S3C2440 Windows CE的RTC模塊驅動設計與實現

1 引言
    桌面Windows系統的時間顯示功能已為大家所熟知，它是通過BIOS上的時鐘模塊實現的。用戶通過點擊桌面系統任務欄右下腳的時間，可以修改當前時間、時區以及實現與Internet時間同步等功能。
    目前流行的手機、PDA、HMI(人機介面設備)等嵌入式系統中，都大量移植了微軟的Windows CE操作系統。雖然WinCE系統也實現了時間顯示，但是在具體的實現中，其原理和方法與桌面系統大不相同，即使是基於不同嵌入式硬體平台的WinCE開發，也有所不同。由於嵌入式系統的複雜性、分散性，目前嵌入式系統的實時時鐘RTC功能的實現，大部分是在基於內嵌於SoC處理器的RTC功能IP模塊的基礎上，通過軟體驅動實現的。
    S3C2440是三星公司推出的一款基於ARM920T處理器構架的低功耗、高性能的嵌入式SoC處理器，應用極為廣泛。RTC是S3C2440的一個內部功能模塊，本文首先對於S3C2440的硬體架構進行介紹，在此基礎上對S3C2440的RTC功能模塊的工作機理進行了分析，最後給出Windows CE.net下的RTC功能的驅動程序設計、實現，本驅動程序成功地應用在基於S3C2440Window CE平台的手持GPS機實時時鐘功能的實現，對於基於Windows CE.net其它硬體平台的RTC功能實現具有一定的借鑒作用。

2 硬體構架
    WinCE下RTC功能實現是基於RTC模塊的，在此先對S3C2440處理器作簡單介紹，主要對於S3C2440的RTC的硬體結構、工作機理進行分析，這些是Windows CE.net下RTC功能實現的基礎。
2.1 簡介
    S3C2440 是三星公司推出的基於ARM920T的嵌入式處理器，主頻高達400MHz，最高可達533MHz，低功耗、高性能，廣泛地應用於PDA、便攜媒體播放器、衛星導航儀等多媒體終端，片上集成指令/數據分開的16KCache、SDRAM控制器、LCD控制器、4通道DMA、3通道UART、IIC匯流排、IIS匯流排、SD主機介面、PWM定時器、看門狗、片上PLL時鐘發生器、8通道10位AD控制器和觸摸屏介面以及帶日曆函數的實時時鐘，極大地方便於系統開發。

2.2 S3C244O處理器的RTC硬體構架
    S3C2440內部RTC模塊結構框圖如圖1所示。S3C2440處理器的RTC模塊依靠外部32.768kHz晶振提供基準時鐘，系統能夠在斷電的情況下由後備電池供電繼續工作，能夠將8位數據轉換為BCD碼的格式傳送給處理器。這些數據包括秒、分、時、日期、星期、月、年。
    如圖1所示，RTC模塊由基準晶振的連接引腳、時鐘滴答發生器、215時鐘分頻器、控制和重置寄存器、閏年發生器、報警發生器以及BCD數字(秒、分、時、日期、星期、月、年)等幾部分組成：XTlrtc與XTortc是連接外部晶振32.768kHz的兩個引腳，為RTC內部提供輸入。215時鐘分頻器負責對基準頻率進行分頻。時鐘滴答發生器可以產生時鐘滴答，它可以引起中斷。閏年發生器按照從日期、月、年得來的BCD數據決定一個月最後一天是28、29、30還是31號(也就是計算是否是閏年)。報警發生器可以根據系統設定時間和當前時間決定是否報警。控制寄存器控制包括讀/寫BCD寄存器使能、時鐘複位、時鐘選擇等。重置寄存器可以選擇”秒”對”分”進位邊界，提供三個可選邊界：30、40或者50秒。
 
圖1 S3C2440內部RTC模塊結構圖
2.3 S3C2440處理器的RTC工作原理
    由RTC模塊的結構圖可以看出，RTC模塊的有三種功能：產生時鐘滴答、實時計時和作為系統的觸發喚醒器。RTC時鐘滴答可以作為實時操作系統(RTOS)的內核時鐘滴答，當時鐘滴答周期確定后，就會定時產生中斷，操作系統的中斷服務程序會實時處理這個中斷。
    RTC模塊可以在處理器的掉電模式或普通模式在設定時間(由BCD數據給出)和當前時間相同時發生報警。在普通模式下，ALMINT(報警中斷)處於激活狀態。在掉電模式下，PMWKUP(電源管理喚醒信號)與ALMINT一起處於報警狀態。
    RTC最重要的功能就是顯示時間。在掉電模式下，RTC依然能夠正常工作，此時，RTC模塊通過外部的電池工作。RTC時間顯示功能是通過讀/寫寄存器來實現的。要顯示秒、分、時、日期、月、年，處理器只要讀取存在於BCDSEC、BCDMIN、BCDHOUR、BCDDAY、BCDDATE、BCDMON和BCDYEAR寄存器中的值即可。

3 驅動程序實現
    本RTC功能的實現在基於S3C2440嵌入式開發平台上，通過WinCE下的RTC模塊的驅動程序完成，而WinCE下RTC的驅動是在底層實現的，具體要在OAL(OEM Adaption Layer)實現。下面對於OAL代碼層進行簡要介紹，然後分析RTC驅動代碼，在此基礎上給出部分源程序。
3.1 OAL概述
    OAL的全稱是OEM Adaption Layer，即原始設備製造商適配層。從邏輯結構上看，它位於操作系統的內核與硬體之間，是連接系統與硬體的樞紐；從功能上看，OAL是被鏈接到內核的庫，它可以用來創建內核的可執行文件。OAL在系統內核與目標設備之間進行通信，隸屬於操作系統.是操作系統的一部分。從存在方式上講OAL是一組函數的集合體，這些函數體現出OAL的功能，如圖2所示。
 
圖2 OAL功能結構關係框圖
    OAL層包含Startup()、OEMInit()、實時時鐘函數、串口調試函數、底層中斷處理函數、乙太網口調試函數、KITL(Kernel Independent Transport Layer)內核獨立傳輸層，此外，它還實現了包括電源管理、模塊認證等高級功能。
    WinCE的啟動過程為：CPU執行引導向量，跳轉到硬體初始化代碼，即Startup函數。
    在Startup函數完成最小硬體環境初始化后跳轉到KernelStart函數來對內核進行初始化；KernelStart函數調用OEMInitDebugSerial完成對調試串口的初始化，調用OEMInit函數來完成硬體初始化工作以及設置時鐘、中斷，調用OEMGetExtensionDRAM函數來判斷是否還有另一塊DRAM。
    因此，實時時鐘驅動實現代碼是在OAL層實現的，當Windows CE啟動時，會調用實時時鐘函數來初始化系統時間，下面介紹這些函數的具體實現。

3.2 時鐘函數
    實現RTC功能需要編寫3個函數，分別是OEMGetRealTime()、OEMSetRealTime()與OEMSetAlarmTime()。下面對於這三個函數分別介紹。
    OEMGetRealTime()得到當前時間。此函數名不可更改，是WinCE內核規定好了的，也就是當內核需要知道當前時間的時候直接調用此函數。圖3為函數OEMGetRealTime()執行流程。
 
    由於RTC不能任意地修改，不然會造成時間的混亂，所以每次獲取時間或者設置時間完畢以後必須禁止RTC，具體是通過設置RTC使能/禁止寄存器實現的。而在每次讀取時間或者設置時間的時候必須先使用它。在讀取時間的時候 若讀取的“秒”為0必須重新讀取時間，因此時的“分”已經被進位了。
    OEMSetRealTime()設置時間。與OEMGetRealTime()一樣，它也不可改名，通過此函數核心可以直接修改時間。也就是說，如果用戶點擊WinCE任務欄中的時間以後，修改時間最終都是調用此函數。
    OEMSetAlarmTime()設置系統報警時間，其參數為指向含有SYSTEMTIME結構體緩衝區的長指針。如果此函數執行成功則返回TRUE，執行失敗則返回FALSE。此函數必須是可重人的以防止對硬體的多次操作。對於一般用戶的操作，用戶可以不用編寫此函數。如果需要系統在特定的時間完成特定的功能就需要完成此函數的編寫。
    下面給出OEMGetRealTime()的源代碼僅供參考。
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 系統I/O
    OAL代碼層提供了與內核交互的函數，通過它內核可以獲得硬體平台的信息 。在OAL層中，完成此功能的函數為OEMIOcontrol()。其函數原型如下：
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每次啟動時都會由KernelIoContrl()函數調用OEMIOcontrol()，完成底層硬體信息的讀取，其中參數dwIoControl為內核與OAL通信的控制代碼，通過它可以完成硬體信息的讀取。控制代碼一般都是微軟定義好的，其中RTC模塊定義的控制代碼為IOCTL_HAL_INIT_RTC，通過它內核可以完成底層RTC模塊的初始化。
    nInBufSize是由lpInBuf(指針)指向的緩衝區的大小，緩衝區是按位元組大小計算的。SYSTEMTIME是WinCE內部定義的一個表示時間的結構體，LPSYSTEMTIME為指向此結構體的指針。SYSTEMTIME結構體原型如下，原型中定義了字格式的年、月、星期、日、時、分、秒、毫秒。
typedef struct _SYSTEMTIME
{
 WORD wYear;
 WORD wMonth;
 WORD wDayOfWeek;
 WORD wDay;
 WORD wHour;
 WORD wMinute;
 WORD wSeeond;
 WORD wMilliseconds;
}SYSTEMTIME;
    在本設計中，RTC的時間解析度為“秒”，這是因為S3C2440的RTC模塊所能提供的最小時間基準就是“秒”。用戶可以根據實際需求編寫系統I/O下的RTC初始化代碼，也可以禁止這部分代碼。若WinCE從OAL層讀不到時鐘參數的話，它會以系統的默認時間值來初始化SYSTEMTIME結構體。

4 結束語
    當前比較流行的ARM嵌入式處理器，如Samsung的S3C系列、Intel的Xscale系列、Motorola的龍珠系列等幾乎都內嵌有RTC模塊。使許多嵌入式產品如手機、PDA等的時間顯示豐富多彩，如具有顯示陽曆、陰曆、萬年曆等功能。本文給出了RTC模塊的WinCE驅動程序實現，基於本設計可以進一步開發如時鐘界面等時鐘應用功能，以滿足多姿多彩的嵌入式系統對於時鐘功能的應用需求。