基于Linux的ARM与FPGA数据通信设计与实现

(杭州电子科技大学通信工程学院，浙江 杭州310018)

0 引 言

以应用为中心的嵌入式系统的构建，需要在相应的微处理器及硬件设备上完成，硬件设备之间的数据通信在系统中也十分必要。高级精简指令集处理器(Advanced RISC Machines，ARM)是一款高性能、低功耗的嵌入式处理器，ARM9系列在无线设备、数字多媒体设备、通信和信息系统等控制领域中仍是主流的ARM 处理器[1]。现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)可以快速测试实现用硬件描述语言完成的电路设计，是现代IC 设计验证技术的主流。在数据处理方面，FPGA 采用并行多通道方式，并且运行速度快，从而实现高速数据处理。由于FPGA 没有指令系统，它的控制能力较弱，因此结合ARM的控制功能和FPGA的数据处理功能进行综合设计已成为一种开发趋势。目前，ARM+FPGA的开发方案已被越来越多的运用到实际项目中，但在ARM 上开发的裸机程序可移植性差，也不便于后续应用程序的开发。为了改进不足，本文借助嵌入式Linux 操作系统，通过系统上的设备驱动程序开发，简化了接口数据通信的实现方式。嵌入式Linux是将Linux 内核进行裁剪修改后移植到微处理器运行的一种操作系统，具有实时、开源、网络支持等特性[2]。结合Linux系统，能让ARM 更好的控制设备和资源，并使在ARM 上开发应用程序变得简单。本文设计的接口，包括通用输入输出端口(General Purpose Input Output，GPIO)，它提供了ARM 对FPGA的控制功能，并且采用并行总线接口，弥补了串行传输速率低的缺陷。

1 ARM与FPGA 硬件接口设计

1.1 硬件平台简介

在本设计方案中，ARM平台选用飞凌嵌入式公司生产的FL2440 开发板，采用核心板+底板的结构。核心板上包括ARM 微控制器、64 MB的SDRAM 内存、256 MB的NAND Flash以及4 MB的NOR Flash。其中，微控制器是三星公司生产的ARM9 处理器S3C2440A，具有高性能、低价格、低功耗等特点，并带有全性能的MMU(内存管理单元)，使其支持Linux 等嵌入式操作系统[3]。开发板上已成功移植Linux系统，并能通过串口在PC 端用超级终端实现控制。

FPGA 选用ALTERA 公司的Cyclone Ⅲ系列EP3C16Q240C8N 芯片。该系列EP3C16 芯片具有15 408个LE(Logic Element，逻辑单元)，0.5 Mbits 存储空间，56个乘法器，4个锁相环，20个全局时钟，以及346个可供用户使用的I/O 引脚。它是一款典型的低成本FPGA，并将低功耗、高性能结合在一起，具有灵活的解决方案，便于使用者做出快速复杂的设计。其广泛应用于视频图像处理、无线通信等领域。

1.2 通信接口设计

ARM 核心板与底板相连的接口中，包括了地址总线、数据总线、SPI、IIC、通用IO 口，以及复位、电源引脚等。这里选取DATA0 DATA15 总共16位数据总线作为与FPGA 进行并行数据传输的接口，另外包括读使能(R_EN)、写使能(W_EN)、片选(NGCS5)3 路控制信号，数据总线直接与ARM 芯片相连。相比于SPI、IIC 等串行总线接口，采用并行总线方式可以实现大数据量的高速传输[4]。

针对具体的通信方案，往往需要ARM 对总线上所传输数据的含义进行解释。在本设计中为了实现ARM 对FPGA的控制及指示数据含义，选取4 路GPIO 口作为控制命令信号，总共可以配置16种状态。具体为开发板上的GPF0、GPG1、GPF2、GPF1 等4 路IO。

ARM与FPGA 通信接口的所有连线如图1所示。

图1 ARM与FPGA连接口

ARM 上运行了Linux系统，因此需要设计接口驱动，并编写用于具体通信测试的应用程序。由于和ARM 不在同一个时钟域中，FPGA 端则通过异步FIFO 实现对总线上数据的读写缓存，从而准确传输数据。

2 Linux 嵌入式系统驱动设计

由于嵌入式Linux的可裁剪特性，通过各类接口连接到系统的外部设备可以自由的加载(insmod)和卸载(rmmod)[5]，在系统中则通过相应的驱动来支持该设备。设备驱动程序是一个中间软件层，位于实际硬件和用户应用程序之间，它为应用程序设计屏蔽了硬件的实现细节。对于Linux 来说，任何硬件设备都以文件形式存在，因此通过驱动程序中的系统函数调用，应用程序可以对设备进行打开、关闭、控制、读写等操作，方式就和操作普通文件一样。

Linux系统将设备分为字符设备、网络设备和块设备3种基本类型[5]，每一类都有对应的设备驱动程序。FPGA 通常属于字符设备[6]，它可以按字节来读写的，本文设计的接口驱动程序主要包括加载及卸载设备驱动、实现设备操作两大模块。

2.1 设备的加载及卸载

为了使设备驱动程序能被应用程序访问，首先要将编译好的驱动模块完整的加载到内核当中。加载模块时运行如下的初始化函数[5]:

初始化代码依次完成申请、映射I/O 内存资源，初始化GPIO 寄存器，动态分配设备号，初始化设备文件结构，注册字符设备，创建设备节点等工作。由于要对具体的硬件进行读写操作，因此需要将FPGA的I/O 内存资源进行映射，以便在驱动程序中通过虚地址来访问FPGA的物理地址，这里用到系统调用函数ioremap()来映射内存，代码如下:

初始化GPIO 寄存器即将对应的4 路IO 口配置成输出模式，以实现ARM 对FPGA的控制。动态分配设备号使用系统函数alloc_chrdev_region()，然后调用cdev_init()，cdev_add()完成设备初始化及注册，最后调用device_create()自动创建设备节点。

同样，卸载模块时运行模块清除函数[5]，代码如下:

清除代码依次完成与初始化相对应的工作，即注销设备、释放设备号、取消内存映射，分别调用函数cdev_del()，unregister_chrdev_region()，iounmap()实现。

2.2 设备操作的实现

所有的设备操作都定义在一个file_operations 结构体中，它是由一系列函数指针组成的集合，其中定义的打开、关闭、控制、读写等操作，均能在设备上进行。驱动中的函数与结构成员一一对应，对设备的特定操作均由这些函数分别实现。

如下定义了本文设计的设备文件操作接口，包括了对设备的基本操作:

其中，fpga_open、fpga_release 分别执行FPGA 设备的打开和关闭，s3c2440_ioctl 发送4 路IO 口控制命令，fpga_read、fpga_write 分别完成数据总线上16位并行数据的读写操作。

2.2.1 GPIO控制驱动

ARM 通过4 路GPIO 口对FPGA 进行控制操作，对应文件操作接口中的s3c2440_ioctl，使用设备驱动程序设计中的ioctl 方法实现，它是用于设备控制的公共接口。

首先定义命令，具体包括命令的类别(幻数)、序号、信号传递方向等，代码如下:

然后实现s3c2440_ioctl 函数，其主体部分代码如下所示，利用switch-case 语句可以根据不同命令配置出IO 口的高低电平，FPGA 根据IO 口上的电平然后执行相应的复位、读写数据操作，这样即实现了ARM 向FPGA 发送控制信号。

2.2.2 数据总线驱动

数据总线主要实现16位并行数据的读和写功能，对应设备文件操作接口中的fpga_read、fpga_write。读和写功能完成类似的工作，从设备读取数据到用户空间，将数据从用户空间写到设备上，因此它们的函数也极为相似。

上述函数的4个参数中，fp是设备文件指针，buf是数据缓存，size是传输的数据量，ppos是文件当前访问位置。由于buf是用户空间的数据指针，不能被内核驱动代码直接引用，同样的，设备文件也不能直接与buf 进行数据传递。因此，这里使用内核提供的I/O 内存访问函数，用于读写前面映射好的FPGA 内存空间，其函数原型为:

通过一次调用ioread16()或iowrite16()，可以将设备中的一个16位数据传递给用户空间的buf，或将buf中的一个16位数据写到设备上。

3 ARM与FPGA 通信方案测试

为了验证ARM 对FPGA控制的有效性以及并行数据传输的准确性，设计如下的通信测试方案。ARM 向FPGA 先后发送两个32位的数据，经过FPGA 对这两个数进行异或运算处理后，再由ARM 读取运算结果，具体流程如图2所示。

图2 通信测试流程

按照测试方案流程，在Linux 中编写应用程序，交叉编译后烧写到开发板上运行[2]。利用FPGA 开发软件Quartus II中的Signal tap 工具，可以抓取程序运行时各引脚上的时序状态，从而验证数据以及整个测试流程的正确性。

测试运行结果如图3所示。图3中，图3(a)、图3(b)是ARM 写数据到FPGA的时序，图3(c)是ARM 从FPGA 读数据的时序，由图3可见，data=0x5AA5B9F9，与理论计算值data1 ⊕data2 也相符。

图3 通信测试运行结果

4 结束语

通过嵌入式Linux 下的驱动开发，本文设计的ARM与FPGA 之间的通信接口，可以准确实现ARM对FPGA的控制以及并行数据的传输。在Linux系统中，底层硬件的实现由驱动程序完成，并且有相应的编程接口提供给应用程序，这样使顶层开发工作变得简便。在涉及ARM+FPGA 共同开发的领域中，本文提出的该种具体的通信接口设计方案，具有一定参考价值。

[1]杜春雷.ARM 体系结构与编程[M].北京:清华大学出版社，2003:1-11.

[2]韦东山.嵌入式Linux 应用开发完全手册[M].北京:人民邮电出版社，2008:2-9.

[3]飞凌嵌入式技术有限公司.FL2440 使用手册V4[EB/OL].[2009-08-22].http://www.114w.com/p-230375-1.html.

[4]李寿强.基于FPGA的ARM 并行总线研究与仿真[J].电子测试，2013，4(8):22-23.

[5]魏永明，耿岳，钟书毅.Linux 设备驱动程序[M].北京:中国电力出版社，2009:137-144.

[6]蒋贵全，张辉，王国锋.基于Linux的FPGA数据通信接口驱动设计与实现[J].计算机应用，2009，29(9):2520-2522.