ATmega128을 이용하여 숫자를 옮기면서 전화번호를 표시하는 소스.


#include "avr/io.h"
#include "util/delay.h"



int main(void){
  
  //C 포트는 fnd의 숫자 결정(어떤 숫자를 띄울지)
  //G 포트는 fnd의 위치를 결정(어디에 띄울지)

  DDRC = 0xff; //0x1111 1111 모두 출력상태
  DDRG = 0x0f; //0x0000 1111 4개만 출력상태

  //FND 숫자 원리만 알면 되니까 미리 써놓는다

 int count =0;

 unsigned char empty = 0x00;

 unsigned char digit[11] = 
 {0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7c, 0x07, 0x7f, 0x67, 0x40};

 unsigned char fnd_sel[4] = {0x01, 0x02, 0x04, 0x08};

 unsigned char fnd[4] = {0x00,0x00,0x00,0x00};

 unsigned char phone[14] = {0,1,0,10,6,7,3,0,10,4,9,3,8};
 

  while(1){

    if(count>13) {
	 reset(fnd,&count);
	}    
     
    for(int j=0; j<400; j++){
		print(fnd_sel[3],fnd[3]);
		print(fnd_sel[2],fnd[2]);
		print(fnd_sel[1],fnd[1]);
		print(fnd_sel[0],fnd[0]);
    }
   
    move(&count,fnd,digit,phone);
  }

  return 0;
}


void print(char which,char what){
		PORTG = which;
	    PORTC = what;
		_delay_ms(10);
}

void reset(unsigned char* fnd,int* count){
   
   *count=0;
   for(int p;p<4;p++)
     fnd[p]=0x00;

}

void move(int* count,unsigned char* fnd,unsigned char* digit,unsigned char* phone){
	
	for(int q=3;q>0;q--)
      fnd[q]=fnd[q-1];
	
	fnd[0] = digit[phone[(*count)++]];
}



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종환 Revolutionist-JongHwan

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[포트(Port)의 이해]

하드웨어 분야에서 있어서 포트(Port)란, 전기적 신호 데이터가 오가는 통로를 의미합니다. 
즉, MCU로부터 외부로 노출 된 핀(Pin)들이 바로 포트가 될 수 있는 것입니다. 

우리가 사용하는 ATmega128에는 총 64개의 핀들이 노출되어 있으며, 
다음 그림과 같이 1번 핀에서부터 64번 핀까지 시계 반대방향으로 순서대로 읽어 나갑니다. 
(이 때, 동그랗게 파인 부분이 왼쪽 위 모서리에 위치하도록 한 후 읽습니다.) 



* 출처 : http://www.atmel.com/Images/doc2467.pdf
* 구글에서 "atmega128"로 검색하면 가장 위에 나타납니다.

ATmega128 DataSheet의 2페이지에서 가져 온 이 그림은 앞으로 AVR 개발을 하면서 
여러번 반복하여 보게 될 것입니다. 

위 회로에 적힌 용어들이 얼핏 보기엔 복잡해 보이지만, 
유심히 잘 보면 어떤 규칙이 있음을 알 수 있습니다. 

우선 51번 핀부터 시계 방향으로 보면, 44번 핀까지 PA라는 이름이 붙어 있습니다. 
즉, PA0, PA1, PA2, PA3, PA4, PA5, PA6, PA7 이렇게 총 8개가 PA라는 공통된 이름을 사용하고 있습니다. 

이를 Port A라고 부릅니다. 
다시말해, PA0에서 PA7까지 8개의 핀이 모여서 Port A라는 하나의 포트가 되는 것입니다. 

같은 방식으로 ATmega128엔 총 7개의 포트들이 존재합니다.
 
  - Port A : PA0 ~ PA7
  - Port B : PB0 ~ PB7
  - Port C : PC0 ~ PC7
  - Port D : PD0 ~ PD7
  - Port E : PE0 ~ PE7
  - Port F : PF0 ~ PF7
  - Port G : PG0 ~ PG4 

포트 G는 예외적으로 핀이 다섯 개 밖에 없으며, 고르게 위치하지 못하고 여기저기 
흩어져 있는 것이 특징입니다. 
반면에 나머지 A~F 포트들은 8개의 핀들이 나란히 위치하고 있습니다. 

개발자는 이 7개의 포트들을 자신이 원하는대로 이용할 수 있습니다. 

예를 들어, LED 1개가 있을 때, 이 것을 PA3번에 연결해도 되고, PF0번, 혹은 PE3번에 
개발자 마음대로 연결하여 사용할 수 있습니다. 그리고 각각의 핀에 전기 신호를 출력할지, 
혹은 반대로 전기 신호 입력을 받을지도 직접 결정할 수 있습니다. 

이처럼 개발자 마음대로 사용할 수 있는 포트들을 범용 I/O 포트라고 부릅니다.

그런데 잘 보면, 각각의 핀 이름 옆엔 괄호( )로 무언가 적혀 있습니다. 
예를 들어, PA3 옆엔 (AD3)이라고 적혀 있습니다. 

이 괄호 안에 들어가 있는 용어들은 해당 포트가 "특수 기능"으로 사용될 때의 용도를 나타냅니다. 
각각의 핀들은 모두 범용 기능 외에 특수 기능을 가지고 있기 때문입니다. 

개발자가 특정 레지스터를 사용할 경우, 이 특수 기능의 포트가 자동으로 사용됩니다. 
이 특수 기능에 대한 세부적인 내용은 실습을 진행해 나가면서 설명해 드릴 것이며,
지금은 이처럼 특수 기능으로 사용되는 포트들이 "특수 포트"다라는 것만 알고계시면 되겠습니다. 

다음은  Port의 P자가 붙지 않은 핀들에 대한 설명입니다.

  - VCC : 전원의 +가 입력되는 핀입니다.
  - GND : 전원의 -가 입력되는 핀입니다.
  - XTAL1, XTAL2 : 크리스탈이라는 외부 장치 입력 전용의 핀입니다.
  - AVCC : 아날로그 VCC가 연결되는 핀입니다.
  - AREF : 아날로그 VCC의 기준 전압이 되는 핀입니다.
  - PEN : SPI 통신에 사용되는 핀입니다.
  - RESET : ATmega128 회로를 리셋(일종의 재부팅)시키는 용도의 핀입니다.

위에 나열되지 않은 다른 핀들이 범용핀, 혹은 특수핀으로 사용될 수 있는 것이 반해, 
위의 핀들은 무조건 위처럼 정해진 기능만 할 수 있습니다. 

지금까지 설명드린 모든 핀들은 TQFP 타입으로 구성되어 있기 때문에, 
전선을 연결하거나 납땜하는 방법이 쉽지 않습니다. 



그렇기 때문에, 앞서 설명드린 변환 기판이나 확장 보드 같은 것을 이용하여 
추가 장치를 연결하기 쉬운 상태로 만드는 것이 일반적입니다.

포트는 MCU에만 존재하는 것이 아니라, 외부 메모리와 같은 주변장치에도 마찬가지로 존재합니다. 
즉, 데이터 송수신을 필요로하는 모든 장치는 이와 같은 포트들을 가지고 있습니다. 



예를 들어, 범용 I/O 포트의 FND의 숫자출력 포트를 C포트로 하고 위치포트를 G포트로 한다면(G포트로 하는 이유는 5비트로 구성되어 있으므로 4개의 위치를 결정하기 쉬움)

다음과 같이 프로그래밍 할 수 있다.


잔상효과를 이용하여 fnd에 숫자를 찍는다.

int main(void){
  
  //C 포트는 fnd의 숫자 결정(어떤 숫자를 띄울지)
  //G 포트는 fnd의 위치를 결정(어디에 띄울지)

  DDRC = 0xff; //0x1111 1111 모두 출력상태
  DDRG = 0x0f; //0x0000 1111 4개만 출력상태

  //FND 숫자 원리만 알면 되니까 미리 써놓는다

 unsigned char digit[10] = 
{ 0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7c, 0x07, 0x7f, 0x67};


  while(1){

    PORTG = 0x01;
    PORTC = 0x3f; 
    _delay_ms(30);

    PORTG = 0x02;//0x00 0010
    PORTC = 0x06;
    _delay_ms(30);

    PORTG = 0x04;//0x00 0100
    PORTC = 0x5b;
    _delay_ms(30);

    PORTG = 0x08;//0x00 1000
    PORTC = 0x4f;
	_delay_ms(30);
  }
  return 0;
}

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출처 : http://www.hackerschool.org/Sub_Html/HS_University/HardwareHacking/14.html

[WinAVR + AVR Studio 설치하기]

본 서적과 함께 AVR 개발 실습을 하기 위해선 다음과 같은 세 가지가 필요하며,
이 준비 과정은 일반적으로 15분에서 30분 정도 소요 될 것입니다.

- 첫 째, AVR 전용 컴파일러 설치
- 둘 째, AVR 개발을 쉽게 할 수 있도록 도와주는 통합개발도구(IDE) 설치
- 셋 째, AVR 키트에 대한 하드웨어 드라이버 설치

1. WinAVR의 설치
  - WinAVR은 컴파일러, 디버거, 분석도구의 모음입니다. 
  - 즉, 실제 개발의 핵심이 되는 파일들을 제공합니다.
  - 설치되는 파일들 : gcc, g++, gdb, nm, ld, objdump, readelf 등
  - WinAVR 설치
    - http://sourceforge.net/projects/winavr/files/
    - 바로다운: http://sourceforge.net/projects/winavr/files/WinAVR/20100110/
    - 짧은 링크: http://bit.ly/gcPMiX
  - 기본 설치 폴더는 C:\WinAVR-20100110\입니다.



2. AVR Studio4 설치
  - 위 WinAVR에 대한 GUI 기반 통합개발 환경을 제공하는 도구입니다.
  - 즉, AVR Studio는 WinAVR에 대한 사용자 인터페이스인 셈입니다.
  - AVR Studio4 설치
    - http://www.atmel.com/tools/STUDIOARCHIVE.aspx (4.19 설치 권장)
    - register 버튼을 눌러서 등록 후 다운로드 가능
    - 등록 없이 바로 다운 : http://www.atmel.com/Images/AvrStudio4Setup.exe
    - 짧은 링크 : http://bit.ly/JaTVrT (실행파일 링크 경고가 나오면 무시하고 계속 진행)
  - Windows7의 경우 설치 중 멈춤 현상이 발생하는 경우가 있는데,
    이 때엔 다른 프로그램들을 닫고 바탕화면으로 이동하면 설치가 계속 진행됩니다.
  - 기본 설치 폴더는 C:\Program Files\Atmel\입니다.
  - AVR Studio 설치 후 추가로 나타나는 Junggo USB 드라이버도 함께 설치합니다.




참고> AVR ToolChain 
  - AVR ToolChain은 ATMEL 자체적으로 제공하는 컴파일러입니다. 
  - 개발자는 WinAVR과 AVR Toolchain 중 하나를 선택하여 사용합니다.
  - 우리는 WinAVR 이미 컴파일러를 설치했기 때문에 ToolChain은 설치하지 
    않아도 되며, 단지 참고로 설치 경로를 알려드립니다.
  - http://www.atmel.com/dyn/products/tools_card.asp?tool_id=4118
  - 링크 : http://www.atmel.com/Images/avr-toolchain-installer-3.3.0.710-win32.win32.x86.exe
  - 짧은 링크 : http://bit.ly/K8pbub

3. JMOD128 개발 키트의 USB 드라이버 설치 - http://www.silabs.com/products/mcu/pages/usbtouartbridgevcpdrivers.aspx - http://www.silabs.com/Support%20Documents/Software/CP210x_VCP_Win_XP_S2K3_Vista_7.exe - 짧은 주소 : http://bit.ly/IKV0cs - 설치 후 나타나는 CP210x USB to UART Bridge도 함께 설치합니다. 만약 드라이버 설치가 정상적으로 됐다면, JMOD128 USB 케이블을 PC에 연결했을 때 장치관리자에 다음과 같이 CP210x USB to UART Bridge 드라이버가 나타나야 합니다. 만약 드라이버 설치가 잘 되지 않는다면 USB 케이블을 여러번 재장착 해보시기 바랍니다. 이로써 개발 환경 구축이 완료 되었습니다! 참고로 상위 버전인 AVR Studio5도 배포되고 있으나, 버전 4에 비해 프로그램이 무겁고, 설치도 오래 걸리며, 결정적으로 우리가 사용하는 ATmega128과의 호환성이 떨어지는 이유로 추천해드리지 않고 있습니다.


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종환 Revolutionist-JongHwan

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여기서는 인터럽트를 사용하는 응용으로써 키패드 디바이스 드라이버를 설명한다. 키패드는 내부에 디코더를 가지고 있어 눌려진 키에 대한 4비트 BCD 데이터를 출력하며 이출력은 4비트 래치를 거쳐 프로세서의 데이터 버스에 입력된다. 4비트를 위해 사용되는 데이터 버스의 비트 위치는 비트 15 ~ 비트 12로 가정하였다.


키패드 회로에서는 주소 0x0C00 0000에서 래치 동작신호를 발생시키기 위하여 주소 디코더에 칩 선택 신호 CS3를 사용하고있다. 또 키패드에서 발생하는 인터럽트를 처리하기 위해 인터럽트 요청 신호가 PXA 프로세서의 GPIO핀에 연결되어 있다.


key-drv.h 소스 


#include "linux/kernel.h"
#include "linux/module.h"
#include "linux/init.h"
#include "linux/types.h"
#include "linux/ioport.h"
#inlcude "unistd.h"
#include "linux/slab.h"
#include "linux/mm.h"
......


#define KEY_ADDR 0xF3000000

#define KEY_IRQ IRQ_GPIO(19)

static int KEY_MAJOR = 67;

static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(key_queue);

key_drv.h의 처음 부분에는 디바이스 드라이버 구현에 필요한 각종 헤더파일들과 인터럽트 사용에 필요한 헤더파일들이 있다.


키패드 디바이스 파일의 주번호로 67이 정의되어 있다.


다음문에서는 인터럽트가 발생할 때까지 프로세스를 대기상태로 두는 대기큐를 선언한다.


DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(key_queue);


다음 문은 리눅스 커널 소스에서 해당 임베디드 보드에 대한 물리주소와 가상주소를 서로 연결해주기 위한 것이다.


#define KEY_ADDR 0xF3000000



다음은 디바이스 드라이버 실제 구현 부분인 key-drv.c 부분이다.




#include "key-drv.h"

static unsigned short *key;
static int key_data =0;

static void key_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)
{
  key_data = (*(key) & 0xf000) >> 12;

  printk("Interrupt Service : Input Data from Keypad : %d \n",key_data);

 wake_up_interruptible(&key_queue);
}

static ssize_t key_read(struct file *filp, char *buf,size_t count,loff_t *l)
{
  int tmp;

 tmp = key_data;

  intteruptible_sleep_on(&key_queue);

 copy_to_user(buf,&key_data,sizeof(tmp));
 return 0;
}

static int key_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
  MOD_INC_USE_COUNT;
  printk("keypad Device Open\n");
  return 0;
}

static int key_release(Struct inode *inode, struct file *filp)
{
 MOD_DEC_USE_COUNT;
 printk("Keypad Device Released\n");
 return 0;
}
 
static struct file_operations key_fops = {
 open : key_open,
 read : key_read,
 release : key_release,


};


static int __init key_init(void)
{
  int res, result;

   if((result = register_chrdev(KEY_MAJOR,"key",&key_fops))<0){
     printk(" register_chrdev() FAIL! \n");
     return result;
   }

   if(!check_region(KEY_ADDR,2))
    request_region(KEY_ADDR, 2, "key");

  key = (unsigned short *)KEY_ADDR;

  if((res = request_irq(KEY_IRQ, &key_interrupt, SA_INTERRUPT, "key", NULL))<0)
     printk(KERN_ERR, "request_irq() FAIL!\n");

  set_GPIO_IRQ_edge(IRQ_TO_GPIO_2_80(KEY_IRQ), GPIO_FALLING_EDGE);

  return 0;
}

void __exit key_exit(void)
{
   disable_irq(KEY_IRQ);
         free_irq(KEY_IRQ,NULL);

   release_region(KEY_ADDR, 2);
   unregister_chrdev(KEY_MAJOR,"key");
}

module_init(key_init);
module_exit(key_exit);

}


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종환 Revolutionist-JongHwan

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* 인터럽트 제어레지스터

 

pxa 계열 프로세서의 인터럽트 제어 방식 및 관련 레지스터는 거의 유사하다. pxa계열 프로세서의 인터럽트 컨트롤러는 내부 유닛에서 발생하는 각종 인터럽트 및 GPIO 핀을 통한 외부 장치로 부터의 인터럽트 요청(IRQ)을 모두 처리한다.

 

PXA 계열 프로세서에서의 인터럽트는 상위레벨과 하위레벨의 두 단계 구조를 가진다.

상위레벨은 인터럽트를 발생하는 장치들이며 하위레벨은 각 장치 내부의 개별적인 인터럽트 소스들이다. 이들 내부 인터럽트 소스의 구분은 각 장치 내부의 상태 레지스터를 읽으므로써 알 수 있다.

 

 

예를 들어 DMA 컨트롤러는 상위레벨 인터럽트 발생 장치인데, DMA 컨트롤러 내부에는 16개의 채널이 있고 이들 개별 채널이 각각 하위레벨 인터럽트 소스가 된다. 따라서 DMA 컨트롤러는 16개의 하위레벨 인터럽트 소스를 가진다. 또 UART는 상위레벨 인터럽트 발생 장치인데, UART 내부에서는 송신 인터럽트, 수신 인터럽트, 에러 인터럽트 등 여러개의 하위레벨 인터럽트 소스를 가지는 것이다.

 

인터럽트 기능을 제어하는 레지스터들은 다음과 같은 것들이 있다

 

Interrupt Controller Pending Register(ICPR)

 

Interrupt Controller IRQ Pending Register(ICIP)

 

Interrupt Controller FIQ Pending Register(ICFP)

 

Interrupt Controller Mask Register(ICMR)

 

Interrupt Controller Level Register(ICLR)

 

Interrupt Controller Control Register(ICCR)

 

 

위의 인터럽트 컨트롤러 레지스터 중 ICPR 레지스터는 인터럽트 발생 시 해당 비트가 "1"로 된다.

 

인터럽트 소스로 IS 8 ~ IS 31 까지가 정의되어 있고 해당 인터럽트 장치(소스)에서 인터럽트 발생 시 해당 비트가  "1"로 되며 커널에서는 이를 보고 해당 장치의 인터럽트 핸들러를 찾을 수 있게 된다. 해당 장치의 인터럽트 핸들러에서는 해당 인터럽트 장치의 내부 레지스터를 접근해서 실제 인터럽트를 발생한 하위레벨 인터럽트 소스를 찾은 다음 여기에 대한 처리를 한다.

 

인터럽트 소스 IS 11은 USB 장치이며 하위레벨 인터럽트를 7개 가지는 것을 알 수 있고, 인터럽트 소스 IS 10 PXA 프로세서의 GPIO 핀 2~80으로부터의 외부 인터럽트이며 각 핀마다 인터럽트를 가지므로 총 79개의 하위레벨 인터럽트를 가짐을 알 수 있다. GPIO 총 79개 핀 중 하나라도 인터럽트가 발생하면 인터럽트 소스 IS 10은 "1"로 되며, 인터럽트 소스 IS 10에 대한 인터럽트 핸들러에서 GPIO 어느 핀에서 인터럽트가 발생하였는지 검색하여 여기에 대한 인터럽트 처리를 하는 것이다.

 

ICLR 레지스터는 발생한 인터럽트가 일반 인터럽트인 IRQ인지 고속 인터럽트인 FIQ인지 나타낸다. 해당 비트가 '0'이면 IRQ이고 "1"이면 FIQ 이다....

 

 

* 인터럽트 처리 및 등록

 

처리 : IRQ 인터럽트가 발생하면 현 프로그램 카운터 값을 링크 레지스터에 저장하고 CPSR(Current Processor Status Register) 값을 SPSR_irq(Saved Processor Status Register)에 각각 저장한다.

 

그리고 IRQ의 exception 벡터 주소로 점프하여 인터럽트 처리가 시작된다. 인터럽트 처리 완료 후에는 링크 레지스터에 저장된 복귀 주소로 리턴되고 SPSR_irq 레지스터 내용도 다시 CPSR로 복구하여 인터럽트 이전 상태로 돌아간다.

 

등록 : 인터럽트를 사용하고자 하는 디바이스 드라이버는 인터럽트 서비스 루틴을 등록하고 이는 리눅스 커널의 전역변수 irq_desc에 등록된다. 인터럽트가 발생하면 커널은 ICPR 레지스터에서 "1"인 비트를 조사해 인터럽트를 발생한 장치 번호를 얻고, do_IRQ() 함수에서 전역변수 irq_desc를 조사해 해당 인터럽트 서비스 루틴을 찾는 방식으로 동작한다.

 

* GPIO 핀을 인터럽트 입력으로 설정하기

 

PXA 계열 프로세서의 GPIO 핀들은 외부장치로부터의 인터럽트 요청을 받는 입력신호로 사용할 수 있다. 이와 같이 설정하기 위해서 필요한 PXA 계열 프로세서의 GPIO 관련 레지스터들 및 그 기능은 다음과 같다.

 

인터럽트 입력으로 설정할 때

 

GPDR 레지스터 : 인터럽트 입력으로 사용할 핀의 동작 방향을 입력으로 설정한다.

 

GAFR 레지스터 : 인터럽트 입력으로 사용할 핀은  부가기능을 OFF 시켜야 하므로 이에 대응한 비트를 "00"으로 설정한다.

 

GRER 레지스터 : 인터럽트 입력으로 사용할 핀에서 신호가 상승 에지 시 인터럽트를 검출하고자 할 때 설정한다.

 

GFER 레지스터 : 인터럽트 입력으로 사용할 핀에서 신호가 하강 에지 시 인터럽트를 검출하고자 할 때 설정한다.

 

GEDR 레지스터 : 인터럽트 신호가 들어오면 해당 핀에 대응하는 비트가 "1"로 된다.

 

예를 들어 GPIO 40번 핀을 하강 에지로 설정하려면 위의 GFER1 레지스터의 비트 8을 "1"로 해주면 되고 GPIO 28핀을 상승 에지로 설정하려면 GRER레지스터의 28을 "1"로 해주면 된다. 이와 같은 기능을 대신해주는 함수로 set_GPIO_IRQ_edge()이 있다.

 

첫 번째 인수는 인터럽트 입력으로 설정하려는 GPIO 핀 번호이고 두 번째 인수는 플랙으로서 해당 핀을 상승에지로 설정하려면 GPIO_RISING_EDGE를 하강에지로 설정하려면 GPIO_FALLING_EDGE를 각각 넣으면 된다.

 

 

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github.com/alciakng 항상 겸손하자.

문자 디바이스 드라이버 프로그래밍의 예로써 LED 장치 디바이스 드라이버를 설명한다.

 

 

#include "linux/kernel.h"
#include "LINUX/module.h"
#include "LINUX/init.h"
#include "LINUX/types.h"
#include "LINUX/ioport.h"
#include "UNISTD.H"
#include "LINUX/slab.h"
#include "LINUX/mm.h"
#include "ASM/hardware.h"
......

#define LED_ADDR0xF3000C00  // 베이스 주소+LED offset 값 0x0C00

static int led_major = 63;

 

 

 

led-drv.h에는 linux/kernel.h, linux/module.h 등 디바이스 드라이버 구현에 필요한 각종 헤더 파일들이 포함되어 있다. LED 디바이스 파일의 디바이스 주 번호로 63이 정의되어 있다.

 

참고로 linux/module.h는 커널 모듈 프로그래밍에서 필요한 정의, 함수 등이 선언되어 있다.

 

linux/init.h는 module_init()과 module_exit(), 매크로등이 선언되어 있다. 

 

 

디바이스 드라이버 실제 구현부분인 led-drv.c 의 소스는 다음과 같다

#include "led-drv.h"

int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
MOD_INC_USE_COUNT;
printk("LED device open \n");

return 0;
}

static ssize_t led_write(struct file *file, const char *buffer, size_t length, loff_t *offset){

unsigned char *led_port;
size_t len = length;
int value;

get_user(value, (int *)buffer);
printk("data from application program : %d\n",value);

led_port = (unsigned char *)(LED_ADDR);
*led_port = value;
return len;
}

int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
MOD_DEC_USE_COUNT;
return 0;
}

struct file_operations led_fops = {
open : led_open,
write : led_write,
release : led_release,
};

static int __init led_init(void)
{
int result;

result = register_chrdev(led_major,"led_device",&led_fops);
if(result<0)
{
printk(KERN_WARNING "register_chrdev() FAIL!\n");
return result;
}

if(!check_region(LED_ADDR,2))
  request_region(LED_ADDR,2,"led_device");
else
printk(KERN_WARNING "check_region() FAIL!\n");

return result;
}

static void __exit led_cleanup(void)
{
   release_region(LED_ADDR, 2);
if(unregister_chrdev(led_major, "led_device"))
printk(KERN_WARNING "unregister_chrdev() FAIL!\n");

}

module_init(led_init);
module_exit(led_cleanup);


 

 

 

 

 

 

위 소스에서 마지막 줄의 module_init(led_init)와 module_exit(led_cleanup) 문에서는 커널 모듈이 로드될 때 호출되는 함수가 led_init()이고 언로드 될 때 호출되는 함수가 led_cleanup()임을 나타낸다.

 

led_init 시에 check_region(LED_ADDR,2) 문을 사용해 LED_ADDR이 가리키는 영역이 현재 입출력(I/O) 포트로 사용할 수 있는 영역인지 확인한다. check_region() 함수의 포맷은 다음과 같다.

 

int check_region(unsigned int from,unsigned int extent)

 

위에서 from 인수는 입출력 포트에 해당하는 영역의 시작 주소이고, extent는 그영역의 범위를 나타낸다.

 

check_region() 함수가 성공하면, request_region(LED_ADDR, 2, "led_device") 문을 사용해 LED_ADDR이 가리키는 메모리 영역을 입출력 포트로 사용하기 위해 할당한다.

 

할당 후에는 LED_ADDR을 사용해 디바이스에 대한 접근을 할 수 있다.

 

 

request_region() 함수의 포맷은 다음과 같다.

 

void request_region(unsigned int from, unsigned int extent, const char *name);

 

위에서 from 인수는 입출력 포트에 해당하는 메모리 영역의 시작 주소이고, extent는 그 영역의 범위를 나타내며, name은 디바이스의 이름이다. 즉 request_region() 함수는 디바이스의 입출력 포트를 위해 특정 주소의 메모리 영역을 커널에서 확보하는데 사용한다.

 

led_write() 함수는 실제 LED로 출력을 하는데 다음 문에서는 get_user()함수를 이용해 사용자 메모리 영역(buffer)의 데이터를 커널 영역의 메모리(value)로 옮기고 있다. copy_from_user() 함수를 사용해도 동일한 작업을 할 수 있다.

 

get_user(value, (int *)buffer);

 

다음 문에서는 request_region() 함수로 확보한 메모리 영역에 접근하여 LED_ADDR을 사용하여 이를 통해 사용자로 부터 받은 값을 LED 디바이스로 직접 출력하고 있다.

 

led_ port = (unsigned char*)(LED_ADDR)

*led_port = value;

 

led_release() 함수는 사용자 응용 프로그램에서 close() 함수를 사용했을 때 호출되는 함수이며, 여기서는 단지 MOD_DEC_USE_COUNT 매크로를 이용하여 이 디바이스를 이용하는 프로그램 개수(usage count)를 줄이는 기능만 수행한다.

 

사용자 응용 프로그램 led-drv-app.c 소스는 다음과 같다

 

 

#include 
#include 
#include 

int main() {

int fd;
int value;

if((fd = open("/dev/led_device",O_RDWR))<0){
printf(" open() FAIL! \n");
exit(-1);
}

for(value=0; value<64; value++){
write(fd,&value,sizeof(int));
usleep(8000);
}

close(fd);
return 0;
}



 

 

 

 

 

다음 Makefile은 위에서 설명한 디바이스 드라이버 소스 led-drv.c와 사용자 응용 프로그램 led-drv-app.c를 각각 컴파일 하여 커널 모듈인 led-drv.o와 사용자 실행 프로그램 led-drv-app를 생성하기 위한 것이다.

CC = arm-linux-gcc
STRIP = arm-linux-strip

INCLUDEDIR = /src/linux-2.4.21/include

CFLAGS = -D__KERNEL__ -DMODULE -02 -Wall -I$(INCLUDEDIR)

EXECS = led-drv-app
MODULE_OBJ = led-drv.o
SRC = led-drv.c
ARRP_SRC = led-drv-app.c
HDR = led-drv.h

all : $(MODULE_OBJ) $(EXECS)

$(MODULE_OBJ) : $(SRC) $(HDR)
 $(CC) $(CFLAGS)  -c $(SRC)

$(EXECS) : $(APP_SRC)
$(CC)  -o $@   $(APP_SRC)
$(STRIP) $@

clean : 
rm -f *.o  $(EXECS)

 

 

 

 

위에서 CFLAGS는 커널 모듈을 컴파일 하기 위해 필요한 컴파일 옵션들은 선언하고 있다. 여기서 옵션 -Wall은 'Warning All'의 의미로 모든 경고 메시지를 표시하라는 것으로 이는 커널 모듈은 커널 레벨에서 동작하므로 응용 레벨 프로그램과는 달리 에러 발생 시 시스템 전체에 영향을 미칠 수 있는 상황을 막기 위한 보호 장치가 없기 때문에 조심하기 위한 것이다.

 

컴파일 옵션 -O2는 최적화 레벨을 나타낸다. 이 옵션은 컴파일 시 최적화하지 않는 경우 인라인 함수를 외부로 공개하는 심벌로 간주해 에러가 발생할 수 있기 때문에 사용한다. 옵션 -O를 사용해도 된다.

 

컴파일 옵션 -D__KERNEL__은 코드가 커널 모드에서 실행됨을 알려주며, 옵션 -DMODULE은 헤더파일에게 소스가 모듈임을 알려 준다. INCLUDEDIR은 커널 모듈을 생성하기 위해서 필요로 하는 헤더 파일 위치를 나타낸다.

 

커널 모듈 컴파일 시는 링크 과정이 없으므로 옵션 -c를 사용하였고, 사용자 프로그램 컴파일 시는 링크 과정을 통해 실행파일이 생성되어야 하므로 옵션 -o가 사용되었다. 위 Makefile 파일에 대해 make 명령을 실행하면 커널 모듈 led-drv.o와 사용자 실행프로그램 led-drv-app가 생성된다.

 

디바이스 드라이버 실행 준비를 위해 먼저 위에서 얻은 디바이스 드라이버 파일 led-drv.o와 실행파일 led-drv-app을 임베디드 보드로 전송해야 한다. 이를 위해서 이 책에서는 임베디드 보드가 부팅 과정에서 NFS를 사용하여 마운트하는 루트파일 시스템이 호스트 컴퓨터의 /test/nfs 디렉터리라고 설정하였으므로 다음과 같이 cp 명령을 사용하여 임베디드 보드의 '/root' 디렉터리, 즉 root 계정의 홈디렉터리로 보낸다.

 

cp led-drv.o /test/nfs/root

cp led-drv-app /test/nfs/root

 

이후 호스트에서 시리얼 통신 프로그램을 실행시켜 임베디드 보드와 연결 후 사용자 계정 root로 임베디드 보드에 로그인 하면 위에서 cp명령으로 전송했던 파일이 root의 홈 디렉터리에 있는 것이 보인다.

  LED 디바이스 드라이버 실행을 위해 먼저 LED 디바이스 파일을 만들어야 한다. 이를 위해 다음 명령을 수행하여 디바이스 주(major) 번호 63으로 LED디바이스 파일을 생성한다.

 

mknod /dev/led_device c 63 0

 

다음 명령을 수행하여 LED 디바이스 드라이버 모듈인 led-drv.o를 메모리에 로드한다.

 

insmod led-drv.o

 

insmod 명령을 사용하여 LED 디바이스 드라이버를 메모리에 로드한 후에는 다음과 같이 하여 사용자 응용 프로그램 led-drv-app을 실행할 수 있다.

 

/led-drv-app

 

실행 결과로 임베디드 보드의 8개 LED에 0~64에 해당 하는 2진수 값이 차례로 표시된다.

 

 

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사용자 응용프로그램에서 디바이스 드라이버와 서로 데이터를 주고받기 위해서는 보통 read()나 write()  함수를 사용한다.

반면 응용프로그램에서 ioctl() 함수는 복잡한 기능의 디바이스를 제어하기 위해 사용한다.

 

응용 프로그램에서 호출하는 ioctl 함수 포맷 : int ioctl(int d, int request, ....)

 

여기서 ioctl 함수의 첫 번째 인수는 open 함수로 오픈된 디바이스 파일을 가리키는 파일 디스크립터이다. 두 번째 인수는 디바이스 드라이버 내에서 사용하기 위해 정의된 명령어 번호이다. ioctl 함수의 세번째 인수가 '....'인 것은 세번째 인수가 char 타입, long타입, pointer 타입 등 여러가지 데이터 타입을 가질 수 있어 컴파일 시 인수 타입 불일치로 인한 에러 발생을 막기 위한 것이다.

 

위의 ioctl() 함수의 두 번째 인수인 명령어 번호는 보통 디바이스 드라이버 개발자가 할당한다. 리눅스 커널에서는 이 명령어 번호를 쉽게 관리할 수 있는 매크로를 제공한다.

 

 

매크로 

기능 

_IO(type,nr) 

ioctl() 함수의 세 번째 인수를 사용하지 않을 때 사용 

_IOR(type, nr, size) 

ioctl() 함수의 세 번째 인수가 디바이스 드라이버에서 read될 때 사용 

)IOW(type, nr, size) 

ioctl() 함수의 세 번째 인수가 디바이스 드라이버로 write될 때 사용 

_IOWR(type, nr, size)

ioctl() 함수의 세 번째 인수가 읽기/쓰기/동작에 모두 사용될 때 사용 

 

 

아래에 LCD 디스플레이 디바이스 드라이버에서 매직넘버 및 ioctl() 함수의 명령어를 정의하는 예를 보였다.

 

#define LCD_DEV_MAGIC 'Y'

 

#define LCD_INIT _IO(LCD_DEV_MAGIC,0)

#define LCD_CMD _IOW(LCD_DEV_MAGIC, 1, unsigned char)

#define LCD_FILL _IOW(LCD_DEV_MAGIC, 2, unsigned char)

 

위 예에서 ioctl() 함수의 LCD_INIT 명령은 사용자 응용 프로그램과 디바이스 드라이버 사이에서 데이터 전달이 필요 없는 명령이어서 _IO 매크로를 사용하였다. LCD_CMD, LCD_FILL 명령은 사용자 응용 프로그램에서 디바이스 드라이버로 데이터를 보내는(write) 기능이므로 _IOW() 매크로를 이용하였다. 이때 전달하는 데이터는 1바이트 문자로 하였다. 

 

사용자 실행 프로그램에서 위와 같이 ioctl() 함수를 호출하면 해당 디바이스 드라이버에서 file_operations 구조체가 가리키는 ioctl 함수가 호출된다

 

file_operations->(*ioctl) (struct inode*, struct file *, unsigned int, unsigned long)

 

 

 

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static int __init chrdev_init(void)
{
int result;
result = register_chrdev(63, "chrdev_dd",&chrdev_fops);
if(result<0)
{
printk("chrdev_dd: 에러!\");
return result;
}
return result;
}

int chrdev_open(struct inode *inode, struct file *filp){
 MOD_INC_USE_COUNT;
 return 0;
}

static ssize_t chrdev_read(struct file * file, char *buffer, size_t, count, loff_t *offset){
 chrdev_buff = *chrdev_addr;
 copy_to_user(buffer, &chrdev_buff, size);
}

static ssize_t chrdev_write(struct file *file, const char *buffer, size_t length, loff_t *offset){
  int value, *keyReg;
  ......생략...........
  get_user(value,(int*)buffer);
  *chardev_wr_addr = ~value;
 .......생략..........
}

int chrdev_ioctl(struct inode *inode, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
    return 0;
}

int chrdev_release(struct inode *inode,struct file *filp){
MODE_DEC_USE_COUNT;
return 0;
}

struct file_operations chrdev_fops = {
open : chrdev_open;
read : chrdev_read;
write : chrdev_write,
ioctl : chrdev_ioctl,
release : chrdev_release,
};

module_init(chrdev_init)l
module_exit(chrdev_cleanup);


 

 

 

 

 

위에서 module_init(chrdev)init);문에 의해 디바이스 드라이버가 메모리에 로드될 때 chrdev_init()함수가 실행되며 이때 등록함수 register_chrdev()가 호출된다. 함수에서 인수로 디바이스 주번호 63 디바이스명은 chrdev_dd file_operations 구조체 포인터는 chrdev_fops를 사용한다. 커널 레벨에서의 문자 출력 함수인 printk()문은 등록 실패시 실행된다.

 

 

응용프로그램에서 open("/dev/chrdev_dd", O_RDWR) 식으로 open()함수를 호출하면, 커널 내부에서는 /dev 디렉터의 디바이스 파일 chrdev_dd에 할당된 디바이스 주(major) 번호를 가지고 chardevs[] 배열에서 해당하는 문자 디바이스 드라이버의 file_operations 구조체 멤버 (*open)이 가리키는 chrdev_open()함수를 호출한다.

 

디바이스 파일 chrdev_dd의 오픈에 성공하면 파일 디스크립터를 얻게 되고 이후 응용프로그램에서는 이 파일 디스크립터를 사용해 해당 디바이스에 접근(read/write)할 수 잇다. 이 open()함수는 디바이스를 초기화하고 필요한 자원을 할당받으며 MOD_INT_USE_COUNT 매크로를 이용해서 카운트 값을 1 증가시켜 디바이스 드라이버가 사용중임을 표시한다.

 

 

여기서 file_operations 구조체 chrdev_fops에는 응용프로그램의 open(), read(), write(), ioctl(), release()에 대응하는 디바이스 드라이버 내부 함수 chrdev_open(),chrdev_read(), chrdev_write, chrdev_ioctl(), chrdev_release()를 각각 정의하고 있다.

 

chrdev_read() 함수에서는 실제 디바이스 주소로부터 데이터를 읽어온 후 이를 copy_to_user 매크로를 사용해 to포인터가 가리키는 사용자 메모리로 from 포인터가 가리키는 커널 메모리에 있는 내용을 복사한다.

 

디바이스에 데이터를 출력하기 위해 응용프로그램에서 write() 함수를 호출하면 이때 문자 디바이스 드라이버 내의 함수 chrdev_write()가 실행된다. chrdev_write()에서는 디바이스에 데이터를 쓰기 전에 copy_from_user(to, from, n) 매크로를 사용해 from 포인터가 가리키는 사용자 메모리 영역의 내용을 to 포인터가 가리키는 커널 메모리 영역으로 복사한다.

 

응용프로그램에서 ioctl() 함수를 호출하면 디바이스 드라이버 내의 함수 chrdev_ioctl()가 실행된다. 응용프로그램에서 read()나 write() 함수는 디바이스와 데이터를 주고 받는데 주로 사용하며, 이를 통해 디바이스의 기능 자체를 제어하기는 적합치 않은 경우가 있다. 이런 경우 디바이스 자체를 제어하는 특수 기능은 ioctl()을 통해서 한다.

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* 리눅스 디바이스 드라이버


 리눅스 디바이스 드라이버는 리눅스 커널의 일부분으로 포함되어 컴퓨터나 임베디드 시스템의 하드웨어를 제어하는 기능 및 이에 대한 인터페이스를 제공한다.

임베디드 시스템에서 주변장치를 제어하고자 하는 응용프로그램은 리눅스 디바이스 드라이버가 제공하는 인터페이스를 통하여 해당 장치를 제어할 수 있다. 


 리눅스 디바이스 드라이버는 리눅스 커널 자체에서 이미 지원하는 것도 있고 임베디드 시스템 개발 과정에서 개발자가 직접 작성해야 하는 경우도 있다. 


- 문자 디바이스 


 문자 디바이스는 바이트 단위로 동작하며 파일처럼 바이트 스트림으로 읽거나 쓸 수 있는 디바이스이며, 블록 디바이스는 블록 단위로 동작하며 하드디스크처럼 내부에 파일시스템을 가질 수 있는 디바이스이다. 


- 블록 디바이스 


 블록 디바이스는 하드디스크나 USB 메모리 처럼 내부에 파일시스템을 가질 수 있는 디바이스다


* 문자 디바이스 드라이버


 디바이스 드라이버도 디바이스 종류와 마찬가지로 문자 디바이스 드라이버, 블록 디바이스 드라이버 및 네트워크 디바이스 드라이버로 분류할 수 있다.. 임베디드 시스템 개발 시 가장 많이 사용하는 문자 디바이스 드라이버의 작성 시에는 응용 프로그램에서 이 디바이스를 사용할 수 있도록 하기 위해 open(), close(), read(), write(), ioctl() 같은 시스템 호출 함수들을 구현해야 한다. 



* 리눅스 커널 모듈 


 리눅스 시스템에서 디바이스 드라이버는 커널 모듈 형태로 만들어진다. 커널 모듈은 커널의 재컴파일 및 설치가 필요 없이 동적으로 리눅스 커널에 모듈 형태로 커널 기능의 추가나 제거를 가능하게 해준다. 따라서 리눅스 부팅 이후 커널이 실행중인 동안에도 필요 시에 커널에 기능을 추가할 수 있다.


커널 모듈 코드에는 init-module() 함수와 cleanup_module() 함수가 반드시 포함되는데, init_module() 함수는 커널 모듈이 메모리에 적재될 때 호출되며 cleanup_module()은 커널 모듈이 제거될 때 호출된다. 커널 모듈은 실행파일이 아닌 오브젝트 파일 형태이므로 커널 모듈을 컴파일할 때는 C 컴파일러에게 오브젝트 코드만을 생성하도록 하는 '-c' 옵션을 주면 된다. 


커널 모듈이 실제로 링크되는 시점은 메모리에 적재될 때이다. 커널 모듈을 메모리에 적재할 때는 insmod명령을 사용하고, 제거할 때에는 rmmod 명령을 사용한다.

커널 모듈소스에는 헤더 파일로서 linux/module.h가 포함되어야 한다. 




간단한 커널 모듈프로그램

#define MODULE

#include "linux/module.h"
#include "linux/kernel.h"

int init_module(void)
{
printk(" Linux Kernel Module Loading ... \n");
return 0;
}

void cleanup_module(void)
{
printk(" Linux Kernel Module Unloading ...\n");
}



커널 모듈이 메모리에 적재될 때(insmod 명령 사용) init_module()함수에 의해 적재된 커널 모듈이 초기화되면 자신을 현재 실행중인 커널에 등록한다. 이때 등록에 사용하는 함수 이름은 문자 디바이스의 경우 register_chrdev(), 블록 디바이스의 경우 register_blkdev() 이다.


rmmod 명령에 의해서 커널 모듈이 제거될 때에는 cleanup_module()함수가 호출되어 init_module() 함수에서 할당받은 자원을 반환하고, 문자 디바이스의 경우 unregister_chrdev() 함수를 사용하여 커널 모듈의 등록을 해제한다. 블록 디바이스의 경우 등록 해제에 unregister_blkdev()함수를 사용한다.



* file_operations 구조체 


file_operations 구조체는 사용하려는 응용 프로그램과 디바이스 드라이버를 서로 연결해 주는 기능을 하며, 디바이스 드라이버 내에서 구현된 함수들에 대한 포인터들로 구성되어 있다.  file_operations 구조체는 include/linux/fs.h 헤더 파일에 정의되어 있으며 다음에 이 내용의 일부를 보였다.










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임베디드 보드에 부착된 각종 주변 장치에 대한 제어 프로그램 작성을 위해서는 먼저 이들 장치에 대한 주소를 알아야 한다. 임베디드 보드에서의 LED 장치는 프로세서의 주소버스를 디코딩하여 주소가 결정된다.


LED 장치 주소가 0x0C00 0C00번지라고 가정하여 제어 프로그램을 작성해보자 



led.h소스 



#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define CS3_BASE 0x0c000000
#define LED_OFFSET 0x0C00

unsigned char *CS3_base;
unsigned char *led;

static int fd;

led.h 소스에는 기본 헤더 파일들과 임베디드 보드에서 설정된 LED를 가리키기 위해 프로세서의 chip select 신호의 기본 주소인 0x0C00 0000을 CS3_BASE로 정의하고 있다. 또 이 기본 주소에서 LED 장치 주소와의 차이값인 0x0C00을 LED_OFFSET에 정의하고 있다. CS3_base는 chip select 신호의 기본주소를 가리키는 포인터 변수이고, led는 LED 장치 주소를 가리키는 포인터 변수이다.

led.c 소스

#include "led.h"

int memopen(void)
{
   fd = open("/dev/mem",0_RDWR);
   if(fd<0){
       perror("/dev/mem FAIL!\n");
       exit(1);
  }

return 0;
}

int ledaddr(void)
{
  CS3_base = (unsigned char *)mmap(NULL,1024,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,CS3_BASE);
    if((int)CS3_base == -1){
            perror("mmap FAIL! \n");
            return -1;
   }
   led = CS3_base + LED_OFFSET;
   return 0;
}

void memrelease(void)
{
  munmap((unsigned char * )CS3_base,1024);
}

void outled(int sel)
{
 switch(sel){
      case 0:
          {
               printf("LED data = 0xFF\n");
               ledaddr();
               *led = 0xff;
               memrelease();
               break;
          } 
       case 1:
   ........생략.......

       case 2:
  ......
   }
 }

int main(void)
{ 
  int i;
  memopen();

for(i =0; i<10;i++){
  outled(0);
  sleep(1);
  outled(1);
  sleep(1);
  outled(2);
}
  close(fd);
}

위의 led.c 소스에서 fd = open("/dev/mem",0_RDWR); 는 /dev/mem 파일을 열어 파일 기술자를 반환한다. /dev/mem 파일은 O_RDWR 모드로 열리며 이 파일은 메모리 입/출력을 하기 위한 문자 디바이스 파일이다. 

open() 함수에 의해서 반환된 파일 기술자는 변수 fd에 할당되고, 이 값을 아래 mmap() 함수의 파라미터로 사용해 CS3_BASE 주소에 해당하는 현 프로세스 메모리 주소를 구한다.


이 mmap() 함수는 CS3_BASE주소를 가리키는 현 프로세스 주소 공간에서의 주소값을 변수 CS3_base에 리턴한다 

led_addr = CS3_base + LED_OFFSET; 여기서 베이스 주소와 LED 장치와의 오프셋 값인 LED_offset을 베이스 주소에 더하여 변수 led에 LED 장치의 주소를 얻게 된다. 


 *led = oxff; 여기서 실제 LED 장치로 값을 출력한다.. 


* mmap함수


 리눅스/유닉스에서는 프로세스와 프로세스 사이의 보호를 위해 각 프로세스는 서로 별도의 주소 공간을 가지게 된다. 이를 위해서 CPU가 하드웨어적으로 지원하는 MMU(Memory Management Unit)가 필요하며 32비트급 임베디드 시스템용 프로세서는 대부분 MMU를 가지고 있다. 각 프로세스가 별도의 주소 공간을 가지면 한쪽 프로세스에서의 잘못된 동작이 다른 쪽 프로세스에 영향을 미치지 않으므로 프로세스의 보호는 잘 이루어지지만 프로세스와 프로세스 사이에 데이터를 전달하거나 공유할 경우 별도의 대책이 필요하다.


 각 프로세스가 별도의 주소 공간을 가지면 한쪽 프로세스에서의 잘못된 동작이 다른 쪽 프로세스에 영향을 미치지 않으므로 프로세스의 보호는 잘 이루어지지만 프로세스와 프로세스 사이에 데이터를 전달하거나 공유할 경우 별도의 대책이 필요하다. LED 장치의 주소는 물리주소 공간에서 0x0C00 0C00으로 되어 있으나 현 프로세스 주소 공간에서의 주소 0x0C00 0C00는 서로의 주소공간이 다르므로 실제 LED 장치를 가르키는 것이 아니다. 이를 위한 여러 방법 중 하나가 mmap()함수를 사용하는 것이다. mmap() 함수는 현 프로세스의 메모리 공간을 파일이나 공유 메모리 특정영역으로 맵핑시킨다. 파일은 운영체제에서 글로벌 자원이므로 다른 프로세스와 공유가 가능하다. 따라서 파일로 맵핑된 메모리 영역은 프로세스 사이의 데이터 교환에 사용될 수 있다.




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