摘要 以ACEX1K50為例，介紹FPGA" title="FPGA">FPGA在Intel XScale" title="XScale">XScale PXA270" title="PXA270">PXA270微處理器系統(tǒng)上的應(yīng)用。通過內(nèi)存映射機(jī)制實(shí)現(xiàn)ACEX1K50在Linux" title="Linux">Linux下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)；通過用戶應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)ACEX1K50設(shè)備的操作，為FPGA在嵌入式領(lǐng)域的應(yīng)用提供一種方法。
關(guān)鍵詞 XScale PXA270 FPGA Linux 驅(qū)動(dòng)
引言
Intel公司推出的XScale采用ARM 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)624 MHz，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。在嵌入式控制中，“微處理器+FPGA”是一種常用的解決方案。FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）有編程方便、集成度高、速度快等特點(diǎn)，電子設(shè)計(jì)人員可以通過硬件編程的方法來實(shí)現(xiàn)FPGA芯片各種功能的開發(fā)。在我們的一個(gè)數(shù)控平臺(tái)的研究項(xiàng)目中，采用XScale PXA270作為主CPU,并對(duì)其進(jìn)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。Linux以其內(nèi)核精練、高效，源代碼開放且免費(fèi)等優(yōu)勢(shì)，在嵌入式領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。下面以Intel XScale PXA270上的Altera FLEX/ACEX的應(yīng)用為例，詳細(xì)介紹Linux下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位地址線的16×1的RAM。當(dāng)用戶通過原理圖或HDL語言描述一個(gè)邏輯電路以后，F(xiàn)PGA開發(fā)軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算邏輯電路的所有可能的結(jié)果，并把結(jié)果事先寫入RAM。這樣，每輸入一個(gè)信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算就等于輸入一個(gè)地址進(jìn)行查表，找出地址對(duì)應(yīng)的內(nèi)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片專用配置芯片（本實(shí)驗(yàn)電路使用Altera EPC2LC20）。在上電時(shí)，由這個(gè)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。由于配置時(shí)間很短，因此不會(huì)影響系統(tǒng)正常工作。在使用ACEX1K50之前，應(yīng)對(duì)其進(jìn)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的詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參閱相關(guān)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)如圖1所示。
圖1 PXA270靜態(tài)存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)
在系統(tǒng)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。
圖2 Intel XScale PXA270與ACEX1K50的硬件連接
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細(xì)節(jié)。這樣在應(yīng)用程序看來，硬件設(shè)備只是一個(gè)設(shè)備文件，應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行操作。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是內(nèi)核的一部分，它主要實(shí)現(xiàn)的功能有：對(duì)設(shè)備進(jìn)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)用程序請(qǐng)求的數(shù)據(jù)以及檢測(cè)和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤。
Linux將設(shè)備分為最基本的兩大類：一類是字符設(shè)備；另一類是塊設(shè)備。字符設(shè)備和塊設(shè)備的主要區(qū)別在于是否使用了緩沖技術(shù)。字符設(shè)備以單個(gè)字節(jié)為單位進(jìn)行順序讀/寫操作，通常不使用緩沖技術(shù)；塊設(shè)備為了提高效率，利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作為讀/寫操作的緩沖區(qū)，由于涉及緩沖區(qū)管理、調(diào)度和同步等問題，實(shí)現(xiàn)起來比字符設(shè)備復(fù)雜得多。
Linux通過設(shè)備文件系統(tǒng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理，各種設(shè)備都以文件的形式存放在/dev目錄下，稱為“設(shè)備文件”。應(yīng)用程序可以像普通文件一樣打開、關(guān)閉和讀/寫這些設(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)用來區(qū)分不同種類的設(shè)備，而次設(shè)備號(hào)用來區(qū)分同一類型的多個(gè)設(shè)備。Linux為所有的設(shè)備文件都提供了統(tǒng)一的操作函數(shù)接口，方法是使用數(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，但由于外設(shè)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ioctl等。打開一個(gè)文件就是調(diào)用這個(gè)文件file_operations中的open操作。不同類型的文件（如普通的磁盤數(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(duì)于各種設(shè)備文件，則最終調(diào)用各自驅(qū)動(dòng)程序中的I/O函數(shù)進(jìn)行具體設(shè)備的操作。這樣，應(yīng)用程序根本不必考慮操作的是設(shè)備還是普通文件，可一律當(dāng)作文件處理，具有非常清晰、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)
在驅(qū)動(dòng)程序中使用內(nèi)存映射可以提供給用戶程序直接訪問設(shè)備內(nèi)存的能力。使用內(nèi)存映射的好處是處理大文件時(shí)速度明顯快于標(biāo)準(zhǔn)文件I/O，無論讀/寫，都少了一次用戶空間與內(nèi)核空間之間的復(fù)制。在用戶空間對(duì)ACEX1K50 FPGA設(shè)備的訪問是通過內(nèi)存映射來實(shí)現(xiàn)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尋址。因?yàn)橛刑摂M內(nèi)存管理單元，所以如果在Linux下，必須先把物理地址映射到虛擬地址空間，然后才能對(duì)該段地址進(jìn)行讀/寫。
在內(nèi)核驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序的mmap系統(tǒng)調(diào)用中，使用remap_page_range（）將該塊ROM映射到用戶虛擬空間。這樣內(nèi)核空間和用戶空間都能訪問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(chǔ)體系結(jié)構(gòu)映射表，其物理起始地址為0x08000000。另外，其設(shè)備名稱及主次設(shè)備號(hào)定義如下：
#define FPGA_PHY_START0x08000000
// nCS<2>: PAX270平臺(tái)
#define FPGA_PHY_SIZESZ_4K
// nCS<2>: Slot FPGA物理基大小為4K
#define DEVICE_NAME"PXA270 FPGA"
#define FPGARAW_MINOR 1
#define FPGA_Devfs_path"fpga/0"
static int fpgaMajor = 0;
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()的作用是把一個(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)是把一塊物理區(qū)域二次映射到一個(gè)可以從驅(qū)動(dòng)程序里訪問的虛擬地址上去。以下是該函數(shù)的定義：
void *ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size);
設(shè)備驅(qū)動(dòng)通過fpga_init()函數(shù)初始化FPGA設(shè)備，最終通過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)的流程如圖3所示。
圖3 fpga_init()流程
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來判斷FPGA物理地址到內(nèi)核虛擬空間是否映射成功。
if(!pxa270_fpga_base) {
printk("ioremap pxa270 fpga failedn");
return -EINVAL;
}
向設(shè)備文件系統(tǒng)注銷FPGA設(shè)備通過調(diào)用cleanup_module（）函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。其代碼如下：
void __exit fpga_exit(void) {
#ifdef CONFIG_DEVFS_FS
devfs_remove(FPGA_Devfs_path);
#endif
unregister_chrdev(fpgaMajor, DEVICE_NAME);
}
cleanup_module (fpga_exit);
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)：
static struct file_operations pxa270_fops = {
owner:THIS_MODULE,
open:fpga_open,
mmap:fpga_mmap,
ioctl:fpga_ioctl,
release:fpga_release,
};
其中fpga_open和fpga_release系統(tǒng)調(diào)用的功能只簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)了FPGA設(shè)備使用計(jì)數(shù)器的遞增與遞減，fpga_ioctl系統(tǒng)調(diào)用也只是簡(jiǎn)單的打印一條沒有ioctl控制的信息提示。這里不再分析實(shí)現(xiàn)的具體代碼。下面具體分析fpga_mmap的實(shí)現(xiàn)過程：
static int fpga_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma) {
unsigned long off = vma->vm_pgoff << PAGE_SHIFT;
unsigned long physical = FPGA_PHY_START + off;
unsigned long vsize = vma->vm_end - vma->vm_start;
unsigned long psize = FPGA_PHY_SIZE- off;
if (vsize > psize)
return -EINVAL; //spans too high
vma->vm_flags |= VM_IO|VM_RESERVED;
vma->vm_page_prot=pgprot_noncached(vma->vm_page_prot);
remap_page_range(vma, vma->vm_start, physical, vsize, vma->vm_page_prot);
return 0;
}
fpga_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma)系統(tǒng)調(diào)用允許直接將FPGA設(shè)備內(nèi)存線性地映射到用戶進(jìn)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(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 vm_area_struct結(jié)構(gòu)的幾個(gè)關(guān)鍵字段。
int remap_page_range(struct vm_area_struct *vma, unsigned long from, unsigned long to, unsigned long size, pgprot_t prot)函數(shù)每個(gè)參數(shù)的意義說明如下：
vm_area_struct *//虛擬內(nèi)存區(qū)域（VMA）指針
unsigned long from//需要映射的用戶虛擬地址的起始位置
unsigned long to//虛擬地址所映射到的物理地址
unsigned long size//被重映射區(qū)域的大小，以字節(jié)為單位
4 ACEX1K50設(shè)備驅(qū)動(dòng)在用戶程序中的使用
當(dāng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)后，就可以在用戶空間使用該設(shè)備了。在用戶空間主要是通過調(diào)用mmap（）函數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA設(shè)備的訪問。以下是用戶空間應(yīng)用程序的一個(gè)示例：
……………………………………………………………………
fd = open("/dev/fpga/0",O_RDWR);//打開設(shè)備文件
if(fd < 0){
printf("####fpgadevice open fail####n");
return (-1);//判斷打開設(shè)備文件是否成功
}
iobase = (unsigned char *)mmap(0, 4096,PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED,fd,0);//經(jīng)過地址映射后，可對(duì)FPGA的寄存器進(jìn)行一系列操作
……………………………………………………………………
close(fd);//關(guān)閉設(shè)備文件
結(jié)語
本文通過介紹ACEX1K50在Linux操作系統(tǒng)下設(shè)備驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)過程，為FPGA在嵌入式領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一種方法。在實(shí)際應(yīng)用中，通過用戶程序能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA硬件編程后的各種功能的控制。
參考文獻(xiàn)
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