基于MPC8313E和FPGA的双口RAM驱动开发

马 旭

(西安电子科技大学 电子工程学院，陕西 西安710071)

在众多操作系统中，Linux操作系统以其独有开放性和灵活性成为重要的系统之一，因而开发Linux设备驱动具有重要意义。Linux设备驱动是在Linux内核下硬件设备和上层应用程序的纽带，使得应用程序只需调用系统软件的应用程序编程接口(API)就可以完成对硬件设备的操作。作为一个桥梁，其在实现具体功能的过程中发挥着重要的作用，接口丰富的驱动设备程序对工程的开发有着重要的意义。Linux对所有连接在系统上的设备都会使用一个设备驱动程序，这个基本设备驱动指令成为了内核的一部分。通过使用设备驱动程序文件，设备对系统来说变成了一个可以寻址、重定向并通过管道符导向的普通文件［1］。

1 双口RAM读写设备驱动的开发背景

在基于MPC8313E的大容量视频存储系统中，系统需要实现通过千兆以太网接口与上位机进行通信，按上位机发送的命令解析后送给FPGA，进而通过FPGA发出的曝光脉冲控制高速相机MC1362工作。当存储任务完成后，FPGA将存储阵列中的数据读入双口RAM并传至MPC8313E中，Linux端服务器利用千兆以太网接口将数据上传到上位机中，由上位机完成图像还原。

在构造大容量高速上传通道的过程中，系统采用飞思卡尔MPC8313E芯片，该芯片有两个增强型三速(10/100/1 000 Mbit·s－1)以太网控制器，支持IEEE802.3协议，同时该芯片还支持16/32位的DDR SDRAM数据接口，最高支持333 MHz的数据频率，512 MB可寻址空间以及4个直接存储器访问(DMA)通道，可以满足系统设计要求［2］。该驱动设备主要实现从FPGA双口RAM中乒乓读取图像数据信息，利用挂载在MPC8313E总线上的FPGA完成数据上传，同时也需要解析上位机命令后传递给FPGA。

2 Linux驱动模块的程序设计基础

在Linux/μClinux的框架结构中，和设备相关的处理可以分为两个层次:文件系统层和设备驱动层。设备驱动层屏蔽具体设备细节，文件系统层则向用户提供一组统一、规范的用户接口［3］。这种设备管理方法可以很好地做到“设备无关性”，使Linux可以根据硬件外设的发展进行扩展［4］。

图1 Linux设备框架结构

Linux系统允许内核以模块的方式加载设备，这大幅提高了Linux设备结构的多样性，同时可以通过裁剪内核减少系统不必要的开支，提高工作效率。一般情况下，Linux内核的驱动模块通常只实现一个驱动程序，因此它可以分类，在Linux操作系统中有3类主要的设备文件系统:块设备、字符设备和网络设备［5］。

字符设备:可以像文件一样访问字符设备，这样的驱动程序通常会实现如open、close、read和write系统调用。

块设备:是文件系统的宿主。Linux允许像字符设备一样读取块设备，允许一次传输任意数量的字节。结果块设备与字符设备只在内核内部的管理上有所区别，即在内核/驱动的软件接口上有所区别。

网络设备:任何网络设备都是通过接口实现的，既可以和其他宿主交换数据设备。通常情况下，接口是一个硬件设备，但也可以像lookback(回路)接口一样是软件工具。网络设备面向网络协议而不是文件系统层。

3 双口RAM读写设备驱动设计

介于以上第二部分的分析，双口RAM设备选择为块设备，以便传输任意数量的数据。同时该驱动设备基于Linux2.6.23内核开发，以模块的方式加载至内核中，其结构如图2所示。

图2 双口RAM驱动设备框架

代码编写好后在正式编译前还要准备好内核头文件和库函数，这需要先编译一遍相应的内核，在2.6.23内核源代码中将MPC8313RDB的配置文件用作默认配置，编译内核。完成后书写驱动的Makefile，然后连接目标板，在NFS下调试设备驱动和应用程序。用户可以使用通过交叉编译得到的.ko文件通过insmod动态加载至内核中，也可以通过修改启动脚本文件，加电后自启动将驱动加载到内核中。

4 处理结果

经过打包处理的图像数据通过MPC8313E的服务器上传至上位机后，按照图像格式进行拼图，每包数据含有42 240 Byte数据，每帧图像数据总量为1 280×1 024 Byte的图像像素点信息和附加区信息，共接收35包数据后就可还原一幅完整的图像。上位机在拼图时裁剪掉一部分数据，最终合成1 024×1 024 Byte的图像，如图3所示。

图3 上位机完成压缩1 024×1 024 Byte图像

5 结束语

双口RAM驱动程序是整个存储系统的核心模块，它对存储数据的上传速度和准确提取图像信息有重要的影响，通过对MPC8313E寄存器的配置和读写以及中断函数对硬件的控制来实现对RAM的读写，利用MPC8313E现有的接口和传输算法，最终实现图像信息的高速上传，验证得出上传数据最快可达104 Mbit·s－1，满足设计要求。

［1］ 张芳.Linux系统下设备驱动程序解析［J］.湖南科技学院学报，2005，26(11):204－205.

［2］Freescale Semiconductor.MPC8313E PowerQUICCTMII pro integrated processor family reference manual［M］.EL USA:Technical Information Center，Freescale Semiconductor，2008.

［3］ 寇向晖，田家林，孙洪石.基于S3C44B0X+μcLinux的嵌入式以太网设计［J］.电子产品世界，2005(16):97－99.

［4］RAGHAVAN P，AMOL L，SRIRAM N.嵌入式Linux系统设计与开发［M］.宋劲彬，王华勇，邸海霞，等，译.北京:电子工业出版社，2008.

［5］JONATHAN C，ALESSANDRO R，GREG K H.Linux设备驱动程序［M］.魏永明，耿岳，钟书毅，译.北京:中国电力出版社，2006.