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,，可以有效保護學習成果，因而在嵌入式領域得到了廣泛的應用,。
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為手持設備設計的低功耗,、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下的設備驅(qū)動程序通常是一個存在于應用程序和實際設備間的軟件層,。許多設備驅(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設備,。
在Linux下驅(qū)動FPGA,，其本質(zhì)上就是字符設備的驅(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備編號,。其必要的函數(shù)是regis-ter_chrdev_region，設計時可在中聲明：
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,，則返回一個負的錯誤碼,，但不能存取請求的區(qū)域。
1.2 重要數(shù)據(jù)結構
注冊設備編號僅僅是驅(qū)動代碼必須進行的諸多任務中的第一個,。驅(qū)動操作包括三個重要的內(nèi)核數(shù)據(jù)結構，稱為file_operations,、file和inode,。其中，對于FPGA驅(qū)動來說,，最值得關注的是文件操作(file_operations),。
file_operation結構是一個用字符驅(qū)動方式建立設備編號和設備操作的連接結構，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,，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結構可用FPGA設備列表所示，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構的模塊指針,，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)出設備特定命令的方法。如果設備不提供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 設備注冊
內(nèi)核在內(nèi)部將使用struct cdev類型結構來代表字符設備,。在內(nèi)核調(diào)用設備操作前，代碼應當包含,。而如果想將cdev結構嵌入設備特定的結構中,，則應當初始化已經(jīng)分配的結構，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應當檢查設備特定的錯誤(例如設備沒準備好,，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備,。open的原代碼為：
int(*open) (struct inode*inode，structfile*flip),；
1.5 讀／寫操作
讀和寫都是進行類似的任務,，就是從設備到應用程序代碼的數(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的任務是從設備拷貝數(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的結合使用,，將在嵌入式系統(tǒng)領域占據(jù)主導地位。
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 設備驅(qū)動初始化
初始化模塊在內(nèi)核啟動時主要負責初始化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
在應用程序中,，可用如下代碼獲得中斷響應：
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為打開設備返回值*／
fcntl (fd,，F(xiàn)_SETFL，oflags∣FASYNC),；／*fd為打開設備返回值*／
應當注意的是,，不是所有的設備都支持異步通知。應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備上,，還需要通過內(nèi)存管理單元MMU來將設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備的虛擬地址的操作，也就是要對其相應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,，其速度明顯快于標準文件I／O，這樣無論讀和寫,，都少了一次用戶空間與內(nèi)核空間之間的復制,。在用戶空間對FPGA設備的訪問可通過內(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聯(lián)FPGA的地址：
fpga_base=ioremap(FPGA_PHY_START,，F(xiàn)PGA_PHY_SIZE)；
4 結束語
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在嵌入式領域的廣泛應用,。