Linux下PowerPC與FPGA通信接口的設計與實現

文/劉旸

1 引言

現代社會對嵌入式雙核系統的需求越來越大，同時Linux的巨大優勢使得它在嵌入式領域的應用備受關注。本文中的硬件平臺采用國產CCFC9000PA（一下簡稱C9000）嵌入式微處理器和JXCSX95T（以下簡稱95T）FPGA芯片，在嵌入式Linux系統下設計并實現了CPU與FPGA之間的硬件接口以及相應的驅動程序、測試程序，完整地實現并驗證了該雙核通信接口的設計。

2 硬件接口設計

C9000處理器有一個外部總線控制模塊即External Bus Controlloer（EBC控制器）。CPU通過此存儲控制器與外部設備進行數據的傳輸。目前能支持的外部設備包括ROM、EPROM、SRAM、Flash等。因此CPU可以經過EBC總線控制器與95T內部的RAM進行數據傳輸。C9000與95T的硬件電路如圖1所示。

C9000通過外部總線與95T進行數據通信，即CPU發出相應的使能信號、讀寫信號以及地址信號，然后通過16位數據總線實現與FPGA內部SRAM的讀寫交互。另外，當95T有數據需要上報到C9000時，95T將產生中斷通知C9000，C9000收到此中斷后，發起對95T的讀操作。控制信號說明如表1所示。

表1：控制信號說明

圖1：C9000與95T的硬件連接

3 軟件接口的設計與實現

3.1 驅動模塊的設計

圖2：驅動主要流程

圖4：測試結果

在本系統中的軟件設計主要是Linux下的FPGA設備驅動程序。在 Linux下，設備驅動程序位于應用程序和硬件之間，為二者傳遞數據、消息等。Linux應用程序可以通過設備驅動，把硬件設備當成一個普通文件進行操作。本驅動的主要功能有：

（1）注冊FPGA設備、申請中斷等；

（2）接收并處理來自FPGA的中斷信號，然后接收FPGA發送來的數據；

（3）將CPU側的數據寫入FPGA內部RAM，即發送數據到FPGA設備。

驅動主要流程如圖2所示。

3.2 驅動模塊的實現

在Linux內核中，file_operations結構體是字符設備驅動的操作接口。本系統中的文件操作結構體定義如下：struct fi le_operations FPGA_fops = {

open主要用于提供驅動初始化，首先調用ioremap(addr,size)把95T的內部RAM映射到一個驅動程序可以訪問的虛擬地址上 去：fpga_base=ioremap (FPGA_PHY_START,FPGA_PHY_SIZE)。其次，在打開設備時通過request_irq(GPIO_IRQ,FPGA_ISR,0,DEV_NAME,NULL)申請95T發送來的中斷。close執行與open相反的操作。

在通過ioremap將95T內部RAM的物理地址映射成Linux虛擬地址后，驅動模塊就可以通過標準的讀寫函數訪問95T內部RAM了。讀寫函數原型如下：

unsinged int readw(void *address);

void writew(unsinged int data,void*address);

當應用程序通過read函數調用驅動中的FPGA_read時，如果FPGA設備暫無數據可供CPU讀取時，進程進入休眠。如果95T有數據需要上報C9000，95T將通過下降沿中斷通知C9000可以進行讀操作了，open函數中注冊的中斷程序FPGA_ISR會接收此中斷，完成讀操作。讀操作主要通過調用readw和copy_to_user將讀取到的數據從內核空間傳入用戶空間，完成應用層的讀操作。寫操作與讀操作類似，不再重復。

3.4 測試

測試方案如圖3所示：測試程序使用pthread_create系統函數創建讀寫子線程，讀線程負責接收來自95T的數據；同時，寫線程向95T發送數據。如果接受和發送的數據一致，則測試通過。測試結果如圖4所示。

4 結束語

隨著現代半導體產業的發展，嵌入式雙核系統必將迎來廣闊的發展。本文系統地介紹了一種CPU和 FPGA雙核通信接口的設計方案，實現并驗證了數據的雙向傳輸。