XScale PXA270在Linux下的FPGA設(shè)備驅(qū)動(dòng)

1、xscale pxa270在linux下的fpga設(shè)備驅(qū)動(dòng)intel公司推出的xscale采納 v5te結(jié)構(gòu)，是strong arm的升級(jí)換代產(chǎn)品。xscale pxa270處理器最高主頻可達(dá)到624m赫茲，加入了wireless mmx、intel speedstep等新技術(shù)，以其高性能、低功耗、多功能等特點(diǎn)在信息家電、工業(yè)控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在控制中，“微處理器”是一種常用的解決計(jì)劃，fpga（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）有編程便利、集成度高、速度快等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)硬件編程的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)fpga芯片各種功能的開(kāi)發(fā)，在我們的一個(gè)數(shù)控平臺(tái)的討論項(xiàng)目中，采納xscale pxa270作為主c

2、pu，并對(duì)其舉行fpga擴(kuò)展，使其具有插補(bǔ)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、信號(hào)處理、i/o口擴(kuò)展的功能。以其內(nèi)核精煉、高效、源代碼開(kāi)放且免費(fèi)等優(yōu)勢(shì)，嵌入式領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。下面以intel xscale pxa270上的 flex/acex的應(yīng)用為例，具體介紹linux下的fpga設(shè)備驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。1 altera flex/acex芯片結(jié)構(gòu)altera flex/acex芯片是基于查找表lut（lookuptable）原理而實(shí)現(xiàn)的，lut本質(zhì)上就是一個(gè)ram。目前fpga中多用法4輸入的lut，所以每個(gè)lut可以看成一個(gè)有4位地址線的16×1的ram。當(dāng)用戶(hù)通過(guò)原理圖或hdl語(yǔ)言描述一個(gè)規(guī)律以后，f

3、pga開(kāi)發(fā)軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算規(guī)律電路的全部可能的結(jié)果，并把結(jié)果事先寫(xiě)入ram，這樣，每輸入一個(gè)信號(hào)舉行規(guī)律運(yùn)算都等于輸入一個(gè)地址舉行查表，找出地址對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，然后輸出即可。因?yàn)閘ut主要適合sram工藝生產(chǎn)，所以目前大部分fpga都是基于sram工藝的，而sram工藝的芯片在掉電后信息就會(huì)走失，一定要外加1片專(zhuān)用配置芯片（本試驗(yàn)電路用法altera epc2lc20），在上電時(shí)，由這個(gè)專(zhuān)用配置芯片把數(shù)據(jù)加載到fpga中然后fpga即可正常工作。因?yàn)榕渲脮r(shí)光很短，因此不會(huì)影響系統(tǒng)正常工作，在用法acex1k50之前，應(yīng)對(duì)其舉行設(shè)計(jì)編程，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)寄存器及i/o口的功能。有關(guān)fpga的具體內(nèi)容請(qǐng)參閱相關(guān)

4、資料。2 intel xscale pxa270處理器的系統(tǒng)存儲(chǔ)器接口pxa270處理器的可編程靜態(tài)存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)1所示。在系統(tǒng)上，acex1k50位于ncs2上，物理地址0x80000000x8001000共4k的靜態(tài)地址空間，圖2表示了intel xscale pxa270與acex1k50的硬件銜接關(guān)系。3 linux下acex1k50設(shè)備驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)3.1 linux下設(shè)備驅(qū)動(dòng)基本原理設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是應(yīng)用程序與硬件之間的一個(gè)中間軟件層，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閼?yīng)用程序屏蔽了硬件的詳情。這樣在應(yīng)用程序看來(lái)，硬件設(shè)備只是一個(gè)設(shè)備文件，應(yīng)用程序可以像操作一般文件一樣對(duì)應(yīng)用設(shè)備舉行操作，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是內(nèi)核的一

5、部分，它主要實(shí)現(xiàn)的功能有：對(duì)設(shè)備舉行初始化和釋放；把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù)；讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)，回送應(yīng)用程序哀求的數(shù)據(jù)以及檢測(cè)和處理設(shè)備浮現(xiàn)的錯(cuò)誤。linux將設(shè)備分為最基本的兩大類(lèi)：一類(lèi)是字符設(shè)備；另一類(lèi)是塊設(shè)備，字符設(shè)備和塊設(shè)備的主要區(qū)分在于是否用法了緩沖技術(shù)，字符設(shè)備以單個(gè)字節(jié)為單位舉行挨次讀/寫(xiě)操作，通常不用法緩沖技術(shù)，塊設(shè)備為了提高效率，利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作為讀/寫(xiě)操作的緩沖區(qū)，因?yàn)樯婕熬彌_區(qū)管理、調(diào)度和同步等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比字符設(shè)備復(fù)雜得多。linux通過(guò)設(shè)備文件系統(tǒng)對(duì)設(shè)備舉行管理，各種設(shè)備都以文件的形式存放在/dev名目下，稱(chēng)為“設(shè)備文件”。應(yīng)用程序可以

6、像一般文件一樣打開(kāi)、關(guān)閉和讀/寫(xiě)這些設(shè)備文件，為了管理這些設(shè)備，系統(tǒng)為設(shè)備編了號(hào)，每個(gè)設(shè)備號(hào)又分為主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)，主設(shè)備號(hào)用來(lái)區(qū)別不同種類(lèi)的設(shè)備，而次設(shè)備號(hào)用來(lái)區(qū)別同一類(lèi)型的多個(gè)設(shè)備，linux為全部的設(shè)備文件都提供了統(tǒng)一的操作函數(shù)接口，辦法是用法數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct file_operations，這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包括許多操作函數(shù)的指針，如open（）、close（）、read（）和write（）等，但因?yàn)橥庠O(shè)的種類(lèi)較多，操作方式各不相同，struct file_operations結(jié)構(gòu)體中的成員為一系列的接口函數(shù)，如用于讀/寫(xiě)的read/write函數(shù)和用于控制的ioct1等。打開(kāi)一個(gè)文

7、件就是調(diào)用這個(gè)文件file_operations中的open操作，不同類(lèi)型的文件（如一般的磁盤(pán)數(shù)據(jù)文件）有不同的file_operations成員函數(shù)，接口函數(shù)完成磁盤(pán)數(shù)據(jù)塊讀/寫(xiě)操作，而對(duì)于各種設(shè)備文件，則終于調(diào)用各自驅(qū)動(dòng)程序中的i/o函數(shù)舉行詳細(xì)設(shè)備的操作，這樣，應(yīng)用程序根本不必考慮操作的是設(shè)備還是一般文件，可一律當(dāng)做文件處理，具有十分清楚 、統(tǒng)一的i/o接口，所以file_operations是文件層次的i/o接口。3.2 acex1k50在linux下設(shè)備驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序中用法內(nèi)存映射可以提供應(yīng)用戶(hù)程序挺直拜訪設(shè)備內(nèi)存的能力。用法內(nèi)存映射得益處是處理大文件時(shí)速度顯然快于標(biāo)準(zhǔn)文件i/o

8、，無(wú)論讀/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)acex1k50 fpga設(shè)備的拜訪是通過(guò)內(nèi)存映射來(lái)實(shí)現(xiàn)的。acex1k50可以看作是硬件銜接在pxa270微處理器的ncs2上的一段物理地址來(lái)尋址。由于有虛擬內(nèi)存管理單元，所以假如linux下，必需先把物理地址映射到虛擬地址空間，然后才干對(duì)該段地址舉行讀/寫(xiě)。在內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序的初始化階段，通過(guò)ioremap（）將acex1k50的這段物理地址映射到內(nèi)核虛擬空間；在驅(qū)動(dòng)程序的mmap系統(tǒng)調(diào)用中，用法remap_page_range（）將該塊com映射到用戶(hù)虛擬空間，這樣內(nèi)核空間和用戶(hù)空間都能拜訪acex1k50的這段被映射后的虛擬

9、地址。因?yàn)閍cex1k50位于ncs2上，參照pxa270靜態(tài)存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)映射表，其物理起始地址為0x08000000。另外，其設(shè)備名稱(chēng)及主次設(shè)備號(hào)定義如下：其中fpga主設(shè)備號(hào)定義為零，使得操作系統(tǒng)可以隨機(jī)為該設(shè)備分配主設(shè)備號(hào)。ioremap（）的作為是把一個(gè)物理內(nèi)存地址點(diǎn)映射為一個(gè)內(nèi)核指針，被映射數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度由size參數(shù)設(shè)定，該函數(shù)的實(shí)質(zhì)上把一塊物理區(qū)域二次映射到一個(gè)可以從驅(qū)動(dòng)程序里拜訪的虛擬地址上去，以下是該函數(shù)的定義：voidioremap（unsigned long phys_addr，unsigned long size）；設(shè)備驅(qū)動(dòng)通過(guò)fpga_init（）函數(shù)初始化fpga設(shè)備，

10、終于通過(guò)init_module（fpga_init）在內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)初始化fpga設(shè)備。fpga_init（）函數(shù)的流程3所示。ioremap（）調(diào)用的語(yǔ)句如下：pxa270_fpga_base（unsigned long）ioremap（fpga_phy_start，sz_4k）；可以通過(guò)ioremap（）調(diào)用的返回值pxa270_fpga_base來(lái)推斷fpga物理地址到內(nèi)核虛擬空間是否映射勝利。if（！pxa270_fpga_base）printk（“ioremap pxa270 fpga failedn”）；returneinval；向設(shè)備文件系統(tǒng)注銷(xiāo)fpga設(shè)備通過(guò)調(diào)用cheanup_m

11、odule（）函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。其代碼如下：在向內(nèi)核設(shè)備文件系統(tǒng)注冊(cè)該fpga驅(qū)動(dòng)后，還須實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的file_operations結(jié)構(gòu)，acex1k50的設(shè)備驅(qū)動(dòng)定義了如下file_operations成員函數(shù)：其中fpga_open和fpga_release系統(tǒng)調(diào)用的功能只容易地實(shí)現(xiàn)了fpga設(shè)備用法計(jì)數(shù)器的遞增與遞減，fpga_ioctl系統(tǒng)調(diào)用也只是容易的打印一條沒(méi)有ioctl控制的信息提醒。這里不再分析實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)代碼。下面詳細(xì)分析fpga_mmap的實(shí)現(xiàn)過(guò)程：fpga_mmap（struct filefilp，struct vm_area_structvma）系統(tǒng)調(diào)用允許挺直將fpga設(shè)備內(nèi)存線性地映射到用戶(hù)進(jìn)程的地址空間中，fpga_mmap系統(tǒng)調(diào)用是通過(guò)調(diào)用remap_page_range（）函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)一段線性物理地址的映射，調(diào)用remap_page_range（）函數(shù)需要填寫(xiě)vm_area_struct結(jié)構(gòu)的幾個(gè)關(guān)鍵字段。4 acex1k50設(shè)備驅(qū)動(dòng)在用戶(hù)程序中的用法當(dāng)設(shè)