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Linux操作系統的全稱(chēng)是GNU／Linux，它是由GNU工程和Linux內核兩個(gè)部分共同組成的一個(gè)操作系統。該系統中所有組件的源代碼都是自由的，可以有效保護學(xué)習成果，因而在嵌入式領(lǐng)域得到了廣泛的應用。 FPGA是英文Field Programmable Gate Array的縮寫(xiě)，即現場(chǎng)可編程門(mén)陣列，該器件是作為專(zhuān)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的，它的出現既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數有限的缺點(diǎn)。在通信行業(yè)、傳輸網(wǎng)、醫療儀器、各種電子儀器、安防監控、電力系統、汽車(chē)電子以及消費類(lèi)電子中都大面積使用。隨著(zhù)產(chǎn)品研發(fā)周期的逐步縮短，定制型產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)使FPGA在后面的應用面越來(lái)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(lèi)設備中，它與DSP、MPU一起將大量出現在其中。 S3C2410微處理器是一款由Samsung為手持設備設計的低功耗、高度集成的微處理器，采用272腳FBGA封裝，內含一個(gè)ARM920T內核和一些片內外圍設備。在時(shí)鐘方面，該芯片集成了一個(gè)具有日歷功能的RTC和具有PLL (MPLL和UPLL)的芯片時(shí)鐘發(fā)生器。MPLL產(chǎn)生的主時(shí)鐘能夠使處理器工作頻率最高達到203MHz。這個(gè)工作頻率能夠使處理器輕松運行于Windows CE，Linux等操作系統并進(jìn)行較為復雜的信息處理。為此，本文以S3C2410上使用Altera公司的EP2S30F67214為例，系統地介紹了在Linux系統環(huán)境下的FPGA的驅動(dòng)方法。 1 基本原理 Linux下的設備驅動(dòng)程序通常是一個(gè)存在于應用程序和實(shí)際設備間的軟件層。許多設備驅動(dòng)都是與用戶(hù)程序一起發(fā)行的，可以幫助配置和存取目標設備。 在Linux下驅動(dòng)FPGA，其本質(zhì)上就是字符設備的驅動(dòng)，慣例上它們位于／dev目錄。 1.1 主次編號 在內核中，dev_t類(lèi)型(在中定義)用來(lái)持有設備編號。通常2.6內核版本限制在255個(gè)主編號和255個(gè)次編號。 建立一個(gè)字符驅動(dòng)時(shí)，需要做的第一件事是獲取一個(gè)或多個(gè)設備編號。其必要的函數是regis-ter_chrdev_region，設計時(shí)可在中聲明： int register_chrdev_region(dev_t first，unsigned int count，char*name)； 如同大部分內核函數一樣，如果分配成功，register_chrdev_region的返回值將是0。出錯時(shí)，則返回一個(gè)負的錯誤碼，但不能存取請求的區域。 1.2 重要數據結構 注冊設備編號僅僅是驅動(dòng)代碼必須進(jìn)行的諸多任務(wù)中的第一個(gè)。驅動(dòng)操作包括三個(gè)重要的內核數據結構，稱(chēng)為file_operations、file和inode。其中，對于FPGA驅動(dòng)來(lái)說(shuō)，最值得關(guān)注的是文件操作(file_operations)。 file_operation結構是一個(gè)用字符驅動(dòng)方式建立設備編號和設備操作的連接結構，定義在．是一個(gè)函數指針的集合。每個(gè)打開(kāi)文件與它自身的函數集合相關(guān)，這些操作大部分可由系統調用，例如：open()，read ()等等。典型的file_operation結構可用FPGA設備列表所示，其代碼如下： 第一個(gè)file_operations元素根本不是一個(gè)操作，它是一個(gè)指向擁有這個(gè)結構的模塊指針，或用來(lái)在操作使用時(shí)阻止模塊被卸載，它也是在中定義的宏； llseek主要用于改變文件中的當前讀／寫(xiě)位置，同時(shí)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可為系統調用提供一個(gè)發(fā)出設備特定命令的方法。如果設備不提供ioctl方法，那么，對于任何未事先定義的請求，系統調用將返回一個(gè)錯誤。定義如下： int(*ioctl) (struct inode*，struct file*，unsigned int，unsigned long)： 1.3 設備注冊 內核在內部將使用struct cdev類(lèi)型結構來(lái)代表字符設備。在內核調用設備操作前，代碼應當包含。而如果想將cdev結構嵌入設備特定的結構中，則應當初始化已經(jīng)分配的結構，其使用的代碼為： void cdev_init(struct cdev*cdev，structfile_operations*fops)； 1.4 open和release open主要用于提供驅動(dòng)初始化，在大部分驅動(dòng)中，open應當檢查設備特定的錯誤(例如設備沒(méi)準備好，或者類(lèi)似的硬件錯誤)，但是，其第一步常常是確定打開(kāi)哪個(gè)設備。open的原代碼為： int(*open) (struct inode*inode，structfile*flip)； release是open的反操作。 1.5 讀／寫(xiě)操作 讀和寫(xiě)都是進(jìn)行類(lèi)似的任務(wù)，就是從設備到應用程序代碼的數據拷貝。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)是從設備拷貝數據到用戶(hù)空間(使用copy_to_user)，而write方法則是從用戶(hù)空間拷貝數據到設備(使用copy_from_user)。 圖1所示是用read參數表示一個(gè)典型讀的實(shí)現過(guò)程。 2 硬件電路 通常在大容量存儲項目中，S3C2410處理器一般作為主CPU，可對EP2S30F67214進(jìn)行擴展，以使系統具有拍攝、存儲、下載、I／O口擴展的功能。由于FPGA的高速處理能力和易擴展性，ARM與FPGA的結合使用，將在嵌入式系統領(lǐng)域占據主導地位。 本項目中的ARM主要讀取FPGA的數據，然后進(jìn)行數據處理并送給上位機。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位寬數據線(xiàn)、27位寬地址線(xiàn)以及讀、寫(xiě)、中斷和片選控制線(xiàn)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 3.1 設備驅動(dòng)初始化 初始化模塊在內核啟動(dòng)時(shí)主要負責初始化FPGA工作。其實(shí)現由module_init () 和module_exit ()兩部分組成。其代碼如下： 3.2 異步中斷通知 在應用程序中，可用如下代碼獲得中斷響應： signal (SIGIO，test_handler)；／*test_handler為函數名字*／ fcntl(fa，F_SETOWN，getpid ())； oflags=fcntl(fa，F_GETFL)；／*fd為打開(kāi)設備返回值*／ fcntl (fd，F_SETFL，oflags∣FASYNC)；／*fd為打開(kāi)設備返回值*／ 應當注意的是，不是所有的設備都支持異步通知。應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設備驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于驅動(dòng)程序操作的都是設備的虛擬地址，因此，要使驅動(dòng)程序對虛擬地址的操作反映到正確的設備上，還需要通過(guò)內存管理單元MMU來(lái)將設備的虛擬地址映射到正確的物理地址上去，從而保證驅動(dòng)程序對設備的虛擬地址的操作，也就是要對其相應的物理地址進(jìn)行操作。使用內存映射的好處是處理大文件時(shí)，其速度明顯快于標準文件I／O，這樣無(wú)論讀和寫(xiě)，都少了一次用戶(hù)空間與內核空間之間的復制。在用戶(hù)空間對FPGA設備的訪(fǎng)問(wèn)可通過(guò)內存映射來(lái)實(shí)現。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(xiě)。通常用戶(hù)可用如下代碼關(guān)聯(lián)FPGA的地址： fpga_base=ioremap(FPGA_PHY_START，FPGA_PHY_SIZE)； 4 結束語(yǔ) 本文系統的介紹了ARM基于Linux平臺下的FPGA的驅動(dòng)開(kāi)發(fā)方法，并通過(guò)開(kāi)發(fā)用戶(hù)程序，實(shí)現了數據的處理和傳輸，從而實(shí)現了FPGA在嵌入式領(lǐng)域的廣泛應用。 |
