Linux系統(tǒng)環(huán)境下的FPGA驅(qū)動(dòng)方案解析

Linux操作系統(tǒng)的全稱(chēng)是GNU/Linux，它是由GNU工程和Linux內(nèi)核兩個(gè)部分共同組成的一個(gè)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(xiě)，即現(xiàn)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(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(mén)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(chē)電子以及消費(fèi)類(lèi)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(kāi)發(fā)使FPGA在后面的應(yīng)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(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(jì)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(gè)ARM920T內(nèi)核和一些片內(nèi)外圍設(shè)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(dá)到203MHz。這個(gè)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(dòng)方法。

1 基本原理

Linux下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通常是一個(gè)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(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(biāo)設(shè)備。

在Linux下驅(qū)動(dòng)FPGA，其本質(zhì)上就是字符設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，慣例上它們位于/dev目錄。

1.1 主次編號(hào)

在內(nèi)核中，dev_t類(lèi)型(在中定義)用來(lái)持有設(shè)備編號(hào)。通常2.6內(nèi)核版本限制在255個(gè)主編號(hào)和255個(gè)次編號(hào)。

建立一個(gè)字符驅(qū)動(dòng)時(shí)，需要做的第一件事是獲取一個(gè)或多個(gè)設(shè)備編號(hào)。其必要的函數(shù)是regis-ter_chrdev_region，設(shè)計(jì)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(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(cuò)時(shí)，則返回一個(gè)負(fù)的錯(cuò)誤碼，但不能存取請(qǐng)求的區(qū)域。

1.2 重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

注冊(cè)設(shè)備編號(hào)僅僅是驅(qū)動(dòng)代碼必須進(jìn)行的諸多任務(wù)中的第一個(gè)。驅(qū)動(dòng)操作包括三個(gè)重要的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為file_operations、file和inode。其中，對(duì)于FPGA驅(qū)動(dòng)來(lái)說(shuō)，最值得關(guān)注的是文件操作(file_operations)。

file_operation結(jié)構(gòu)是一個(gè)用字符驅(qū)動(dòng)方式建立設(shè)備編號(hào)和設(shè)備操作的連接結(jié)構(gòu)，定義在.是一個(gè)函數(shù)指針的集合。每個(gè)打開(kāi)文件與它自身的函數(shù)集合相關(guān)，這些操作大部分可由系統(tǒng)調(diào)用，例如：open()，read ()等等。典型的file_operation結(jié)構(gòu)可用FPGA設(shè)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(jié)構(gòu)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(dāng)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(tǒng)調(diào)用提供一個(gè)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(duì)于任何未事先定義的請(qǐng)求，系統(tǒng)調(diào)用將返回一個(gè)錯(cuò)誤。定義如下：

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

1.3 設(shè)備注冊(cè)

內(nèi)核在內(nèi)部將使用struct cdev類(lèi)型結(jié)構(gòu)來(lái)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。而如果想將cdev結(jié)構(gòu)嵌入設(shè)備特定的結(jié)構(gòu)中，則應(yīng)當(dāng)初始化已經(jīng)分配的結(jié)構(gòu)，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(qū)動(dòng)初始化，在大部分驅(qū)動(dòng)中，open應(yīng)當(dāng)檢查設(shè)備特定的錯(cuò)誤(例如設(shè)備沒(méi)準(zhǔn)備好，或者類(lèi)似的硬件錯(cuò)誤)，但是，其第一步常常是確定打開(kāi)哪個(gè)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(xiě)操作

讀和寫(xiě)都是進(jìn)行類(lèi)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(hù)空間(使用copy_to_user)，而write方法則是從用戶(hù)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(gè)典型讀的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

2 硬件電路

通常在大容量存儲(chǔ)項(xiàng)目中，S3C2410處理器一般作為主CPU，可對(duì)EP2S30F67214進(jìn)行擴(kuò)展，以使系統(tǒng)具有拍攝、存儲(chǔ)、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(xiě)、中斷和片選控制線等。

在S3C2410中，nGPCS4的物理地址為0x2000000—0x28000000，共計(jì)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(dòng)初始化

初始化模塊在內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)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(kāi)設(shè)備返回值*/

fcntl (fd，F(xiàn)_SETFL，oflags∣FASYNC);/*fd為打開(kāi)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(duì)socket和tty可用。

3.3 地址映射

在Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于驅(qū)動(dòng)程序操作的都是設(shè)備的虛擬地址，因此，要使驅(qū)動(dòng)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(guò)內(nèi)存管理單元MMU來(lái)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(dòng)程序?qū)υO(shè)備的虛擬地址的操作，也就是要對(duì)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(shí)，其速度明顯快于標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)核空間之間的復(fù)制。在用戶(hù)空間對(duì)FPGA設(shè)備的訪問(wèn)可通過(guò)內(nèi)存映射來(lái)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(hào)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(duì)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，F(xiàn)PGA_PHY_SIZE);

4 結(jié)束語(yǔ)

本文系統(tǒng)的介紹了ARM基于Linux平臺(tái)下的FPGA的驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)方法，并通過(guò)開(kāi)發(fā)用戶(hù)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。