Linux操作系統(tǒng)的全稱是GNU／Linux,，它是由GNU工程和Linux內(nèi)核兩個部分共同組成的一個操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)中所有組件的源代碼都是自由的,，可以有效保護學(xué)習(xí)成果,，因而在嵌入式領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

FPGA是英文Field Programmable Gate Array的縮寫,，即現(xiàn)場可編程門陣列,，該器件是作為專用集成電路ASIC (Application Specific Integrated Circuit)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，它的出現(xiàn)既解決了定制電路的不足,，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點,。在通信行業(yè)、傳輸網(wǎng),、醫(yī)療儀器,、各種電子儀器、安防監(jiān)控,、電力系統(tǒng),、汽車電子以及消費類電子中都大面積使用。隨著產(chǎn)品研發(fā)周期的逐步縮短，定制型產(chǎn)品的開發(fā)使FPGA在后面的應(yīng)用面越來越廣,。例如在2G和3G通信,，以及以后的4G通信和wimax等等通信類設(shè)備中，它與DSP,、MPU一起將大量出現(xiàn)在其中,。

S3C2410微處理器是一款由Samsung為手持設(shè)備設(shè)計的低功耗、高度集成的微處理器,，采用272腳FBGA封裝,，內(nèi)含一個ARM920T內(nèi)核和一些片內(nèi)外圍設(shè)備。在時鐘方面,，該芯片集成了一個具有日歷功能的RTC和具有PLL (MPLL和UPLL)的芯片時鐘發(fā)生器,。MPLL產(chǎn)生的主時鐘能夠使處理器工作頻率最高達到203MHz。這個工作頻率能夠使處理器輕松運行于Windows CE,，Linux等操作系統(tǒng)并進行較為復(fù)雜的信息處理,。為此,，本文以S3C2410上使用Altera公司的EP2S30F67214為例,，系統(tǒng)地介紹了在Linux系統(tǒng)環(huán)境下的FPGA的驅(qū)動方法。

1 基本原理

Linux下的設(shè)備驅(qū)動程序通常是一個存在于應(yīng)用程序和實際設(shè)備間的軟件層,。許多設(shè)備驅(qū)動都是與用戶程序一起發(fā)行的,，可以幫助配置和存取目標(biāo)設(shè)備。

在Linux下驅(qū)動FPGA,，其本質(zhì)上就是字符設(shè)備的驅(qū)動,，慣例上它們位于／dev目錄。

1.1 主次編號

在內(nèi)核中,，dev_t類型(在中定義)用來持有設(shè)備編號,。通常2.6內(nèi)核版本限制在255個主編號和255個次編號。

建立一個字符驅(qū)動時,，需要做的第一件事是獲取一個或多個設(shè)備編號,。其必要的函數(shù)是regis-ter_chrdev_region，設(shè)計時可在中聲明：

int register_chrdev_region(dev_t first,，unsigned int count,，char*name)；

如同大部分內(nèi)核函數(shù)一樣,，如果分配成功,，register_chrdev_region的返回值將是0。出錯時,，則返回一個負(fù)的錯誤碼,，但不能存取請求的區(qū)域。

1.2  重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

注冊設(shè)備編號僅僅是驅(qū)動代碼必須進行的諸多任務(wù)中的第一個。驅(qū)動操作包括三個重要的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),，稱為file_operations,、file和inode。其中,，對于FPGA驅(qū)動來說,，最值得關(guān)注的是文件操作(file_operations)。

file_operation結(jié)構(gòu)是一個用字符驅(qū)動方式建立設(shè)備編號和設(shè)備操作的連接結(jié)構(gòu),，定義在．是一個函數(shù)指針的集合,。每個打開文件與它自身的函數(shù)集合相關(guān)，這些操作大部分可由系統(tǒng)調(diào)用,，例如：open(),，read ()等等。典型的file_operation結(jié)構(gòu)可用FPGA設(shè)備列表所示,，其代碼如下：



第一個file_operations元素根本不是一個操作,，它是一個指向擁有這個結(jié)構(gòu)的模塊指針，或用來在操作使用時阻止模塊被卸載,，它也是在中定義的宏,；

llseek主要用于改變文件中的當(dāng)前讀／寫位置，同時可將新位置作為(正的)返回值,。其定義如下：

loff_t(*llseek)  (struct file*,，loff_t，int),；

ioctl可為系統(tǒng)調(diào)用提供一個發(fā)出設(shè)備特定命令的方法,。如果設(shè)備不提供ioctl方法，那么,，對于任何未事先定義的請求,，系統(tǒng)調(diào)用將返回一個錯誤。定義如下：

int(*ioctl)  (struct inode*,，struct file*,，unsigned int，unsigned long)：

1.3  設(shè)備注冊

內(nèi)核在內(nèi)部將使用struct cdev類型結(jié)構(gòu)來代表字符設(shè)備,。在內(nèi)核調(diào)用設(shè)備操作前,，代碼應(yīng)當(dāng)包含。而如果想將cdev結(jié)構(gòu)嵌入設(shè)備特定的結(jié)構(gòu)中,，則應(yīng)當(dāng)初始化已經(jīng)分配的結(jié)構(gòu),，其使用的代碼為：   

void cdev_init(struct cdev*cdev，structfile_operations*fops),；

1.4 open和release

open主要用于提供驅(qū)動初始化,，在大部分驅(qū)動中,，open應(yīng)當(dāng)檢查設(shè)備特定的錯誤(例如設(shè)備沒準(zhǔn)備好，或者類似的硬件錯誤),，但是,，其第一步常常是確定打開哪個設(shè)備。open的原代碼為：

int(*open)  (struct inode*inode,，structfile*flip),； 

release是open的反操作。

1.5 讀／寫操作

讀和寫都是進行類似的任務(wù),，就是從設(shè)備到應(yīng)用程序代碼的數(shù)據(jù)拷貝,。因此，它們的原代碼比較相似：

ssize_t read(struct file*flip,，char__user*buff,，size_t count，loff_t*offp),；
ssize_t write(struct file*filp,，const char__user*buff，size_t count,，loff_t*offp),；

read的任務(wù)是從設(shè)備拷貝數(shù)據(jù)到用戶空間(使用copy_to_user)，而write方法則是從用戶空間拷貝數(shù)據(jù)到設(shè)備(使用copy_from_user),。

圖1所示是用read參數(shù)表示一個典型讀的實現(xiàn)過程,。



2  硬件電路

通常在大容量存儲項目中,，S3C2410處理器一般作為主CPU,，可對EP2S30F67214進行擴展，以使系統(tǒng)具有拍攝,、存儲,、下載、I／O口擴展的功能,。由于FPGA的高速處理能力和易擴展性,，ARM與FPGA的結(jié)合使用，將在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位,。

本項目中的ARM主要讀取FPGA的數(shù)據(jù),，然后進行數(shù)據(jù)處理并送給上位機。其ARM處理器與FPGA的連接關(guān)系如圖2所示,，其主要連接有32位寬數(shù)據(jù)線,、27位寬地址線以及讀、寫,、中斷和片選控制線等,。



在S3C2410中,，nGPCS4的物理地址為0x2000000—0x28000000，共計128MB的靜態(tài)物理空間,。中斷方式為下降沿有效,。

3  編程實現(xiàn)

3.1  設(shè)備驅(qū)動初始化

初始化模塊在內(nèi)核啟動時主要負(fù)責(zé)初始化FPGA工作。其實現(xiàn)由module_init () 和module_exit ()兩部分組成,。其代碼如下：



3.2  異步中斷通知

在應(yīng)用程序中,，可用如下代碼獲得中斷響應(yīng)：    

signal (SIGIO，test_handler),；／*test_handler為函數(shù)名字*／
fcntl(fa,，F(xiàn)_SETOWN，getpid ()),；
oflags=fcntl(fa,，F(xiàn)_GETFL)；／*fd為打開設(shè)備返回值*／
fcntl (fd,，F(xiàn)_SETFL,，oflags∣FASYNC)；／*fd為打開設(shè)備返回值*／

應(yīng)當(dāng)注意的是,，不是所有的設(shè)備都支持異步通知,。應(yīng)用程序常常假定異步能力只對socket和tty可用。
   
3.3  地址映射
   
在Linux設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)過程中,，由于驅(qū)動程序操作的都是設(shè)備的虛擬地址,，因此，要使驅(qū)動程序?qū)μ摂M地址的操作反映到正確的設(shè)備上,，還需要通過內(nèi)存管理單元MMU來將設(shè)備的虛擬地址映射到正確的物理地址上去,，從而保證驅(qū)動程序?qū)υO(shè)備的虛擬地址的操作，也就是要對其相應(yīng)的物理地址進行操作,。使用內(nèi)存映射的好處是處理大文件時,，其速度明顯快于標(biāo)準(zhǔn)文件I／O，這樣無論讀和寫,，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FPGA設(shè)備的訪問可通過內(nèi)存映射來實現(xiàn)。FPGA可以看作是硬件連接在S3C2410微處理器的片選信號nGPCS4上的一段物理地址的尋址,。因此,，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行讀／寫,。通常用戶可用如下代碼關(guān)聯(lián)FPGA的地址：

fpga_base=ioremap(FPGA_PHY_START,，F(xiàn)PGA_PHY_SIZE)；

4  結(jié)束語

本文系統(tǒng)的介紹了ARM基于Linux平臺下的FPGA的驅(qū)動開發(fā)方法,，并通過開發(fā)用戶程序,，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的處理和傳輸,，從而實現(xiàn)了FPGA在嵌入式領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。