XScale PXA270在Linux下的FPGA設備驅動(dòng)

引言

intel公司推出的xscale采用arm v5te結構，是strong arm的升級換代產(chǎn)品。xscale pxa270處理器最高主頻可達到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)域得到了廣泛的應用。在嵌入式控制中，“微處理器＋fpga”是一種常用的解決方案，fpga（現場(chǎng)可編程門(mén)陣列）有編程方便、集成度高、速度快等特點(diǎn)，電子設計人員可以通過(guò)硬件編程的方法來(lái)實(shí)現fpga芯片各種功能的開(kāi)發(fā)，在我們的一個(gè)數控平臺的研究項目中，采用xscale pxa270作為主cpu，并對其進(jìn)行fpga擴展，使其具有插補、電機驅動(dòng)、信號處理、i/o口擴展的功能。linux以其內核精煉、高效、源代碼開(kāi)放且免費等優(yōu)勢，嵌入式領(lǐng)域得到了廣泛的應用。下面以intel xscale pxa270上的altera flex/acex的應用為例，詳細介紹linux下的fpga設備驅動(dòng)的實(shí)現。

1 altera flex/acex芯片結構

altera flex/acex芯片是基于查找表lut（look－up－table）原理而實(shí)現的，lut本質(zhì)上就是一個(gè)ram。目前fpga中多使用4輸入的lut，所以每個(gè)lut可以看成一個(gè)有4位地址線(xiàn)的16×1的ram。當用戶(hù)通過(guò)原理圖或hdl語(yǔ)言描述一個(gè)邏輯電路以后，fpga開(kāi)發(fā)軟件會(huì )自動(dòng)計算邏輯電路的所有可能的結果，并把結果事先寫(xiě)入ram，這樣，每輸入一個(gè)信號進(jìn)行邏輯運算都等于輸入一個(gè)地址進(jìn)行查表，找出地址對應的內容，然后輸出即可。

由于lut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 )丟失，一定要外加1片專(zhuān)用配置芯片（本實(shí)驗電路使用altera epc2lc20），在上電時(shí)，由這個(gè)專(zhuān)用配置芯片把數據加載到fpga中然后fpga即可正常工作。由于配置時(shí)間很短，因此不會(huì )影響系統正常工作，在使用acex1k50之前，應對其進(jìn)行設計編程，實(shí)現相應寄存器及i/o口的功能。有關(guān)fpga的詳細內容請參閱相關(guān)資料。

2 intel xscale pxa270處理器的系統存儲器接口

pxa270處理器的可編程靜態(tài)存儲體系結構如圖1所示。

在系統上，acex1k50位于ncs＜2＞上，物理地址0x8000000－0x8001000共4k的靜態(tài)地址空間，圖2表示了intel xscale pxa270與acex1k50的硬件連接關(guān)系。

3 linux下acex1k50設備驅動(dòng)的實(shí)現

3.1 linux下設備驅動(dòng)基本原理

設備驅動(dòng)程序是應用程序與硬件之間的一個(gè)中間軟件層，設備驅動(dòng)程序為應用程序屏蔽了硬件的細節。這樣在應用程序看來(lái)，硬件設備只是一個(gè)設備文件，應用程序可以像操作普通文件一樣對應用設備進(jìn)行操作，設備驅動(dòng)程序是內核的一部分，它主要實(shí)現的功能有：對設備進(jìn)行初始化和釋放；把數據從內核傳送到硬件和從硬件讀取數據；讀取應用程序傳送給設備文件的數據，回送應用程序請求的數據以及檢測和處理設備出現的錯誤。

linux將設備分為最基本的兩大類(lèi)：一類(lèi)是字符設備；另一類(lèi)是塊設備，字符設備和塊設備的主要區別在于是否使用了緩沖技術(shù)，字符設備以單個(gè)字節為單位進(jìn)行順序讀/寫(xiě)操作，通常不使用緩沖技術(shù)，塊設備為了提高效率，利用一塊系統內存作為讀/寫(xiě)操作的緩沖區，由于涉及緩沖區管理、調度和同步等問(wèn)題，實(shí)現起來(lái)比字符設備復雜得多。

linux通過(guò)設備文件系統對設備進(jìn)行管理，各種設備都以文件的形式存放在/dev目錄下，稱(chēng)為“設備文件”。應用程序可以像普通文件一樣打開(kāi)、關(guān)閉和讀/寫(xiě)這些設備文件，為了管理這些設備，系統為設備編了號，每個(gè)設備號又分為主設備號和次設備號，主設備號用來(lái)區分不同種類(lèi)的設備，而次設備號用來(lái)區分同一類(lèi)型的多個(gè)設備，linux為所有的設備文件都提供了統一的操作函數接口，方法是使用數據結構struct file_operations，這個(gè)數據結構中包括許多操作函數的指針，如open（）、close（）、read（）和write（）等，但由于外設的種類(lèi)較多，操作方式各不相同，struct file_operations結構體中的成員為一系列的接口函數，如用于讀/寫(xiě)的read/write函數和用于控制的ioct1等。打開(kāi)一個(gè)文件就是調用這個(gè)文件file_operations中的open操作，不同類(lèi)型的文件（如普通的磁盤(pán)數據文件）有不同的file_operations成員函數，接口函數完成磁盤(pán)數據塊讀/寫(xiě)操作，而對于各種設備文件，則最終調用各自驅動(dòng)程序中的i/o函數進(jìn)行具體設備的操作，這樣，應用程序根本不必考慮操作的是設備還是普通文件，可一律當做文件處理，具有非常清晰、統一的i/o接口，所以file_operations是文件層次的i/o接口。

3.2 acex1k50在linux下設備驅動(dòng)的實(shí)現

驅動(dòng)程序中使用內存映射可以提供給用戶(hù)程序直接訪(fǎng)問(wèn)設備內存的能力。使用內存映射得好處是處理大文件時(shí)速度明顯快于標準文件i/o，無(wú)論讀/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acex1k50 fpga設備的訪(fǎng)問(wèn)是通過(guò)內存映射來(lái)實(shí)現的。

acex1k50可以看作是硬件連接在pxa270微處理器的ncs＜2＞上的一段物理地址來(lái)尋址。因為有虛擬內存管理單元，所以如果linux下，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)。

在內核驅動(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核虛擬空間；在驅動(dòng)程序的mmap系統調用中，使用remap_page_range（）將該塊com映射到用戶(hù)虛擬空間，這樣內核空間和用戶(hù)空間都能訪(fǎng)問(wèn)acex1k50的這段被映射后的虛擬地址。

由于acex1k50位于ncs＜2＞上，參照pxa270靜態(tài)存儲體系結構映射表，其物理起始地址為0x08000000。另外，其設備名稱(chēng)及主次設備號定義如下：

其中fpga主設備號定義為零，使得操作系統可以隨機為該設備分配主設備號。

ioremap（）的作為是把一個(gè)物理內存地址點(diǎn)映射為一個(gè)內核指針，被映射數據的長(cháng)度由size參數設定，該函數的實(shí)質(zhì)上把一塊物理區域二次映射到一個(gè)可以從驅動(dòng)程序里訪(fǎng)問(wèn)的虛擬地址上去，以下是該函數的定義：

void＊ioremap（unsigned long phys_addr，unsigned long size）；

設備驅動(dòng)通過(guò)fpga_init（）函數初始化fpga設備，最終通過(guò)init_module（fpga_init）在內核啟動(dòng)時(shí)初始化fpga設備。

fpga_init（）函數的流程如圖3所示。

ioremap（）調用的語(yǔ)句如下：

pxa270_fpga_base＝（unsigned long）ioremap（fpga_phy_start，sz_4k）；

可以通過(guò)ioremap（）調用的返回值pxa270_fpga_base來(lái)判斷fpga物理地址到內核虛擬空間是否映射成功。

if（！pxa270_fpga_base）{

printk（“ioremap pxa270 fpga failedn”）；

return－einval；

}

向設備文件系統注銷(xiāo)fpga設備通過(guò)調用cheanup_module（）函數來(lái)實(shí)現。其代碼如下：

在向內核設備文件系統注冊該fpga驅動(dòng)后，還須實(shí)現設備驅動(dòng)的file_operations結構，acex1k50的設備驅動(dòng)定義了如下file_operations成員函數：

其中fpga_open和fpga_release系統調用的功能只簡(jiǎn)單地實(shí)現了fpga設備使用計數器的遞增與遞減，fpga_ioctl系統調用也只是簡(jiǎn)單的打印一條沒(méi)有ioctl控制的信息提示。這里不再分析實(shí)現的具體代碼。下面具體分析fpga_mmap的實(shí)現過(guò)程：

fpga_mmap（struct file＊filp，struct vm_area_struct＊vma）系統調用允許直接將fpga設備內存線(xiàn)性地映射到用戶(hù)進(jìn)程的地址空間中，fpga_mmap系統調用是通過(guò)調用remap_page_range（）函數來(lái)實(shí)現一段線(xiàn)性物理地址的映射，調用remap_page_range（）函數需要填寫(xiě)vm_area_struct結構的幾個(gè)關(guān)鍵字段。

4 acex1k50設備驅動(dòng)在用戶(hù)程序中的使用

當設備驅動(dòng)實(shí)現后就可以在用戶(hù)空間使用該設備了。在用戶(hù)空間主要是通過(guò)調用mmap（）函數來(lái)實(shí)現對fpga設備的訪(fǎng)問(wèn)。以下是用戶(hù)空間應用程序的一個(gè)示例：

結語(yǔ)

本文通過(guò)介紹acex1k50在linux操作系統下設備驅動(dòng)的實(shí)現過(guò)程，為fpga在嵌入式領(lǐng)域的應用提供了一種方法。在實(shí)際應用中，通過(guò)用戶(hù)程序能夠很好地實(shí)現對fpga硬件編程后的各種功能的控制。