頻譜儀多種內(nèi)核間通信機(jī)制的方案設(shè)計(jì)

摘要：手持式頻譜儀系統(tǒng)采用的是ARM、DSP、FPGA的三核架構(gòu)。對(duì)于多核架構(gòu)，保證內(nèi)核間的通信尤為重要。對(duì)于內(nèi)核間通信，首先是對(duì)通信接口的硬件設(shè)計(jì)與通信機(jī)制的研究，然后著重介紹ARM支持下的嵌入式Linux的接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)，包括通信接口HPI、SPI的驅(qū)動(dòng)。最后完成驅(qū)動(dòng)測(cè)試，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：多核；嵌入式Linux；設(shè)備驅(qū)動(dòng)；HPI；SPI

    多核體系結(jié)構(gòu)為性能提高和節(jié)能計(jì)算等領(lǐng)域開(kāi)辟了新的方向。核與核之間的連接方式、通信協(xié)調(diào)方式等都是研究重點(diǎn)。本課題的研究基于手持式頻譜分析儀系統(tǒng)平臺(tái)，該系統(tǒng)采用的是ARM、DSP、FPGA的三核架構(gòu)。各核心分別完成不同的任務(wù)，然后核心間進(jìn)行參數(shù)發(fā)送、數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。設(shè)計(jì)重點(diǎn)是解決核心間的通信問(wèn)題。

1 ARM與DSP、FPGA通信的硬件設(shè)計(jì)
    手持式頻譜儀中頻信號(hào)處理板主要包括4個(gè)部分：模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD9244)、FPGA(XS3C5000)、DSP(TMS320C6412)、ARM(AT91RM9200)。ARM在手持式頻譜儀中的位置和作用如圖1所示。

    ARM的硬件設(shè)計(jì)參考Atmel公司提供的評(píng)估板資料。主要包括以下幾個(gè)單元電路的設(shè)計(jì)：電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、啟動(dòng)模式選擇電路、JTAG接口電路、Debug串口電路、外部擴(kuò)展SDRAM電路、外部擴(kuò)展NOR Flash(AM29LV320DB)電路、與DSP通信的HPI接口電路、與FPGA通信的SPI接口電路、連接溫度傳感器的I2C接口電路、以太網(wǎng)接口電路。
1．1 HPI接口電路設(shè)計(jì)
    ARM與DSP的HPI總線采用16位數(shù)據(jù)通信，而且HPI總線是數(shù)據(jù)和地址復(fù)用的。ARM使用部分地址信號(hào)線與DSP的HPI總線控制信號(hào)相連，通過(guò)地址的變換來(lái)控制HPI總線。ARM與DSP的硬件連接如圖2所示。其中ARM通過(guò)地址線A3、A2與DSP的HCNTL1、HCNTL0引腳的連接來(lái)選擇對(duì)HPI C、HPIA、HPID各寄存器進(jìn)行操作。通過(guò)A1與DSP的引腳HHWIL的連接來(lái)進(jìn)行讀寫時(shí)半字的選擇。通過(guò)A4與的引腳連接來(lái)選擇讀寫。ARM通過(guò)PB9向DSP的GP11引腳發(fā)送握手信號(hào)，DSP通過(guò)GP12引腳中斷ARM開(kāi)始數(shù)據(jù)傳輸。

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1．2 SPI接口電路設(shè)計(jì)
    SPI接口是一種串行通信接口，它由4根信號(hào)線組成，其中SPCK、MOSI、MISO為復(fù)用，ARM通過(guò)片選信號(hào)NPCS來(lái)選擇與不同的從器件通信。本課題中ARM通過(guò)SPI總線分別與中頻板FPGA、源掃板FPGA通信。ARM與FPGA的硬件連接如圖3所示。ARM為主機(jī)模式，其SPI接口的SPCK、MIS O、MOSI分別與從機(jī)FPGA的SCLK、MOSI、MISO連接。ARM共有4根片選線。這里采用NPCS1選擇中頻板FPGA，NPCS2選擇源掃板FPGA。

2 多核間的通信機(jī)制
2．1 ARM與DSP的通信機(jī)制
    ARM在Linux系統(tǒng)啟動(dòng)后，會(huì)先進(jìn)行一系列的初始化，包括對(duì)HPI、SPI等通信接口的初始化以及重啟DSP，實(shí)現(xiàn)時(shí)序上的同步。ARM在初始化完成后，會(huì)向DSP發(fā)送握手信號(hào)，即通過(guò)PB9向DSP的GP11口寫入數(shù)據(jù)，表示ARM完成初始化，可以接收DSP的發(fā)送數(shù)據(jù)。而DSP完成數(shù)據(jù)處理以后，會(huì)等待ARM的握手信號(hào)，即不斷訪問(wèn)GP11口是否收到數(shù)據(jù)。當(dāng)DSP收到握手信號(hào)之后，會(huì)向GP12口寫1以中斷ARM主機(jī)的其他工作，以便ARM來(lái)讀取DSP已處理好的數(shù)據(jù)。ARM收到中斷信號(hào)以后，通過(guò)設(shè)置HCNTL0、HCNTL1對(duì)HPIC操作來(lái)清除中斷，然后寫HPIA以告訴DSP從什么位置開(kāi)始進(jìn)行自增讀。然后DSP將數(shù)據(jù)從DMA傳送到HPID中，ARM通過(guò)讀HPID來(lái)獲得數(shù)據(jù)。由于ARM與DSP的HPI接口是16位數(shù)據(jù)傳輸，所以要軟件實(shí)現(xiàn)將兩次讀取的16位數(shù)據(jù)合并成32位，然后傳給上層應(yīng)用程序。ARM讀取完數(shù)據(jù)后，向DSP的指定地址寫入0xffffffff，通知DSP瀆取成功，準(zhǔn)備下次數(shù)據(jù)傳輸。
    ARM在接收到上層應(yīng)用程序下發(fā)的命令后，通過(guò)對(duì)命令的解析、計(jì)算，得到各種參數(shù)．然后通過(guò)HPI下發(fā)給DSP。其流程是：首先通過(guò)HCNT L0、HCNTL1寫HPIC寄存器，配置讀寫模式。然后寫了HPIA寄存器，設(shè)置寫入DSP的物理地址。通過(guò)連續(xù)寫HPID寄存器來(lái)發(fā)送控制參數(shù)，最后寫入0x5555aaaa，表示發(fā)送完畢。
2．2 ARM與FPGA的通信機(jī)制
    ARM集成了SPI接口，通過(guò)SPI與FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。SPI總線的“單主機(jī)多從機(jī)”模式正適合本課題中ARM同時(shí)與中頻板FPGA與源掃版FPG A的通信。ARM啟動(dòng)Linux系統(tǒng)后，先對(duì)SPI接口進(jìn)行初始化，包括對(duì)PIO控制器編程，將SPI引腳分配給外設(shè)，配置PMC(電源管理控制器)以使能SPI時(shí)鐘以及將ARM配置為主機(jī)模式。當(dāng)上層軟件下發(fā)命令后，ARM先將接收到的命令字進(jìn)行解析，解析命令得到各種參數(shù)：經(jīng)過(guò)計(jì)算后，通過(guò)SPI接口的片選NPCS來(lái)選擇中頻板FPGA或源掃板FPGA來(lái)下發(fā)參數(shù)。
    由于中頻板FPGA和源掃板FPGA的功能各異，接收的參數(shù)也不盡相同，所以制定了不同的數(shù)據(jù)幀格式及發(fā)送規(guī)則。ARM向中頻板FPGA每幀數(shù)據(jù)傳送16位，傳輸頻率為0．36 MHz。發(fā)送順序?yàn)椋郝酚纱a1、數(shù)據(jù)幀1、路由碼2、數(shù)據(jù)幀2、結(jié)束碼。ARM向源掃板FPGA每幀數(shù)據(jù)傳送16位，傳輸頻率為0．36 MHz。發(fā)送參數(shù)前都要先發(fā)送一個(gè)存儲(chǔ)這個(gè)參數(shù)的虛擬地址，然后發(fā)送參數(shù)，順序?yàn)椋禾摂M地址1、參數(shù)1、虛擬地址2、參數(shù)2、結(jié)束碼。

3 嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)介
    一套完整設(shè)備的軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)可分為：應(yīng)用程序、庫(kù)、操作系統(tǒng)(內(nèi)核)、驅(qū)動(dòng)程序。Linux軟件系統(tǒng)的層次關(guān)系如圖4所示。驅(qū)動(dòng)程序的作用存于連接軟、硬件，即內(nèi)核通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序來(lái)完成對(duì)硬件設(shè)備的操作。在Linux系統(tǒng)中，應(yīng)用程序運(yùn)行于“用戶空間”，并不能直接操作硬件，這可以避免應(yīng)用程序的錯(cuò)誤使得整個(gè)系統(tǒng)崩潰。而驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行于“內(nèi)核空間”，它是系統(tǒng)信任的一部分。所以應(yīng)用程序要對(duì)硬件操作，就要首先使用庫(kù)提供的系統(tǒng)調(diào)用來(lái)進(jìn)入內(nèi)核。內(nèi)核匹配后，調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)，從而完成對(duì)硬件的操作。

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    Linux操作系統(tǒng)將所有的設(shè)備(而不僅是存儲(chǔ)器里的文件)都看成文件，以操作文件的方式訪問(wèn)設(shè)備。應(yīng)用程序不能直接操作硬件，而是使用統(tǒng)一的接口函數(shù)調(diào)用硬件驅(qū)動(dòng)程序。在設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)程序中，首先要根據(jù)驅(qū)動(dòng)程序的功能完成file_operations結(jié)構(gòu)中的函數(shù)實(shí)現(xiàn)，不需要的函數(shù)接口可以直接在file_operations結(jié)構(gòu)中初始化為NULL。而file_operations結(jié)構(gòu)變量會(huì)在驅(qū)動(dòng)程序初始化時(shí)注冊(cè)到系統(tǒng)內(nèi)部。當(dāng)操作系統(tǒng)對(duì)設(shè)備操作時(shí)，就會(huì)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序注冊(cè)的file_operations結(jié)構(gòu)中相應(yīng)的函數(shù)指針。
    對(duì)于Linux驅(qū)動(dòng)的注冊(cè)有兩種方式：一種是直接編譯到內(nèi)核中，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)即對(duì)設(shè)備進(jìn)行注冊(cè)；另一種是以模塊的方式注冊(cè)設(shè)備，需要在系統(tǒng)啟動(dòng)后用命令對(duì)設(shè)備進(jìn)行注冊(cè)。后一種方式在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)期使用比較方便，不用在每次修改驅(qū)動(dòng)程序后和內(nèi)核一起進(jìn)行編譯，只需要將模塊編譯成后綴為，ko的模塊文件，就可下載到開(kāi)發(fā)板中直接使用。在本課題中，使用的是模塊注冊(cè)的方式，在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)期間可大大縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。

4 Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)
    對(duì)于編寫一個(gè)Linux設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，大致的流程如下：
    ①查看原理圖、數(shù)據(jù)手冊(cè)，了解設(shè)備的操作方法。
    ②實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序的初始化，比如向內(nèi)核注冊(cè)這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序，這樣應(yīng)用程序傳入文件名時(shí)，內(nèi)核才能找到相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。
    ③設(shè)計(jì)所要實(shí)現(xiàn)的操作，比如open、close、read、write等函數(shù)。
    ④實(shí)現(xiàn)中斷服務(wù)(不是必須的)。
    ⑤編譯該驅(qū)動(dòng)程序到內(nèi)核中，或者用insmod命令加載。
    ⑥測(cè)試驅(qū)動(dòng)程序。
4．1 HPI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)
4．1．1 物理地址到虛擬地址的映射
    寫Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)的第一步，是完善頭文件中的宏定義，除了各種參數(shù)的定義外，主要是實(shí)現(xiàn)硬件寄存器的物理地址到虛擬地址的映射。對(duì)于硬件寄存器的操作，其實(shí)就是對(duì)其物理地址進(jìn)行讀寫操作。而Linux系統(tǒng)提供了一種內(nèi)存管理機(jī)制，在這種機(jī)制下，程序可以使用比真實(shí)物理地址大得多的地址空間，稱為虛擬地址。Linux系統(tǒng)中程序的操作部是使用虛擬地址，所以要完成物理地址到虛擬地址的映射。本課題采用ioremap函數(shù)的方法，如下：
    #define AT91C_SMC_CSR2*(volatile unsigned long*)ioremap(0xFFFFFF78．4)
    對(duì)于ioremap函數(shù)，就是將物理地址0xFFFFFF78開(kāi)始的4字節(jié)的地址映射到虛擬地址空間中，返回值即4字節(jié)虛擬地址的首地址，賦給宏定義的變量名AT91C_SMC_CSR2。對(duì)宏定義的操作即對(duì)物理地址的操作。
4．1．2 HPI驅(qū)動(dòng)的初始化
    首先是對(duì)HPI硬件的初始化以及中斷初始化。對(duì)于HPI，主要是重置DSP，已完成時(shí)序的同步。設(shè)置SMC(靜態(tài)存儲(chǔ)控制器)，因?yàn)锳RM跟DSP的HPI通信是使用PIO線復(fù)用。最后向DSP發(fā)送握手信號(hào)，表示初始化完成。對(duì)于中斷的初始化，使用：
    request_irq(AT91C_ID_IRQ0，handler，SA_INTERRUPT，”irqO”，NULL)；
    此函數(shù)向內(nèi)核注冊(cè)中斷，包括中斷號(hào)和中斷處理函數(shù)handler。
    對(duì)于HPI設(shè)備的注冊(cè)，為HPI設(shè)備分配系統(tǒng)未使用的254作為主設(shè)備號(hào)，0為次設(shè)備號(hào)。通過(guò)register_chrdev_region函數(shù)向內(nèi)核注冊(cè)。函數(shù)cdev_init是初始化設(shè)備，其實(shí)就是建立設(shè)備與file_operations結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。最后將設(shè)備加入內(nèi)核。代碼如下：
   
    上述的代碼都是在驅(qū)動(dòng)模塊的hpi_init函數(shù)中實(shí)現(xiàn)。在HPI驅(qū)動(dòng)被加載到內(nèi)核時(shí)就完成了一系列初始化。
4．1．3 file_operations結(jié)構(gòu)中函數(shù)的實(shí)現(xiàn)
    設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)的大部分工作就是實(shí)現(xiàn)file_operations結(jié)構(gòu)中的函數(shù)。代碼如下：
   
    其中，“．owner=THIS_MODULE”表示結(jié)構(gòu)屬于本模塊，然后是open、read等各函數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于初始化在hpi_init函數(shù)中實(shí)現(xiàn)，所以open函數(shù)并沒(méi)有特別的操作，主要是在終端輸出信息。函數(shù)release主要是申請(qǐng)中斷資源的釋放，使用free_irq函數(shù)。下面主要講解read函數(shù)，write函數(shù)與之類似，不再詳述。[!--empirenews.page--]
    ssize_t hpi_read(struct file*file，char*buf，size_t count，loff_t*offp)
    其中，參數(shù)file是打開(kāi)文件的標(biāo)識(shí)符；參數(shù)buf和count就是要向buf指向的地址存放count字節(jié)的數(shù)據(jù)；參數(shù)offp是文件讀取的位置，默認(rèn)為文件頭，不用設(shè)置。
    在read函數(shù)的最開(kāi)始有如下代碼：
    wait_event interruptible(hpi_wait，ev_start)；
    down(＆sem)；
    ……
    up(＆sem)；
    其中wait_event_interruptible函數(shù)會(huì)阻塞進(jìn)程，使其進(jìn)入等待隊(duì)列。直到DSP的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，發(fā)來(lái)中斷。HPI設(shè)備注冊(cè)的中斷處理函數(shù)handler會(huì)將變量ev_start置1，同時(shí)喚醒hpi_wait等待隊(duì)列。read函數(shù)繼續(xù)執(zhí)行之后的代碼，即開(kāi)始從DSP的HPID寄存器讀取數(shù)據(jù)到參數(shù)buf指向的地址。讀取完成后向DSP指定地址寫入0xffffffff，表示讀取完成。函數(shù)down與up是操作二進(jìn)制信號(hào)量，使瀆取數(shù)據(jù)的過(guò)程為“原子”操作，避免執(zhí)行過(guò)程中被打斷，從而影響讀取結(jié)果。read函數(shù)的流程如圖5所示。

4．1．4 資源的釋放
    與hpi_init函數(shù)相對(duì)應(yīng)的是hpi_exit函數(shù)，實(shí)現(xiàn)的是資源的釋放。代碼如下：
   
    以上代碼包括中斷資源釋放、映射關(guān)系釋放、內(nèi)存釋放、沒(méi)備釋放。與hpi_init函數(shù)比較可看出，釋放的順序與申請(qǐng)注冊(cè)的順序正好相反。
4．1．5 模塊的編譯、加載
    在驅(qū)動(dòng)文件的最后加上如下代碼，設(shè)置模塊加載與釋放對(duì)應(yīng)的函數(shù)：
    module_init(hpi_init)；
    module_exit(hpi_exit)；
    完成了驅(qū)動(dòng)程序的編寫，將源程序文件在Linux開(kāi)發(fā)環(huán)境下編譯成．ko的模塊文件，使用insmod和rmmod指令來(lái)加載和卸載模塊。
4．2 SPI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)
    在SPI的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中，大體的框架跟HPI是相同的。包括頭文件宏定義的完善、SPI設(shè)備的初始化、file_operations結(jié)構(gòu)中函數(shù)的實(shí)現(xiàn)、資源釋放，最后編譯、加載。需要說(shuō)明的是AT91RM9200自帶了SPI接口，所以初始化時(shí)要根據(jù)芯片手冊(cè)對(duì)SPI接口的I／O線、時(shí)鐘、工作模式
等進(jìn)行配置，才能保證硬件的正常工作。在SPI驅(qū)動(dòng)的write函數(shù)中，使用了如下代碼：
    copy_from_user(Ytos，buf，count)；
    在Linux的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中，經(jīng)常涉及到用戶空間和內(nèi)核空間的通信問(wèn)題，即數(shù)據(jù)的交換。copy_from_user與copy_to_user函數(shù)就是為了實(shí)現(xiàn)這一功能。上述代碼實(shí)現(xiàn)的功能就是將用戶空間buf的count字節(jié)的內(nèi)容復(fù)制到內(nèi)核中定義的數(shù)組Ytos中，從而完成用戶空間和內(nèi)核的數(shù)據(jù)交換。驅(qū)動(dòng)的其余實(shí)現(xiàn)類似HPI，不再詳述。
4．3 驅(qū)動(dòng)的調(diào)試
    對(duì)于程序語(yǔ)法的調(diào)試，在編譯的過(guò)程中解決。根據(jù)Linux平臺(tái)下的交叉編譯器arm-linux-gcc的提示信息，修改出現(xiàn)的語(yǔ)法類錯(cuò)誤。在保證了驅(qū)動(dòng)文件的成功編譯后，對(duì)于程序功能的調(diào)試，采用打印函數(shù)printk跟蹤調(diào)試。在程序適當(dāng)?shù)奈恢眉尤雙rintk打印信息，如根據(jù)設(shè)備注冊(cè)函數(shù)的返回值來(lái)打印成功或者失敗的信息，可以很直觀的了解程序的運(yùn)行情況，是很有效的調(diào)試方法。在調(diào)試過(guò)程中，利用示波器來(lái)檢測(cè)某些通信端口的電平信息，可以了解到是否有數(shù)據(jù)通信。通過(guò)幾種手段的結(jié)合，最后完成驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)試。

結(jié)語(yǔ)
    本課題采用ARM、DSP、FPGA的三核構(gòu)建的系統(tǒng)平臺(tái)，將它們各自的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)。在完成各自的數(shù)據(jù)處理后，分別通過(guò)HPI、SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在ARM的整體控制下，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)作。而基于ARM的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，還能提供友好的人機(jī)交互界面。該平臺(tái)在智能儀表、信號(hào)測(cè)試分析等領(lǐng)域都能發(fā)揮很好的作用。