基于Linux的ARM与FPGA数据通信设计与实现
张福洪;徐春晖;胡舜峰
【摘 要】At present,ARM and FPGA are two mainstream chips that used in embedded development .ARM is widely used in the field of control , while FPGA is more used in the field of data processing .In order to realize synergetic work and data communication between them , this paper introduces the design and implementation of a kind of communication interface between ARM and FPGA .The interface driver was developed in the case of embedded Linux system running on ARM and FPGA as a character device ,including data bus driver and general purpose input output ( GPIO) driver.The user application program can realize the data communication between them by calling the operation function defined in the driver .At last,after testing the interface with custom communication scheme , it can realize the control of ARM to FPGA equipment and stable parallel data transmission .%ARM与FPGA是目前应用于嵌入式开发的两款主要芯片，ARM偏向于控制领域，而FPGA偏向数据处理。为实现两者的协同工作以及数据通信，介绍了一
种通信接口方案的设计与实现。在ARM上运行嵌入式Linux系统的情况下，将FPGA作为字符设备，对两者之间的接口进行驱动程序开发，包括数据总线驱动和GPIO控制驱动。用户应用程序通过调用驱动中定义好的操作函数，便可实现两者的数据通信。最后利用自定义的通信方案对接口进行测试，实现了ARM对FPGA设备的命令控制以及正确稳定的并行数据传输。
【期刊名称】《杭州电子科技大学学报》
【年(卷),期】2015(000)004
【总页数】5页(P26-30)
【关键词】数据总线;通用输入输出端口;嵌入式系统;设备驱动
【作 者】张福洪;徐春晖;胡舜峰
【作者单位】杭州电子科技大学通信工程学院，浙江杭州310018;杭州电子科技大学通信工程学院，浙江杭州310018;杭州电子科技大学通信工程学院，浙江杭州310018
【正文语种】中 文
【中图分类】TP332
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。
1．1　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CycloneⅢ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。
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。
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内核设计与实现 pdfLinux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，F GA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。
其中读函数为: static ssize_t fpga_read( struct file*fp，short　user*rbuf，const size_t size，loff_t*ppos) ;

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