《綜合創(chuàng)新實驗》PPT課件

1,綜合創(chuàng)新實驗,2,提綱,1、設(shè)計任務(wù)2、設(shè)計分析3、FPGA設(shè)計基礎(chǔ)4模塊分析5驅(qū)動設(shè)計6測試程序設(shè)計7GUI程序設(shè)計,3,1.設(shè)計任務(wù),設(shè)計題目：FGPA擴展子板系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計內(nèi)容:擴展一塊FPGA子板，合理選用FPGA器件。有效使用XSBase255擴展槽資源。擴展以下硬件資源：16鍵鍵盤、8個LED燈、撥碼開關(guān)、2路A/D和D/A。,4,設(shè)計要求合理選擇各種元器件，包括FPGA、A/D、D/A芯片。合理使用XSBase255開發(fā)系統(tǒng)擴展槽資源，設(shè)計原理圖，要考慮子板和母板的安裝。布局圖：,5,軟件測試要求：LED顯示A/DD/AKeyPad開關(guān)量輸入,6,2.設(shè)計分析,嵌入式系統(tǒng)項目開發(fā)流程要經(jīng)歷項目分析、設(shè)計和實現(xiàn)與維護四個階段本設(shè)計：前期準備FPGA邏輯設(shè)計設(shè)備驅(qū)動設(shè)計驅(qū)動測試GUI應(yīng)用程序設(shè)計,7,3.FPGA設(shè)計基礎(chǔ),可編程邏輯器件簡介什么是FPGA？什么是CPLD？FPGA與CPLD的主要區(qū)別為什么要使用CPLD/FPGA？可編程邏輯器件有哪些？如何使用可編程邏輯器件進行開發(fā)？如何使用Xscale和FPGA進行開發(fā)？,8,3.1VHDL語言介紹,隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，使用硬件描述語言（HDL）設(shè)計CPLD/FPGA成為一種趨勢VHDL的程序結(jié)構(gòu)特點是將一項工程設(shè)計，分成外部（端口)和內(nèi)部（涉及實體的內(nèi)部功能實現(xiàn)部分）VHDL主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、功能和接口，跟原理圖有對應(yīng)的關(guān)系,9,一個簡單的VHDL例子:,10,3.2QuartusII使用簡介,QuartusII軟件為設(shè)計者提供了一個完整的圖形化多平臺開發(fā)環(huán)境，它包含整個FPGA和CPLD的開發(fā)方案QuartusII的使用，操作步驟主要有工程建立、設(shè)計輸入、編譯、仿真和下載操作,11,擴展板邏輯主要包括：總線接口邏輯中斷管理邏輯鍵盤掃描邏輯撥碼開關(guān)邏輯AD部分邏輯DA部分邏輯,3.3擴展板邏輯設(shè)計要點總線接口邏輯,12,總線接口,總線接口部：,13,總線接口要完成的功能是實現(xiàn)各寄存器的讀寫操作。包括地址譯碼、寄存器輸入、總線輸出和各模塊讀寫信號產(chǎn)生總線信號有：輸入到FPGA的外部總線的信號有SA_A25.0、SA_CS4、SA_D31.0、SA_WE、SA_OESA_A25.0為地址信號SA_CS4為擴展板的片選信號，低有效SA_D31.0為32位雙向數(shù)據(jù)信號SA_WE為寫信號，低有效SA_OE為讀信號，低有效,14,地址譯碼,使用兩個Decode兆功能模塊（寫譯碼模塊和讀譯碼模塊）實現(xiàn)譯碼操作寫譯碼模塊用于產(chǎn)生各內(nèi)部寄存器的寫信號，寫譯碼模塊的使能直接由SA_CS4控制讀譯碼模塊用于產(chǎn)生內(nèi)部寄存器的讀信號，讀譯碼模塊的使能信號受SA_CS4和SA_OE控制,15,中斷管理部分,當各內(nèi)部中斷產(chǎn)生后，中斷狀態(tài)寄存器對應(yīng)位將置“1”，這主要由DFF觸發(fā)器來實現(xiàn),16,鍵盤掃描邏輯,采用硬件描述語言方式設(shè)計,17,AD部分邏輯,向AD提供采樣時鐘，并讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)自動循環(huán)采集模式下，AD的采樣時鐘由ADCNTR寄存器控制FPGA將轉(zhuǎn)換結(jié)果自動存入內(nèi)部的雙口RAM進行緩存，當緩存滿后，產(chǎn)生中斷通知處理器讀取,18,AD采樣時鐘,19,AD地址發(fā)生器及其中斷產(chǎn)生邏輯,20,4.模塊分析,鍵盤模塊：功能說明當16鍵中的任一按鍵被按下時，即產(chǎn)生4位鍵碼值，更新鍵碼寄存器，并置位狀態(tài)寄存器中的按鍵標志位鍵盤的掃描周期為20毫秒，以實現(xiàn)硬件消抖功能，若無按鍵動作，鍵碼寄存器的值保持不變當有按鍵動作，如果中斷控制寄存器中的鍵盤中斷允許位置1，則產(chǎn)生中斷信號,21,鍵盤模塊,相關(guān)寄存器定義鍵碼寄存器（KEY），8位中斷控制寄存器（ICNTR），16位，中斷方式為電平觸發(fā)，高有效中斷標志寄存器（IFLAG），8位,22,鍵盤模塊,使用方法中斷工作模式操作設(shè)置中斷控制寄存器的D0位為1，使能鍵盤中斷；當有按鍵時，鍵盤產(chǎn)生中斷；讀取鍵碼寄存器的鍵碼值；往中斷標志寄存器對應(yīng)的鍵盤標志位置“1”，清除中斷查詢模式操作讀取中斷標志寄存器判斷按鍵標志位是否為1。否，則返回；是，則繼續(xù)讀取鍵碼寄存器的鍵碼值往中斷標志寄存器對應(yīng)的鍵盤標志位置“1”，清除該標志,23,A/D模塊,功能說明A/D模塊的精度為12位，輸入電壓范圍為0-2V（DC/AC）。A/D模塊共2路，每路的數(shù)據(jù)輸出為并行12位，2路A/D共用一個32位寄存器存放數(shù)據(jù)。相關(guān)寄存器定義使用方法,24,5.驅(qū)動設(shè)計,驅(qū)動設(shè)計總思路:考慮驅(qū)動程序操作的對象。根據(jù)對FPGA擴展各模塊的性能分析，驅(qū)動程序應(yīng)該盡可能的體現(xiàn)硬件的功能考慮協(xié)議和算法在驅(qū)動中實現(xiàn)還是在應(yīng)用層中實現(xiàn)。根據(jù)應(yīng)用程序的需要，在驅(qū)動中實現(xiàn)相應(yīng)的方法。,25,5.1驅(qū)動方法概要(1),設(shè)備的方法集中包含了8個方法:open這個方法在驅(qū)動中必須實現(xiàn)，因為應(yīng)用程序打開設(shè)備文件時就就會調(diào)用此方法release這個方法與open是成對出現(xiàn)的，當應(yīng)用程序調(diào)用close關(guān)閉設(shè)備文件時，就會調(diào)用此方法ioctl應(yīng)用程序中必須通過ioctl方法向驅(qū)動傳遞命令字，來通知驅(qū)動操作的模塊，同時也通過ioctl來通知或改變模塊的工作模式。,26,5.1驅(qū)動方法概要(2),read,write應(yīng)用程序?qū)嵸|(zhì)對擴展板的操作是通過這兩個函數(shù)完成的poll實現(xiàn)此方法主要目的是滿足當應(yīng)用程序調(diào)用select或poll時設(shè)備能正確的響應(yīng)。fasync實現(xiàn)異步信號通知select,27,5.2驅(qū)動具體實現(xiàn)要點,注冊中斷號中斷號與設(shè)備所使用的中斷引腳息息相關(guān)，內(nèi)核維護中斷號FPGA擴展板以GPIO11作為中斷信號線，鍵盤，撥碼開關(guān)，ADC共用這一中斷信號線注冊中斷號前，必須先初始化GPIO11，這里可以通過一個函數(shù)完成：GPIO80也必須初始化為nCS4功能管腳board_irq_handle為中斷處理函數(shù)，SA_INTERRUPT|SA_SHIRQ用于設(shè)置中斷的屬性,28,模塊選擇與命令字當應(yīng)用程序選擇操作擴展板上的模塊時，或選擇模塊的操作模式時，需要通過ioctl傳遞命令字到驅(qū)動，驅(qū)動代碼如圖：,29,阻塞與非阻塞操作阻塞操作的目的是當應(yīng)用程序去讀寫設(shè)備時，如果此時設(shè)備沒有數(shù)據(jù)流經(jīng)過，則應(yīng)用程序會進入睡眠狀態(tài)，并一直等待數(shù)據(jù)令應(yīng)用程序進入睡眠狀態(tài)的原因是因為驅(qū)動程序里使用了令進程睡眠的函數(shù)或宏以鍵盤為例，鍵盤的read驅(qū)動如下：,30,31,poll方法分兩步完成第一步，poll方法需要將所有這些可讓進程睡眠的事件隊列都加入到poll_table結(jié)構(gòu)的鏈表中第二步是返回一個用來描述操作是否可以立即無阻塞執(zhí)行的位掩碼,32,Poll方法代碼如下：,33,fasync方法當應(yīng)用程序修改文件描述符的FASYNC標志（filp-f_flags）時，該方法就會被調(diào)用。fasync方法代碼如下：,34,中斷處理函數(shù)在注冊中斷號中，使用如下函數(shù)：參數(shù)filp用于傳遞信息給中斷處理函數(shù)，中斷處理函數(shù)通過參數(shù)dev_id接收中斷處理函數(shù)的代碼，以鍵盤為例：,35,36,驅(qū)動的加載,1.安裝位置將以上的驅(qū)動程序文件放入嵌入式Linux的源代碼目錄中：driver/char/2.修改Makefile在位于driver/char/目錄下的Makefile文件中加入如下語句：obj-$(CONFIG_FPGA)+=fpga_board_0.ofpga_board_1.ofpga_board_2.ofpga_board_3.ofpga_board_4.o,37,3.修改菜單文件修改config.in文件，增加如下語句：,38,4.初始化FPGA擴展板的中斷引腳修改include/asm-arm/arch-pxa/xsbase255.h，增加以下語句：修改arch/arm/mach-pxa/xsbase255.c,增加以下語句：,39,5.編譯Linux內(nèi)核進入Linux源代碼目錄中，執(zhí)行makemenuconfig，進入Linux內(nèi)核配置菜單將FPGA擴展板的驅(qū)動加入內(nèi)核中進入Characterdevices菜單選擇“FPGA_BOARD”編譯內(nèi)核,40,6.測試程序設(shè)計,測試程序(應(yīng)用程序)可以通過驅(qū)動提供的接口函數(shù)來操作設(shè)備文件結(jié)點來控制設(shè)備6.1設(shè)備文件FPGA擴展板的設(shè)備文件為“fpga_board_x”在應(yīng)用程序中通過以下指令打開設(shè)備文件：,41,6.2操作命令字,操作命令字是一些符號，通過ioctl系統(tǒng)調(diào)用，將這些符號傳遞到底層驅(qū)動程序，告訴驅(qū)動程序?qū)⒁獔?zhí)行的操作FPGA擴展板上有五個部件：分別是燈，鍵盤，撥碼開關(guān)，A/D控制器，D/A控制器，相應(yīng)的操作對象可以使用對象選擇命令字來表示：LED、KEYBOARD、SWBOARD、DAC和ADC,42,如果需要操作擴展板上燈，鍵盤，撥碼開關(guān)，可使用以下程序：,43,select系統(tǒng)調(diào)用：是用在訪問多個設(shè)備文件，但又不想阻塞于任何一個設(shè)備文件時使用異步通知：是應(yīng)用程序中通過向系統(tǒng)注冊一個信號，并且將該信號與某一處理函數(shù)相關(guān)聯(lián)，當中斷產(chǎn)生時，激發(fā)該信號，然后系統(tǒng)調(diào)用與該信號相關(guān)聯(lián)的處理函數(shù)FPGA擴展板中只有鍵盤，撥碼開關(guān)，A/D控制器才能使用異步通知，當使用異步通知前需要開啟中斷,44,KEYBOARD對象KEYBOARD對象命令字使用方式：鍵盤的操作模式有查詢和中斷方式兩種,45,ADC對象A/D控制器有兩個輸入通道，并且每個通道的工作模式都有兩種選擇：模式一.即時輸入方式模式二.自動緩沖采集采集頻率設(shè)置,46,板級對象有一些命令字是針對整個FPGA擴展板的，包括如下：,47,7.GUI程序設(shè)計,著重介紹如何為FPGA擴展板設(shè)計具有圖形用戶介面的應(yīng)用程序建立回調(diào)函數(shù)監(jiān)控I/O繪制圖形,48,Key&Led界面,49,DA控制界面,50,AD控制界面,51,完成界面后，還需完成以下工作：響應(yīng)ADC發(fā)出的中斷。為控件的事件添加回調(diào)函數(shù)。繪制圖形。,52,建立回調(diào)函數(shù)以普通按鈕控件為例，在Glade的Properties窗口的Signal下拉菜單中，為按鈕的clicked事件添加回調(diào)函數(shù),53,