XScale PXA270在Linux下的FPGA設備驅(qū)動

1、xscale pxa270在linux下的fpga設備驅(qū)動intel公司推出的xscale采納 v5te結(jié)構(gòu)，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、多功能等特點在信息家電、工業(yè)控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。在控制中，“微處理器”是一種常用的解決計劃，fpga（現(xiàn)場可編程門陣列）有編程便利、集成度高、速度快等特點，設計人員可以通過硬件編程的辦法來實現(xiàn)fpga芯片各種功能的開發(fā)，在我們的一個數(shù)控平臺的討論項目中，采納xscale pxa270作為主c

2、pu，并對其舉行fpga擴展，使其具有插補、電機驅(qū)動、信號處理、i/o口擴展的功能。以其內(nèi)核精煉、高效、源代碼開放且免費等優(yōu)勢，嵌入式領(lǐng)域得到了廣泛的應用。下面以intel xscale pxa270上的 flex/acex的應用為例，具體介紹linux下的fpga設備驅(qū)動的實現(xiàn)。1 altera flex/acex芯片結(jié)構(gòu)altera flex/acex芯片是基于查找表lut（lookuptable）原理而實現(xiàn)的，lut本質(zhì)上就是一個ram。目前fpga中多用法4輸入的lut，所以每個lut可以看成一個有4位地址線的16×1的ram。當用戶通過原理圖或hdl語言描述一個規(guī)律以后，f

3、pga開發(fā)軟件會自動計算規(guī)律電路的全部可能的結(jié)果，并把結(jié)果事先寫入ram，這樣，每輸入一個信號舉行規(guī)律運算都等于輸入一個地址舉行查表，找出地址對應的內(nèi)容，然后輸出即可。因為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走失，一定要外加1片專用配置芯片（本試驗電路用法altera epc2lc20），在上電時，由這個專用配置芯片把數(shù)據(jù)加載到fpga中然后fpga即可正常工作。因為配置時光很短，因此不會影響系統(tǒng)正常工作，在用法acex1k50之前，應對其舉行設計編程，實現(xiàn)相應寄存器及i/o口的功能。有關(guān)fpga的具體內(nèi)容請參閱相關(guān)

4、資料。2 intel xscale pxa270處理器的系統(tǒng)存儲器接口pxa270處理器的可編程靜態(tài)存儲體系結(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設備驅(qū)動的實現(xiàn)3.1 linux下設備驅(qū)動基本原理設備驅(qū)動程序是應用程序與硬件之間的一個中間軟件層，設備驅(qū)動程序為應用程序屏蔽了硬件的詳情。這樣在應用程序看來，硬件設備只是一個設備文件，應用程序可以像操作一般文件一樣對應用設備舉行操作，設備驅(qū)動程序是內(nèi)核的一

5、部分，它主要實現(xiàn)的功能有：對設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)；讀取應用程序傳送給設備文件的數(shù)據(jù)，回送應用程序哀求的數(shù)據(jù)以及檢測和處理設備浮現(xiàn)的錯誤。linux將設備分為最基本的兩大類：一類是字符設備；另一類是塊設備，字符設備和塊設備的主要區(qū)分在于是否用法了緩沖技術(shù)，字符設備以單個字節(jié)為單位舉行挨次讀/寫操作，通常不用法緩沖技術(shù)，塊設備為了提高效率，利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作為讀/寫操作的緩沖區(qū)，因為涉及緩沖區(qū)管理、調(diào)度和同步等問題，實現(xiàn)起來比字符設備復雜得多。linux通過設備文件系統(tǒng)對設備舉行管理，各種設備都以文件的形式存放在/dev名目下，稱為“設備文件”。應用程序可以

6、像一般文件一樣打開、關(guān)閉和讀/寫這些設備文件，為了管理這些設備，系統(tǒng)為設備編了號，每個設備號又分為主設備號和次設備號，主設備號用來區(qū)別不同種類的設備，而次設備號用來區(qū)別同一類型的多個設備，linux為全部的設備文件都提供了統(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，但因為外設的種類較多，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/寫的read/write函數(shù)和用于控制的ioct1等。打開一個文

7、件就是調(diào)用這個文件file_operations中的open操作，不同類型的文件（如一般的磁盤數(shù)據(jù)文件）有不同的file_operations成員函數(shù)，接口函數(shù)完成磁盤數(shù)據(jù)塊讀/寫操作，而對于各種設備文件，則終于調(diào)用各自驅(qū)動程序中的i/o函數(shù)舉行詳細設備的操作，這樣，應用程序根本不必考慮操作的是設備還是一般文件，可一律當做文件處理，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下設備驅(qū)動的實現(xiàn)驅(qū)動程序中用法內(nèi)存映射可以提供應用戶程序挺直拜訪設備內(nèi)存的能力。用法內(nèi)存映射得益處是處理大文件時速度顯然快于標準文件i/o

8、，無論讀/寫，都少了一次用戶空間與內(nèi)核空間之間的復制，在用戶空間對acex1k50 fpga設備的拜訪是通過內(nèi)存映射來實現(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，然后才干對該段地址舉行讀/寫。在內(nèi)核驅(qū)動程序的初始化階段，通過ioremap（）將acex1k50的這段物理地址映射到內(nèi)核虛擬空間；在驅(qū)動程序的mmap系統(tǒng)調(diào)用中，用法remap_page_range（）將該塊com映射到用戶虛擬空間，這樣內(nèi)核空間和用戶空間都能拜訪acex1k50的這段被映射后的虛擬

9、地址。因為acex1k50位于ncs2上，參照pxa270靜態(tài)存儲體系結(jié)構(gòu)映射表，其物理起始地址為0x08000000。另外，其設備名稱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(tǒng)可以隨機為該設備分配主設備號。ioremap（）的作為是把一個物理內(nèi)存地址點映射為一個內(nèi)核指針，被映射數(shù)據(jù)的長度由size參數(shù)設定，該函數(shù)的實質(zhì)上把一塊物理區(qū)域二次映射到一個可以從驅(qū)動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）；設備驅(qū)動通過fpga_init（）函數(shù)初始化fpga設備，

10、終于通過init_module（fpga_init）在內(nèi)核啟動時初始化fpga設備。fpga_init（）函數(shù)的流程3所示。ioremap（）調(diào)用的語句如下：pxa270_fpga_base（unsigned long）ioremap（fpga_phy_start，sz_4k）；可以通過ioremap（）調(diào)用的返回值pxa270_fpga_base來推斷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；向設備文件系統(tǒng)注銷fpga設備通過調(diào)用cheanup_m

11、odule（）函數(shù)來實現(xiàn)。其代碼如下：在向內(nèi)核設備文件系統(tǒng)注冊該fpga驅(qū)動后，還須實現(xiàn)設備驅(qū)動的file_operations結(jié)構(gòu)，acex1k50的設備驅(qū)動定義了如下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現(xiàn)了fpga設備用法計數(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有ioctl控制的信息提醒。這里不再分析實現(xiàn)的詳細代碼。下面詳細分析fpga_mmap的實現(xiàn)過程：fpga_mmap（struct filefilp，struct vm_area_structvma）系統(tǒng)調(diào)用允許挺直將fpga設備內(nèi)存線性地映射到用戶進程的地址空間中，fpga_mmap系統(tǒng)調(diào)用是通過調(diào)用remap_page_range（）函數(shù)來實現(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vm_area_struct結(jié)構(gòu)的幾個關(guān)鍵字段。4 acex1k50設備驅(qū)動在用戶程序中的用法當設