基于ARM9和Linux的FPGA驅(qū)動設(shè)計
[導(dǎo)讀]為了實(shí)現(xiàn)ARM與FPGA相互之間通信，給出了Altera公司Stratix II系列FPGA器件EP2S30F67214在Samsung公司的S3C2410微處理器系統(tǒng)上的驅(qū)動設(shè)計方案。同時給出了通過內(nèi)存映射機(jī)制實(shí)現(xiàn)S3C2410對EP2S30F67214的讀寫控制。
0 引言
Linux操作系統(tǒng)的全稱是GNU／Linux，它是由GNU工程和Linux內(nèi)核兩個部分共同組成的一個操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)中所有組件的源代碼都是自由的，可以有效保護(hù)學(xué)習(xí)成果，因而在嵌入式領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
FPGA是英文Field Programmable Gate Array的縮寫，即現(xiàn)場可編程門陣列，該器件是作為專用集成電路ASIC (Application Specific Integrated Circuit)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，它的出現(xiàn)既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。在通信行業(yè)、傳輸網(wǎng)、醫(yī)療儀器、各種電子儀器、安防監(jiān)控、電力系統(tǒng)、汽車電子以及消費(fèi)類電子中都大面積使用。隨著產(chǎn)品研發(fā)周期的逐步縮短，定制型產(chǎn)品的開發(fā)使FPGA在后面的應(yīng)用面越來越廣。例如在2G和3G通信，以及以后的4G通信和wimax等等通信類設(shè)備中，它與DSP、MPU一起將大量出現(xiàn)在其中。
S3C2410微處理器是一款由Samsung為手持設(shè)備設(shè)計的低功耗、高度集成的微處理器，采用272腳FBGA封裝，內(nèi)含一個ARM920T內(nèi)核和一些片內(nèi)外圍設(shè)備。在時鐘方面，該芯片集成了一個具有日歷功能的RTC和具有PLL (MPLL和UPLL)的芯片時鐘發(fā)生器。MPLL產(chǎn)生的主時鐘能夠使處理器工作頻率最高達(dá)到203MHz。這個工作頻率能夠使處理器輕松運(yùn)行于Windows CE，Linux等操作系統(tǒng)并進(jìn)行較為復(fù)雜的信息處理。為此，本文以S3C2410上使用Altera公司的EP2S30F67214為例，系統(tǒng)地介紹了在Linux系統(tǒng)環(huán)境下的FPGA的驅(qū)動方法。
1 基本原理
Linux下的設(shè)備驅(qū)動程序通常是一個存在于應(yīng)用程序和實(shí)際設(shè)備間的軟件層。許多設(shè)備驅(qū)動都是與用戶程序一起發(fā)行的，可以幫助配置和存取目標(biāo)設(shè)備。
在Linux下驅(qū)動FPGA，其本質(zhì)上就是字符設(shè)備的驅(qū)動，慣例上它們位于／dev目錄。
1.1 主次編號
在內(nèi)核中，dev_t類型(在
建立一個字符驅(qū)動時，需要做的第一件事是獲取一個或多個設(shè)備編號。其必要的函數(shù)是regis-ter_chrdev_region，設(shè)計時可在
int register_chrdev_region(dev_t first，unsigned int count，char*name)；
如同大部分內(nèi)核函數(shù)一樣，如果分配成功，register_chrdev_region的返回值將是0。出錯時，則返回一個負(fù)的錯誤碼，但不能存取請求的區(qū)域。
1.2 重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
注冊設(shè)備編號僅僅是驅(qū)動代碼必須進(jìn)行的諸多任務(wù)中的第一個。驅(qū)動操作包括三個重要的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，稱為file_operations、file和inode。其中，對于FPGA驅(qū)動來說，最值得關(guān)注的是文件操作(file_operations)。
file_operation結(jié)構(gòu)是一個用字符驅(qū)動方式建立設(shè)備編號和設(shè)備操作的連接結(jié)構(gòu)，定義在
第一個file_operations元素根本不是一個操作，它是一個指向擁有這個結(jié)構(gòu)的模塊指針，或用來在操作使用時阻止模塊被卸載，它也是在
llseek主要用于改變文件中的當(dāng)前讀／寫位置，同時可將新位置作為(正的)返回值。其定義如下：
loff_t(*llseek) (struct file*，loff_t，int)；
ioctl可為系統(tǒng)調(diào)用提供一個發(fā)出設(shè)備特定命令的方法。如果設(shè)備不提供ioctl方法，那么，對于任何未事先定義的請求，系統(tǒng)調(diào)用將返回一個錯誤。定義如下：
int(*ioctl) (struct inode*，struct file*，unsigned int，unsigned long)：
1.3 設(shè)備注冊
內(nèi)核在內(nèi)部將使用struct cdev類型結(jié)構(gòu)來代表字符設(shè)備。在內(nèi)核調(diào)用設(shè)備操作前，代碼應(yīng)當(dāng)包含
void cdev_init(struct cdev*cdev，structfile_operations*fops)；
1.4 open和release
open主要用于提供驅(qū)動初始化，在大部分驅(qū)動中，open應(yīng)當(dāng)檢查設(shè)備特定的錯誤(例如設(shè)備沒準(zhǔn)備好，或者類似的硬件錯誤)，但是，其第一步常常是確定打開哪個設(shè)備。open的原代碼為：
int(*open) (struct inode*inode，structfile*flip)；
release是open的反操作。
1.5 讀／寫操作
讀和寫都是進(jìn)行類似的任務(wù)，就是從設(shè)備到應(yīng)用程序代碼的數(shù)據(jù)拷貝。因此，它們的原代碼比較相似：
ssize_t read(struct file*flip，char__user*buff，size_t count，loff_t*offp)；
ssize_t write(struct file*filp，const char__user*buff，size_t count，loff_t*offp)；
read的任務(wù)是從設(shè)備拷貝數(shù)據(jù)到用戶空間(使用copy_to_user)，而write方法則是從用戶空間拷貝數(shù)據(jù)到設(shè)備(使用copy_from_user)。
圖1所示是用read參數(shù)表示一個典型讀的實(shí)現(xiàn)過程。
2 硬件電路
通常在大容量存儲項(xiàng)目中，S3C2410處理器一般作為主CPU，可對EP2S30F67214進(jìn)行擴(kuò)展，以使系統(tǒng)具有拍攝、存儲、下載、I／O口擴(kuò)展的功能。由于FPGA的高速處理能力和易擴(kuò)展性，ARM與FPGA的結(jié)合使用，將在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。
本項(xiàng)目中的ARM主要讀取FPGA的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并送給上位機(jī)。其ARM處理器與FPGA的連接關(guān)系如圖2所示，其主要連接有32位寬數(shù)據(jù)線、27位寬地址線以及讀、寫、中斷和片選控制線等。
在S3C2410中，nGPCS4的物理地址為0x2000000—0x28000000，共計128MB的靜態(tài)物理空間。中斷方式為下降沿有效。
3 編程實(shí)現(xiàn)
3.1 設(shè)備驅(qū)動初始化
初始化模塊在內(nèi)核啟動時主要負(fù)責(zé)初始化FPGA工作。其實(shí)現(xiàn)由module_init () 和module_exit ()兩部分組成。其代碼如下：
3.2 異步中斷通知
在應(yīng)用程序中，可用如下代碼獲得中斷響應(yīng)：
signal (SIGIO，test_handler)；／*test_handler為函數(shù)名字*／
fcntl(fa，F(xiàn)_SETOWN，getpid ())；
oflags=fcntl(fa，F(xiàn)_GETFL)；／*fd為打開設(shè)備返回值*／
fcntl (fd，F(xiàn)_SETFL，oflags∣FASYNC)；／*fd為打開設(shè)備返回值*／
應(yīng)當(dāng)注意的是，不是所有的設(shè)備都支持異步通知。應(yīng)用程序常常假定異步能力只對socket和tty可用。
3.3 地址映射
在Linux設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)過程中，由于驅(qū)動程序操作的都是設(shè)備的虛擬地址，因此，要使驅(qū)動程序?qū)μ摂M地址的操作反映到正確的設(shè)備上，還需要通過內(nèi)存管理單元MMU來將設(shè)備的虛擬地址映射到正確的物理地址上去，從而保證驅(qū)動程序?qū)υO(shè)備的虛擬地址的操作，也就是要對其相應(yīng)的物理地址進(jìn)行操作。使用內(nèi)存映射的好處是處理大文件時，其速度明顯快于標(biāo)準(zhǔn)文件I／O，這樣無論讀和寫，都少了一次用戶空間與內(nèi)核空間之間的復(fù)制。在用戶空間對FPGA設(shè)備的訪問可通過內(nèi)存映射來實(shí)現(xiàn)。FPGA可以看作是硬件連接在S3C2410微處理器的片選信號nGPCS4上的一段物理地址的尋址。因此，必須先把物理地址映射到虛擬地址空間，然后才能對該段地址進(jìn)行讀／寫。通常用戶可用如下代碼關(guān)聯(lián)FPGA的地址：
fpga_base=ioremap(FPGA_PHY_START，F(xiàn)PGA_PHY_SIZE)；
4 結(jié)束語
本文系統(tǒng)的介紹了ARM基于Linux平臺下的FPGA的驅(qū)動開發(fā)方法，并通過開發(fā)用戶程序，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的處理和傳輸，從而實(shí)現(xiàn)了FPGA在嵌入式領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
Linux操作系統(tǒng)的全稱是GNU／Linux，它是由GNU工程和Linux內(nèi)核兩個部分共同組成的一個操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)中所有組件的源代碼都是自由的，可以有效保護(hù)學(xué)習(xí)成果，因而在嵌入式領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
FPGA是英文Field Programmable Gate Array的縮寫，即現(xiàn)場可編程門陣列，該器件是作為專用集成電路ASIC (Application Specific Integrated Circuit)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，它的出現(xiàn)既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。在通信行業(yè)、傳輸網(wǎng)、醫(yī)療儀器、各種電子儀器、安防監(jiān)控、電力系統(tǒng)、汽車電子以及消費(fèi)類電子中都大面積使用。隨著產(chǎn)品研發(fā)周期的逐步縮短，定制型產(chǎn)品的開發(fā)使FPGA在后面的應(yīng)用面越來越廣。例如在2G和3G通信，以及以后的4G通信和wimax等等通信類設(shè)備中，它與DSP、MPU一起將大量出現(xiàn)在其中。
S3C2410微處理器是一款由Samsung為手持設(shè)備設(shè)計的低功耗、高度集成的微處理器，采用272腳FBGA封裝，內(nèi)含一個ARM920T內(nèi)核和一些片內(nèi)外圍設(shè)備。在時鐘方面，該芯片集成了一個具有日歷功能的RTC和具有PLL (MPLL和UPLL)的芯片時鐘發(fā)生器。MPLL產(chǎn)生的主時鐘能夠使處理器工作頻率最高達(dá)到203MHz。這個工作頻率能夠使處理器輕松運(yùn)行于Windows CE，Linux等操作系統(tǒng)并進(jìn)行較為復(fù)雜的信息處理。為此，本文以S3C2410上使用Altera公司的EP2S30F67214為例，系統(tǒng)地介紹了在Linux系統(tǒng)環(huán)境下的FPGA的驅(qū)動方法。
1 基本原理
Linux下的設(shè)備驅(qū)動程序通常是一個存在于應(yīng)用程序和實(shí)際設(shè)備間的軟件層。許多設(shè)備驅(qū)動都是與用戶程序一起發(fā)行的，可以幫助配置和存取目標(biāo)設(shè)備。
在Linux下驅(qū)動FPGA，其本質(zhì)上就是字符設(shè)備的驅(qū)動，慣例上它們位于／dev目錄。
1.1 主次編號
在內(nèi)核中，dev_t類型(在
建立一個字符驅(qū)動時，需要做的第一件事是獲取一個或多個設(shè)備編號。其必要的函數(shù)是regis-ter_chrdev_region，設(shè)計時可在
int register_chrdev_region(dev_t first，unsigned int count，char*name)；
如同大部分內(nèi)核函數(shù)一樣，如果分配成功，register_chrdev_region的返回值將是0。出錯時，則返回一個負(fù)的錯誤碼，但不能存取請求的區(qū)域。
1.2 重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
注冊設(shè)備編號僅僅是驅(qū)動代碼必須進(jìn)行的諸多任務(wù)中的第一個。驅(qū)動操作包括三個重要的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，稱為file_operations、file和inode。其中，對于FPGA驅(qū)動來說，最值得關(guān)注的是文件操作(file_operations)。
file_operation結(jié)構(gòu)是一個用字符驅(qū)動方式建立設(shè)備編號和設(shè)備操作的連接結(jié)構(gòu)，定義在
第一個file_operations元素根本不是一個操作，它是一個指向擁有這個結(jié)構(gòu)的模塊指針，或用來在操作使用時阻止模塊被卸載，它也是在
llseek主要用于改變文件中的當(dāng)前讀／寫位置，同時可將新位置作為(正的)返回值。其定義如下：
loff_t(*llseek) (struct file*，loff_t，int)；
ioctl可為系統(tǒng)調(diào)用提供一個發(fā)出設(shè)備特定命令的方法。如果設(shè)備不提供ioctl方法，那么，對于任何未事先定義的請求，系統(tǒng)調(diào)用將返回一個錯誤。定義如下：
int(*ioctl) (struct inode*，struct file*，unsigned int，unsigned long)：
1.3 設(shè)備注冊
內(nèi)核在內(nèi)部將使用struct cdev類型結(jié)構(gòu)來代表字符設(shè)備。在內(nèi)核調(diào)用設(shè)備操作前，代碼應(yīng)當(dāng)包含
void cdev_init(struct cdev*cdev，structfile_operations*fops)；
1.4 open和release
open主要用于提供驅(qū)動初始化，在大部分驅(qū)動中，open應(yīng)當(dāng)檢查設(shè)備特定的錯誤(例如設(shè)備沒準(zhǔn)備好，或者類似的硬件錯誤)，但是，其第一步常常是確定打開哪個設(shè)備。open的原代碼為：
int(*open) (struct inode*inode，structfile*flip)；
release是open的反操作。
1.5 讀／寫操作
讀和寫都是進(jìn)行類似的任務(wù)，就是從設(shè)備到應(yīng)用程序代碼的數(shù)據(jù)拷貝。因此，它們的原代碼比較相似：
ssize_t read(struct file*flip，char__user*buff，size_t count，loff_t*offp)；
ssize_t write(struct file*filp，const char__user*buff，size_t count，loff_t*offp)；
read的任務(wù)是從設(shè)備拷貝數(shù)據(jù)到用戶空間(使用copy_to_user)，而write方法則是從用戶空間拷貝數(shù)據(jù)到設(shè)備(使用copy_from_user)。
圖1所示是用read參數(shù)表示一個典型讀的實(shí)現(xiàn)過程。
2 硬件電路
通常在大容量存儲項(xiàng)目中，S3C2410處理器一般作為主CPU，可對EP2S30F67214進(jìn)行擴(kuò)展，以使系統(tǒng)具有拍攝、存儲、下載、I／O口擴(kuò)展的功能。由于FPGA的高速處理能力和易擴(kuò)展性，ARM與FPGA的結(jié)合使用，將在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。
本項(xiàng)目中的ARM主要讀取FPGA的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并送給上位機(jī)。其ARM處理器與FPGA的連接關(guān)系如圖2所示，其主要連接有32位寬數(shù)據(jù)線、27位寬地址線以及讀、寫、中斷和片選控制線等。
在S3C2410中，nGPCS4的物理地址為0x2000000—0x28000000，共計128MB的靜態(tài)物理空間。中斷方式為下降沿有效。
3 編程實(shí)現(xiàn)
3.1 設(shè)備驅(qū)動初始化
初始化模塊在內(nèi)核啟動時主要負(fù)責(zé)初始化FPGA工作。其實(shí)現(xiàn)由module_init () 和module_exit ()兩部分組成。其代碼如下：
3.2 異步中斷通知
在應(yīng)用程序中，可用如下代碼獲得中斷響應(yīng)：
signal (SIGIO，test_handler)；／*test_handler為函數(shù)名字*／
fcntl(fa，F(xiàn)_SETOWN，getpid ())；
oflags=fcntl(fa，F(xiàn)_GETFL)；／*fd為打開設(shè)備返回值*／
fcntl (fd，F(xiàn)_SETFL，oflags∣FASYNC)；／*fd為打開設(shè)備返回值*／
應(yīng)當(dāng)注意的是，不是所有的設(shè)備都支持異步通知。應(yīng)用程序常常假定異步能力只對socket和tty可用。
3.3 地址映射
在Linux設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)過程中，由于驅(qū)動程序操作的都是設(shè)備的虛擬地址，因此，要使驅(qū)動程序?qū)μ摂M地址的操作反映到正確的設(shè)備上，還需要通過內(nèi)存管理單元MMU來將設(shè)備的虛擬地址映射到正確的物理地址上去，從而保證驅(qū)動程序?qū)υO(shè)備的虛擬地址的操作，也就是要對其相應(yīng)的物理地址進(jìn)行操作。使用內(nèi)存映射的好處是處理大文件時，其速度明顯快于標(biāo)準(zhǔn)文件I／O，這樣無論讀和寫，都少了一次用戶空間與內(nèi)核空間之間的復(fù)制。在用戶空間對FPGA設(shè)備的訪問可通過內(nèi)存映射來實(shí)現(xiàn)。FPGA可以看作是硬件連接在S3C2410微處理器的片選信號nGPCS4上的一段物理地址的尋址。因此，必須先把物理地址映射到虛擬地址空間，然后才能對該段地址進(jìn)行讀／寫。通常用戶可用如下代碼關(guān)聯(lián)FPGA的地址：
fpga_base=ioremap(FPGA_PHY_START，F(xiàn)PGA_PHY_SIZE)；
4 結(jié)束語
本文系統(tǒng)的介紹了ARM基于Linux平臺下的FPGA的驅(qū)動開發(fā)方法，并通過開發(fā)用戶程序，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的處理和傳輸，從而實(shí)現(xiàn)了FPGA在嵌入式領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
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