基于A(yíng)RM和FPGA的高速圖像數據采集板設計

2.3 網(wǎng)絡(luò )傳輸接口設計

本設計采用的以太網(wǎng)控制器為臺灣亞信公司推出的一款Non-PCI千兆以太網(wǎng)控制芯片AX88180.其內置1000Mbps以太網(wǎng)媒體存取控制器(MAC);它可以十分方便地實(shí)現與一般16/32位微處理器連接，并且可以像SRAM一樣被訪(fǎng)問(wèn);它有40KBytesSRAM網(wǎng)絡(luò )封包緩存器。它符合IEEE802.3/IEEE802.3u/IEEE802.3ab協(xié)議，可廣泛應用于各種消費電子和家庭網(wǎng)絡(luò )市場(chǎng)或要求更高的網(wǎng)絡(luò )帶寬連接，如數字媒體、家用網(wǎng)關(guān)及IP電視等。

嵌入式芯片S3C2440A、以太網(wǎng)控制器AX88180及物理層芯片88E1111的接口電路圖如圖3所示。

?

?

S3C2440A與AX88180之間采用總線(xiàn)方式相連，地址總線(xiàn)A2~A15、數據總線(xiàn)D0~D31、讀寫(xiě)信號等可以直接連接，AX88180中斷信號與S3C2440A EINT11相連，AX88180的40M~100M時(shí)鐘信號由S3C2440A提供，整個(gè)接口電路無(wú)需外加電路;AX88180與PHY芯片之間采用簡(jiǎn)化千兆比特媒體RGMII接口，信號對應 相連，負責實(shí)現數據傳送底層協(xié)議[5].

3.Linux驅動(dòng)程序設計

FPGA作為ARM的外設，需要設計它在Linux下的驅動(dòng)程序。驅動(dòng)程序是操作系統與硬件之間的接口，它為應用程序屏蔽硬件的細節。硬件系統只有和高效可靠的驅動(dòng)程序相結合才能在操作系統下正常工作。

Linux的設備驅動(dòng)程序需要完成如下功能：

①對設備進(jìn)行初始化和釋放。

②提供各類(lèi)設備服務(wù)。

③負責內核和設備之間的數據交換。

④檢測和處理設備工作過(guò)程中出現的錯誤。

Linux下的設備驅動(dòng)程序被組織成一組完成不同任務(wù)的函數集合，通過(guò)這些函數使Windows的設備操作猶如文件一般。

Linux將設備分為字符設備和塊設備兩類(lèi)。我們使用的是字符設備。驅動(dòng)程序的模塊化我們先不做介紹，我們主要介紹Linux下的中斷[6].Linux將中斷處理程序分解成兩個(gè)半部：上半部和下半部。上半部完成盡可能少的比較緊急的功能，下半部用來(lái)完成中斷事件的絕大部分任務(wù)。因為中斷的耗時(shí)工作在這里完成，所以將讀取數據放在下半部完成。Linux系統實(shí)現下半部采用的機制主要有tasklet、工作隊列和軟中斷。許多設備涉及到中斷操作，因此，在這樣的設備的驅動(dòng)程序中需要對硬件產(chǎn)生的中斷請求提供中斷服務(wù)程序。與注冊基本入口點(diǎn)一樣，驅動(dòng)程序也要請求內核將特定的中斷請求和中斷服務(wù)程序聯(lián)系在一起。在Linux中，用request_irq()函數來(lái)實(shí)現請求：

int request_irq(unsigned intirq,void(*handler)int,unsigned longtype,char*name);

參數irq為要中斷請求號，參數handler為指向中斷服務(wù)程序的指針，參數type用來(lái)確定是正常中斷還是快速中斷(正常中斷指中斷服務(wù)子程序返回后，內核可以執行調度程序來(lái)確定將運行哪一個(gè)進(jìn)程;而快速中斷是指中斷服務(wù)子程序返回后，立即執行被中斷程序，正常中斷type取值為0,快速中斷type取值為SA_INTERRUPT)，參數name是設備驅動(dòng)程序的名稱(chēng)。

我們的中斷處理函數是：

void fpgalc12_interrupt(int irq,void*dev_id,struct pt_regs*regs)。

Irqflags是中斷處理的屬性，若設置了SA_INTERRUPT,則表示中斷處理程序是快速處理程序，快速處理程序被調用時(shí)屏蔽所有中斷，而慢速處理程序不屏蔽。dev_id在中斷共享時(shí)會(huì )用到，一般設置為這個(gè)設備的結構體或NULL.request_irq()返回0表示成功，返回-INVAL表示中斷號無(wú)效或處理函數指針為NULL,返回-EBUSY表示中斷已經(jīng)被占用且不能共享。這兩個(gè)函數分別要在初始化和釋放模塊中加載。

要在Linux申請了中斷通道后，系統會(huì )響應外部中斷IRQ_EINT0,從而進(jìn)入中斷處理序。中斷處理程序功能就是將有關(guān)中斷接收的信息反饋給設備，并根據要服務(wù)的中斷的不同含義相應地對數據進(jìn)行讀寫(xiě)[7-8].所以FPGA中斷處理的主要任務(wù)是：FIFO在接收到AD轉換來(lái)的數據后，向ARM發(fā)出中斷請求信號，讓ARM來(lái)讀取FPGA中FIFO狀態(tài)寄存器的值，獲取需要信息并安排接受數據，然后寫(xiě)狀態(tài)寄存器清除相關(guān)中斷位以繼續響應中斷，保證數據的有效傳輸。

中斷處理程序的第一步是要先清除S3C2440A的中斷懸掛寄存器和中斷源寄存器相應的位。這是為了能夠繼續響應FPGA產(chǎn)生的中斷。為了能夠讓FIFO能及時(shí)的接收到新數據，把寫(xiě)狀態(tài)寄存器放到中斷的一開(kāi)始，即第二步就是寫(xiě)狀態(tài)寄存器相應位，通過(guò)置1清除狀態(tài)使AD中斷能夠繼續產(chǎn)生。最后讀取FIFO的數據。使用中斷后數據的傳輸效率大大得到提高，能夠滿(mǎn)足實(shí)際的采集需要。

4.結束語(yǔ)

本方案中的采集板充分利用了ARM的靈活性和FPGA的并行性的特點(diǎn)，實(shí)現了適用于高速數據采集板的設計。方案采用S3C2440A作為主控芯片，通過(guò)千兆以太網(wǎng)接口實(shí)時(shí)地將采集的數據傳輸到上位機PC機，上位機可實(shí)時(shí)控制目標數據采集。FPGA芯片在控制A/D轉換芯片的同時(shí)，將數據存儲在SRAM中，并通過(guò)DMA接口與S3C2440A進(jìn)行數據傳輸。實(shí)驗表明，本采集板的實(shí)時(shí)性和高速性能夠滿(mǎn)足系統的設計要求，可廣泛應用于各種數據采集系統中。