XScale PXA270在Linux下的FPGA设备驱动

时间：04-12 来源：mcu123 点击：

引言

　　Intel公司推出的XScale采用ARM V5TE结构，是Strong ARM的升级换代产品。XScale PXA270处理器最高主频可达624 MHz，加入了Wireless MMX、Intel SpeedStep等新技术，以其高性能、低功耗、多功能等特点在信息家电、工业控制等领域得到了广泛的应用。在嵌入式控制中，"微处理器+FPGA"是一种常用的解决方案。FPGA（现场可编程门阵列）有编程方便、集成度高、速度快等特点，电子设计人员可以通过硬件编程的方法来实现FPGA芯片各种功能的开发。在我们的一个数控平台的研究项目中，采用XScale PXA270作为主CPU,并对其进行FPGA扩展，使其具有插补、电机驱动、信号处理、I/O口扩展的功能。Linux以其内核精练、高效，源代码开放且免费等优势，在嵌入式领域得到了广泛的应用。下面以Intel XScale PXA270上的Altera FLEX/ACEX的应用为例，详细介绍Linux下FPGA设备驱动的实现。

1 Altera FLEX/ACEX芯片结构

　　Altera FLEX/ACEX芯片是基于查找表LUT（LookUpTable）原理而实现的。LUT本质上就是一个RAM。目前FPGA中多使用4输入的 LUT，所以每个LUT可以看成一个有4位地址线的16×1的RAM。当用户通过原理图或HDL语言描述一个逻辑电路以后，FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入RAM。这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。由于LUT主要适合SRAM工艺生产，所以目前大部分FPGA都是基于SRAM工艺的，而SRAM工艺的芯片在掉电后信息就会丢失，一定要外加1片专用配置芯片（本实验电路使用Altera EPC2LC20）。在上电时，由这个专用配置芯片把数据加载到FPGA中，然后FPGA即可正常工作。由于配置时间很短，因此不会影响系统正常工作。在使用ACEX1K50之前，应对其进行设计编程，实现相应寄存器及I/O口的功能。有关FPGA的详细内容请参阅相关资料。

2 Intel XScale PXA270处理器的系统存储器接口

　　PXA270处理器的可编程静态存储体系结构如图1所示。

图1 PXA270静态存储体系结构

　　在系统上， ACEX1K50位于nCS<2>上，物理地址0x8000000～0x8001000共4K的静态地址空间。图2表示了Intel XScale PXA270与ACEX1K50的硬件连接关系。

图2 Intel XScale PXA270与ACEX1K50的硬件连接

3 Linux下ACEX1K50设备驱动的实现

3.1 Linux下设备驱动基本原理

　　设备驱动程序是应用程序与硬件之间的一个中间软件层，设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节。这样在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以像操作普通文件一样对硬件设备进行操作。设备驱动程序是内核的一部分，它主要实现的功能有：对设备进行初始化和释放；把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据；读取应用程序传送给设备文件的数据，回送应用程序请求的数据以及检测和处理设备出现的错误。

　　Linux将设备分为最基本的两大类：一类是字符设备；另一类是块设备。字符设备和块设备的主要区别在于是否使用了缓冲技术。字符设备以单个字节为单位进行顺序读/写操作，通常不使用缓冲技术；块设备为了提高效率，利用一块系统内存作为读/写操作的缓冲区，由于涉及缓冲区管理、调度和同步等问题，实现起来比字符设备复杂得多。

　　Linux通过设备文件系统对设备进行管理，各种设备都以文件的形式存放在/dev目录下，称为"设备文件"。应用程序可以像普通文件一样打开、关闭和读/写这些设备文件。为了管理这些设备，系统为设备编了号，每个设备号又分为主设备号和次设备号。主设备号用来区分不同种类的设备，而次设备号用来区分同一类型的多个设备。Linux为所有的设备文件都提供了统一的操作函数接口，方法是使用数据结构struct file_operations。这个数据结构中包括许多操作函数的指针，如open()、close()、read()和write()等，但由于外设的种类较多，操作方式各不相同。struct file_operations结构体中的成员为一系列的接口函数，如用于读/写的read/write函数和用于控制的ioctl等。打开一个文件就是调用这个文件file_operations中的open操作。不同类型的文件（如普通的磁盘数据文件）有不同的file_operations成员函数，接口函数完成磁盘数据块读/写操作；而对于各种设备文件，则最终调用各自驱动程序中的I/O函数进行具体设备的操作。这样，应用程序根本不必考虑操作的是设备还是普通文件，可一律当作文件处理，具有非常清晰、统一的I/O接口，所以file_operations是文件层次的I/O接口。

3.2 ACEX1K50在Linux下设备驱动的实现

在驱动程序中使用内存映射可以提供给

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