基于ARM9和Linux的FPGA驱动设计

(struct file * ， loff_t ， int) ；
ioctl 可为系统调用提供一个发出设备特定命
令的方法。 如果设备不提供 ioctl 方法， 那么， 对 于任何未事先定义的请求， 系统调用将返回一个 错误。 定义如下：
int ( *ioctl)
( struct inode* ， struct file* ， un-
备设计的低功耗、 高度集成的微处理器， 采用
ter_chrdev_region ， 设 计 时 可 在 <linux/fs.h > 中 声
明：
272脚FBGA封装， 内含一个 ARM920T 内核和一些
片内外围设备。 在时钟方面， 该芯片集成了一个 具 有 日 历 功 能 的 RTC 和 具 有 PLL (MPLL 和 UPLL) 的芯 片 时 钟 发 生 器 。 MPLL 产 生 的 主 时 钟 能 够 使 处 理 器 工 作 频 率 最 高 达 到 203MHz 。 这 个 工 作 频
1.1
主次编号 在内核中， dev_t 类型 ( 在 <linux/types.h> 中定
义 ) 用来持有设备编号。 通常 2.6 内核版本限制在
255个主编号和 255个次编号 .
建立一个字符驱动时， 需要做的第一件事是 获取一个或多个设备编号。 其必要的函数是 regis-
S3C2410 微处理器是一款由 Samsung 为手持设
图1
典型读的参数使用过程
signed int ， unsigned long)： 1.3
设备注册 内 核 在 内 部 将 使 用 struct cdev 类 型 结 构 来 代 表字符设备。 在内核调用设备操作前， 代码应当 包含 <linux/cdev.h> 。 而如果想将 cdev 结构嵌入设 备特定的结构中， 则应当初始化已经分配的结
占据主导地位。 本 项 目 中 的 ARM 主 要 读 取 FPGA 的 数 据 ， 然 后进行数据处理并送给上位机。 其 ARM 处理器与
FPGA 的连接关系如图 2 所示， 其主要连接有 32 位
宽数据线、 27 位宽地址线以及读、 写、 中断和片 选控制线等。 在 S3C2410 中 ， nGPCS4 的 物 理 地 址 为
缩写， 即现场可编程门阵列， 该器件是作为专用 集成电路 ASIC (Application Specific Integrated Cir-
应用程序和实际设备间的软件层。 许多设备驱动 都是与用户程序一起发行的， 可以帮助配置和存 取目标设备。 在 Linux 下驱动 FPGA ， 其本质上就是 字 符 设 备的驱动， 惯例上它们位于 /dev 目录。
则返回一个负的错误码， 但不能存取请求的区 域。
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第 12 卷
第 3期 2010 年 3 月
Electronic Component & Device Applications
Vol.12 No.3 Mar. 2010
1.2
重要数据结构 注册设备编号仅仅是驱动代码必须进行的诸
第 12 卷
第 3期 2010 年 3 月
新特器件应用
Vol.12 No.3 Mar. 2010
doi:10.3969/j.issn.1563-4795.2010.03.008
基于ARM9和Linux的FPGA驱动设计
周文杰1， 赵婧1， 赵力2
(1.西安电子科技大学， 陕西 2.西安邮电学院， 陕西
拷贝数据到设备 ( 使用 copy_from_user)。 图1所示是用 read参数表示一个典型读的实现 过程。
linux/module.h> 中定义的宏； llseek主要用于改变文件中的当前读 /写位置，
同时可将新位置作为 ( 正的 ) 返回值。 其定义如 下：
loff_t (*llseek)
tty可用。 3.3
地址映射 在 Linux 设 备 驱 动 程 序 开 发 过 程 中 ， 由 于 驱
图2
Байду номын сангаас
S3C2410 与 EP2S30F672I4 的接口示意图
动程序操作的都是设备的虚拟地址， 因此， 要使 驱动程序对虚拟地址的操作反映到正确的设备 上， 还需要通过内存管理单元 MMU 来将设备的虚 拟地址映射到正确的物理地址上去， 从而保证驱 动程序对设备的虚拟地址的操作， 也就是要对其 相应的物理地址进行操作。 使用内存映射的好处 是处理大文件时， 其速度明显快于标准文件 I/O ， 这样无论读和写， 都少了一次用户空间与内核空 间之间 的 复 制 。 在 用 户 空 间 对 FPGA 设 备 的 访 问 可通过 内 存 映 射 来 实 现 。 FPGA 可 以 看 作 是 硬 件 连接在 S3C2410 微处理器的片选信号 nGPCS4 上的 一段物理地址的寻址。 因此， 必须先把物理地址 映射到虚拟地址空间， 然后才能对该段地址进行 读 ／ 写 。 通 常 用 户 可 用 如 下 代 码 关 联 FPGA 的 地 址：
file_operations*fops)； 1.4 open 和release open 主要用于提供驱动初始化， 在大部分驱
动中， open 应当检查设备特定的错误 ( 例如设备 没 准 备 好 ， 或 者 类 似 的 硬 件 错 误)， 但 是 ， 其 第 一 步 常 常 是 确 定 打 开 哪 个 设 备 。 open 的 原 代 码 为：
第 一 个 file_operations 元 素 根 本 不 是 一 个 操 作， 它是一个指向拥有这个结构的模块指针， 或 用来在操作使用时阻止模块被卸载， 它也是在 <
ssize_t read (struct file*filp ， 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 务 是 从 设 备 拷 贝 数 据 到 用 户 空 间 ( 使用 copy_to_user) ， 而 write 方法则是从用户空间
GNU 工 程 和 Linux 内 核 两 个 部 分 共 同 组 成 的 一 个
操作系统。 该系统中所有组件的源代码都是自由 的， 可以有效保护学习成果， 因而在嵌入式领域 得到了广泛的应用。
1
基本原理
Linux 下 的 设 备 驱 动 程 序 通 常 是 一 个 存 在 于
FPGA 是英文 Field Programmable Gate Array 的
存映射机制实现 S3C2410对EP2S30F672I4 的读写控制。 关键词： FPGA ； ARM ； Linux ； 驱动
0
引言
Linux 操作系统的全称是 GNU/Linux ， 它是由
率 能 够 使 处 理 器 轻 松 运 行 于 Windows CE ， Linux 等操作系统并进行较为复杂的信息处理。 为此， 本文以 S3C2410 上使用 Altera 公司的 EP2S30F672I4 为例， 系统地介绍了在 Linux 系统环境下的 FPGA 的驱动方法。
ARM 与 FPGA 的结合使用， 将 在 嵌 入 式 系 统 领 域
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应当注意的是， 不是所有的设备都支持异步 通知。 应用程序常常假定异步能力只对 socket 和
2
硬件电路
通常在大容量存储 项 目 中 ， S3C2410 处 理 器
一 般 作 为 主 CPU ， 可 对 EP2S30F672I4 进 行 扩 展 ， 以 使 系 统 具 有 拍 摄 、 存 储 、 下 载 、 I/O 口 扩 展 的 功 能 。 由 于 FPGA 的 高 速 处 理 能 力 和 易 扩 展 性 ，
摘 西安 西安
710071； 710121)
要 ： 为 了 实 现 ARM 与 FPGA 相 互 之 间 通 信 ， 给 出 了 Altera 公 司 Stratix Ⅱ 系 列 FPGA 器 件
EP2S30F672I4在Samsung 公司的S3C2410微处理器系统上的驱动设计方案。 同时给出了通过内
cuit) 领 域 中 的 一 种 半 定 制 电 路 而 出 现 的 ， 它 的
出现既解决了定制电路的不足， 又克服了原有可 编程器件门电路数有限的缺点。 在通信行业、 传 输网、 医疗仪器、 各种电子仪器、 安防监控、 电 力系统、 汽车电子以及消费类电子中都大面积使 用。 随着产品研发周期的逐步缩短， 定制型产品 的开发 使 FPGA 在 后 面 的 应 用 面 越 来 越 广 。 例 如 在 2G 和 3G 通信， 以及以后的 4G 通信和 wimax 等等 通信类设备中， 它与 DSP 、 MPU 一起将大量出现 在其中。
struct file_operations FPGA_fops = { .owner = THIS_MODULE ， .llseek = FPGA _llseek ， .read = FPGA _read， .write = FPGA _write ， .ioctl = FPGA _ioctl ， .open = FPGA _open， .release = FPGA _release， }；
0x2000000-0x28000000， 共 计 128MB 的 静 态 物 理
空间。 中断方式为下降沿有效。
3
3.1
编程实现
设备驱动初始化 初始化模块在内核启动时主要负责初始化
FPGA工作。 其实现由 module_init () 和module_exit () 两部分组成。 其代码如下： #define FPGA_PHY_START 0x20000000 // nGCS4 #define FPGA_PHY_SIZE 0x0f03c // 片选的大小 #define DEVICE_NAME