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基于ARM9和Linux的FPGA驱动设计

作者:时间:2012-02-16来源:网络收藏

0 引言

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/149665.htm

操作系统的全称是GNU/,它是由GNU工程和内核两个部分共同组成的一个操作系统。该系统中所有组件的源代码都是自由的,可以有效保护学习成果,因而在嵌入式领域得到了广泛的应用。

是英文Field Programmable Gate Array的缩写,即现场可编程门阵列,该器件是作为专用集成电路ASIC (Application Specific Integrated Circuit)领域中的一种半定制电路而出现的,它的出现既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。在通信行业、传输网、医疗仪器、各种电子仪器、安防监控、电力系统、汽车电子以及消费类电子中都大面积使用。随着产品研发周期的逐步缩短,定制型产品的开发使在后面的应用面越来越广。例如在2G和3G通信,以及以后的4G通信和wimax等等通信类设备中,它与DSP、MPU一起将大量出现在其中。

S3C2410微处理器是一款由Samsung为手持设备的低功耗、高度集成的微处理器,采用272脚FBGA封装,内含一个20T内核和一些片内外围设备。在时钟方面,该芯片集成了一个具有日历功能的RTC和具有PLL (MPLL和UPLL)的芯片时钟发生器。MPLL产生的主时钟能够使处理器工作频率最高达到203MHz。这个工作频率能够使处理器轻松运行于Windows CE,Linux等操作系统并进行较为复杂的信息处理。为此,本文以S3C2410上使用Altera公司的EP2S30F67214为例,系统地介绍了在Linux系统环境下的方法。

1 基本原理

Linux下的设备程序通常是一个存在于应用程序和实际设备间的软件层。许多设备都是与用户程序一起发行的,可以帮助配置和存取目标设备。

在Linux下驱动FPGA,其本质上就是字符设备的驱动,惯例上它们位于/dev目录。

1.1 主次编号

在内核中,dev_t类型(在中定义)用来持有设备编号。通常2.6内核版本限制在255个主编号和255个次编号。

建立一个字符驱动时,需要做的第一件事是获取一个或多个设备编号。其必要的函数是regis-ter_chrdev_region,时可在中声明:

int register_chrdev_region(dev_t first,unsigned int count,char*name);

如同大部分内核函数一样,如果分配成功,register_chrdev_region的返回值将是0。出错时,则返回一个负的错误码,但不能存取请求的区域。

1.2 重要数据结构

注册设备编号仅仅是驱动代码必须进行的诸多任务中的第一个。驱动操作包括三个重要的内核数据结构,称为file_operations、file和inode。其中,对于FPGA驱动来说,最值得关注的是文件操作(file_operations)。

file_operation结构是一个用字符驱动方式建立设备编号和设备操作的连接结构,定义在.是一个函数指针的集合。每个打开文件与它自身的函数集合相关,这些操作大部分可由系统调用,例如:open(),read ()等等。典型的file_operation结构可用FPGA设备列表所示,其代码如下:

第一个file_operations元素根本不是一个操作,它是一个指向拥有这个结构的模块指针,或用来在操作使用时阻止模块被卸载,它也是在中定义的宏;

llseek主要用于改变文件中的当前读/写位置,同时可将新位置作为(正的)返回值。其定义如下:

  loff_t(*llseek) (struct file*,loff_t,int);

ioctl可为系统调用提供一个发出设备特定命令的方法。如果设备不提供ioctl方法,那么,对于任何未事先定义的请求,系统调用将返回一个错误。定义如下:

  int(*ioctl) (struct inode*,struct file*,unsigned int,unsigned long):

1.3 设备注册

内核在内部将使用struct cdev类型结构来代表字符设备。在内核调用设备操作前,代码应当包含。而如果想将cdev结构嵌入设备特定的结构中,则应当初始化已经分配的结构,其使用的代码为:

  void cdev_init(struct cdev*cdev,structfile_operations*fops);

1.4 open和release

open主要用于提供驱动初始化,在大部分驱动中,open应当检查设备特定的错误(例如设备没准备好,或者类似的硬件错误),但是,其第一步常常是确定打开哪个设备。open的原代码为:

  int(*open) (struct inode*inode,structfile*flip);

  release是open的反操作。

1.5 读/写操作

读和写都是进行类似的任务,就是从设备到应用程序代码的数据拷贝。因此,它们的原代码比较相似:

  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的任务是从设备拷贝数据到用户空间(使用copy_to_user),而write方法则是从用户空间拷贝数据到设备(使用copy_from_user)。

图1所示是用read参数表示一个典型读的实现过程。

2 硬件电路

通常在大容量存储项目中,S3C2410处理器一般作为主CPU,可对EP2S30F67214进行扩展,以使系统具有拍摄、存储、下载、I/O口扩展的功能。由于FPGA的高速处理能力和易扩展性,ARM与FPGA的结合使用,将在嵌入式系统领域占据主导地位。

本项目中的ARM主要读取FPGA的数据,然后进行数据处理并送给上位机。其ARM处理器与FPGA的连接关系如图2所示,其主要连接有32位宽数据线、27位宽地址线以及读、写、中断和片选控制线等。

在S3C2410中,nGPCS4的物理地址为0x2000000—0x28000000,共计128MB的静态物理空间。中断方式为下降沿有效。

3 编程实现

3.1 设备驱动初始化

初始化模块在内核启动时主要负责初始化FPGA工作。其实现由module_init () 和module_exit ()两部分组成。其代码如下:

3.2 异步中断通知

在应用程序中,可用如下代码获得中断响应:

  signal (SIGIO,test_handler);/*test_handler为函数名字*/

  fcntl(fa,F_SETOWN,getpid ());

  flags=fcntl(fa,F_GETFL);/*fd为打开设备返回值*/

  fcntl (fd,F_SETFL,oflagsOFASYNC);/*fd为打开设备返回值*/

应当注意的是,不是所有的设备都支持异步通知。应用程序常常假定异步能力只对socket和tty可用。

3.3 地址映射

在Linux设备驱动程序开发过程中,由于驱动程序操作的都是设备的虚拟地址,因此,要使驱动程序对虚拟地址的操作反映到正确的设备上,还需要通过内存管理单元MMU来将设备的虚拟地址映射到正确的物理地址上去,从而保证驱动程序对设备的虚拟地址的操作,也就是要对其相应的物理地址进行操作。使用内存映射的好处是处理大文件时,其速度明显快于标准文件I/O,这样无论读和写,都少了一次用户空间与内核空间之间的复制。在用户空间对FPGA设备的访问可通过内存映射来实现。FPGA可以看作是硬件连接在S3C2410微处理器的片选信号nGPCS4上的一段物理地址的寻址。因此,必须先把物理地址映射到虚拟地址空间,然后才能对该段地址进行读/写。通常用户可用如下代码关联FPGA的地址:

  fpga_base=ioremap(FPGA_PHY_START,FPGA_PHY_SIZE);

4 结束语

本文系统的介绍了ARMLinux平台下的FPGA的驱动开发方法,并通过开发用户程序,实现了数据的处理和传输,从而实现了FPGA在嵌入式领域的广泛应用。

linux操作系统文章专题:linux操作系统详解(linux不再难懂)


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