTC，通过它内核可以完成底层RTC模块的初始化。
    nInBufSize是由lpInBuf(指针)指向的缓冲区的大小，缓冲区是按字节大小计算的。SYSTEMTIME是WinCE内部定义的一个表示时间的结构体，LPSYSTEMTIME为指向此结构体的指针。SYSTEMTIME结构体原型如下，原型中定义了字格式的年、月、星期、日、时、分、秒、毫秒。
typedef struct _SYSTEMTIME
{
WORD wYear;
WORD wMonth;
WORD wDayOfWeek;
WORD wDay;
WORD wHour;
WORD wMinute;
WORD wSeeond;
WORD wMilliseconds;
}SYSTEMTIME;
    在本设计中，RTC的时间分辨率为“秒”，这是因为S3C2440的RTC模块所能提供的最小时间基准就是“秒”。用户可以根据实际需求编写系统I/O下的RTC初始化代码，也可以禁止这部分代码。若WinCE从OAL层读不到时钟参数的话，它会以系统的默认时间值来初始化SYSTEMTIME结构体。

4 结束语
    当前比较流行的ARM嵌入式处理器，如Samsung的S3C系列、Intel的Xscale系列、Motorola的龙珠系列等几乎都内嵌有RTC模块。使许多嵌入式产品如手机、PDA等的时间显示丰富多彩，如具有显示阳历、阴历、万年历等功能。本文给出了RTC模块的WinCE驱动程序实现，基于本设计可以进一步开发如时钟界面等时钟应用功能，以满足多姿多彩的嵌入式系统对于时钟功能的应用需求。