频谱仪多种内核间通信机制的方案设计

摘要：手持式频谱仪系统采用的是ARM、DSP、FPGA的三核架构。对于多核架构，保证内核间的通信尤为重要。对于内核间通信，首先是对通信接口的硬件设计与通信机制的研究，然后着重介绍ARM支持下的嵌入式Linux的接口设备驱动的开发，包括通信接口HPI、SPI的驱动。最后完成驱动测试，整个系统运行稳定。
关键词：多核；嵌入式Linux；设备驱动；HPI；SPI

多核体系结构为性能提高和节能计算等领域开辟了新的方向。核与核之间的连接方式、通信协调方式等都是研究重点。本课题的研究基于手持式频谱分析仪系统平台，该系统采用的是ARM、DSP、FPGA的三核架构。各核心分别完成不同的任务，然后核心间进行参数发送、数据交换，实现系统功能。设计重点是解决核心间的通信问题。

1 ARM与DSP、FPGA通信的硬件设计
手持式频谱仪中频信号处理板主要包括4个部分：模数转换器(AD9244)、FPGA(XS3C5000)、DSP(TMS320C6412)、ARM(AT91RM9200)。ARM在手持式频谱仪中的位置和作用如图1所示。

的引脚连接来选择读写。ARM通过PB9向DSP的GP11引脚发送握手信号，DSP通过GP12引脚中断ARM开始数据传输。

1．2 SPI接口电路设计
SPI接口是一种串行通信接口，它由4根信号线组成，其中SPCK、MOSI、MISO为复用，ARM通过片选信号NPCS来选择与不同的从器件通信。本课题中ARM通过SPI总线分别与中频板FPGA、源扫板FPGA通信。ARM与FPGA的硬件连接如图3所示。ARM为主机模式，其SPI接口的SPCK、MIS O、MOSI分别与从机FPGA的SCLK、MOSI、MISO连接。ARM共有4根片选线。这里采用NPCS1选择中频板FPGA，NPCS2选择源扫板FPGA。

2 多核间的通信机制
2．1 ARM与DSP的通信机制
ARM在Linux系统启动后，会先进行一系列的初始化，包括对HPI、SPI等通信接口的初始化以及重启DSP，实现时序上的同步。ARM在初始化完成后，会向DSP发送握手信号，即通过PB9向DSP的GP11口写入数据，表示ARM完成初始化，可以接收DSP的发送数据。而DSP完成数据处理以后，会等待ARM的握手信号，即不断访问GP11口是否收到数据。当DSP收到握手信号之后，会向GP12口写1以中断ARM主机的其他工作，以便ARM来读取DSP已处理好的数据。ARM收到中断信号以后，通过设置HCNTL0、HCNTL1对HPIC操作来清除中断，然后写HPIA以告诉DSP从什么位置开始进行自增读。然后DSP将数据从DMA传送到HPID中，ARM通过读HPID来获得数据。由于ARM与DSP的HPI接口是16位数据传输，所以要软件实现将两次读取的16位数据合并成32位，然后传给上层应用程序。ARM读取完数据后，向DSP的指定地址写入0xffffffff，通知DSP渎取成功，准备下次数据传输。
ARM在接收到上层应用程序下发的命令后，通过对命令的解析、计算，得到各种参数．然后通过HPI下发给DSP。其流程是：首先通过HCNT L0、HCNTL1写HPIC寄存器，配置读写模式。然后写了HPIA寄存器，设置写入DSP的物理地址。通过连续写HPID寄存器来发送控制参数，最后写入0x5555aaaa，表示发送完毕。
2．2 ARM与FPGA的通信机制
ARM集成了SPI接口，通过SPI与FPGA进行数据通信。SPI总线的“单主机多从机”模式正适合本课题中ARM同时与中频板FPGA与源扫版FPG A的通信。ARM启动Linux系统后，先对SPI接口进行初始化，包括对PIO控制器编程，将SPI引脚分配给外设，配置PMC(电源管理控制器)以使能SPI时钟以及将ARM配置为主机模式。当上层软件下发命令后，ARM先将接收到的命令字进行解析，解析命令得到各种参数：经过计算后，通过SPI接口的片选NPCS来选择中频板FPGA或源扫板FPGA来下发参数。
由于中频板FPGA和源扫板FPGA的功能各异，接收的参数也不尽相同，所以制定了不同的数据帧格式及发送规则。ARM向中频板FPGA每帧数据传送16位，传输频率为0．36 MHz。发送顺序为：路由码1、数据帧1、路由码2、数据帧2、结束码。ARM向源扫板FPGA每帧数据传送16位，传输频率为0．36 MHz。发送参数前都要先发送一个存储这个参数的虚拟地址，然后发送参数，顺序为：虚拟地址1、参数1、虚拟地址2、参数2、结束码。

3 嵌入式Linux设备驱动简介
一套完整设备的软件系统开发可分为：应用程序、库、操作系统(内核)、驱动程序。Linux软件系统的层次关系如图4所示。驱动程序的作用存于连接软、硬件，即内核通过驱动程序来完成对硬件设备的操作。在Linux系统中，应用程序运行于“用户空间”，并不能直接操作硬件，这可以避免应用程序的错误使得整个系统崩溃。而驱动程序运行于“内核空间”，它是系统信任的一部分。所以应用程序要对硬件操作，就要首先使用库提供的系统调用来进入内核。内核匹配后，调用相应的驱动程序函数，从而完成对硬件的操作。