頻譜儀多種內(nèi)核間通信機制的方案設(shè)計

姚興偉,秦開宇,王茜

(電子科技大學(xué)空天科學(xué)技術(shù)研究院,成都611731)

多核體系結(jié)構(gòu)為性能提高和節(jié)能計算等領(lǐng)域開辟了新的方向。核與核之間的連接方式、通信協(xié)調(diào)方式等都是研究重點。本課題的研究基于手持式頻譜分析儀系統(tǒng)平臺,該系統(tǒng)采用的是ARM、DSP、FPGA的三核架構(gòu)。各核心分別完成不同的任務(wù),然后核心間進行參數(shù)發(fā)送、數(shù)據(jù)交換,實現(xiàn)系統(tǒng)功能。設(shè)計重點是解決核心間的通信問題。

1 ARM與DSP、FPGA通信的硬件設(shè)計

手持式頻譜儀中頻信號處理板主要包括4個部分:模數(shù) 轉(zhuǎn) 換 器(AD9244)、FPGA(XS3C5000)、DSP(TMS320C6412)、ARM(AT91RM9200)。ARM 在手持式頻譜儀中的位置和作用如圖1所示。

ARM的硬件設(shè)計參考Atmel公司提供的評估板資料。主要包括以下幾個單元電路的設(shè)計:電源電路、時鐘電路、復(fù)位電路、啟動模式選擇電路、JTAG接口電路、Debug串口電路、外部擴展SDRAM電路、外部擴展NOR Flash(AM29LV320DB)電路、與DSP通信的HPI接口電路、與FPGA通信的SPI接口電路、連接溫度傳感器的I2C接口電路、以太網(wǎng)接口電路。

1.1 HPⅠ接口電路設(shè)計

ARM與DSP的HPI總線采用16位數(shù)據(jù)通信,而且HPI總線是數(shù)據(jù)和地址復(fù)用的。ARM使用部分地址信號線與DSP的HPI總線控制信號相連,通過地址的變換來控制HPI總線。ARM與DSP的硬件連接如圖2所示。其中ARM通過地址線A3、A2與DSP的HCNTL1、HCNTL0引腳的連接來選擇對 HPIC、HPIA、HPID各寄存器進行操作。通過A1與DSP的引腳HHWIL的連接來進行讀寫時半字的選擇。通過A4與HR/ˉW的引腳連接來選擇讀寫。ARM通過PB9向DSP的GP11引腳發(fā)送握手信號,DSP通過GP12引腳中斷ARM開始數(shù)據(jù)傳輸。

1.2 SPⅠ接口電路設(shè)計

圖1 ARM在手持式頻譜儀中的位置和作用

SPI接口是一種串行通信接口,它由4根信號線組成,其中SPCK、MOSI、MISO為復(fù)用,ARM 通過片選信號NPCS來選擇與不同的從器件通信。本課題中ARM通過SPⅠ總線分別與中頻板FPGA、源掃板FPGA通信。ARM與FPGA的硬件連接如圖3所示。ARM為主機模式,其 SPI接口 的 SPCK、MISO、MOSI分別與從機FPGA 的 SCLK 、MOSI、MISO 連接。ARM共有4根片選線。這里采用NPCS1選擇中頻板FPGA,NPCS2選擇源掃板FPGA。

圖2 ARM與DSP的硬件連接

圖3 ARM與FPG A的硬件連接

2 多核間的通信機制

2.1 ARM與DSP的通信機制

ARM在Linux系統(tǒng)啟動后,會先進行一系列的初始化,包括對HPI、SPI等通信接口的初始化以及重啟DSP,實現(xiàn)時序上的同步。ARM在初始化完成后,會向DSP發(fā)送握手信號,即通過PB9向DSP的GP11口寫入數(shù)據(jù),表示ARM完成初始化,可以接收DSP的發(fā)送數(shù)據(jù)。而DSP完成數(shù)據(jù)處理以后,會等待 ARM的握手信號,即不斷訪問GP11口是否收到數(shù)據(jù)。當(dāng)DSP收到握手信號之后,會向GP12口寫1以中斷ARM主機的其他工作,以便ARM來讀取DSP已處理好的數(shù)據(jù)。ARM收到中斷信號以后,通過設(shè)置HCNTL0、HCNTL1對HPIC操作來清除中斷,然后寫HPIA以告訴DSP從什么位置開始進行自增讀。然后DSP將數(shù)據(jù)從DMA傳送到HPID中,ARM通過讀HPID來獲得數(shù)據(jù)。由于ARM與DSP的HPI接口是16位數(shù)據(jù)傳輸,所以要軟件實現(xiàn)將兩次讀取的16位數(shù)據(jù)合并成32位,然后傳給上層應(yīng)用程序。ARM讀取完數(shù)據(jù)后,向DSP的指定地址寫入0xffffffff,通知 DSP讀取成功,準(zhǔn)備下次數(shù)據(jù)傳輸。

ARM在接收到上層應(yīng)用程序下發(fā)的命令后,通過對命令的解析、計算,得到各種參數(shù),然后通過HPI下發(fā)給DSP。其流程是:首先通過HCNTL0、HCNTL1寫HPIC寄存器,配置讀寫模式。然后寫HPIA寄存器,設(shè)置寫入DSP的物理地址。通過連續(xù)寫HPID寄存器來發(fā)送控制參數(shù),最后寫入0x5555aaaa,表示發(fā)送完畢。

2.2 ARM與FPGA的通信機制

ARM集成了SPI接口,通過SPI與FPGA進行數(shù)據(jù)通信。SPI總線的“單主機多從機”模式正適合本課題中ARM同時與中頻板FPGA與源掃版FPGA的通信。ARM啟動Linux系統(tǒng)后,先對SPI接口進行初始化,包括對PIO控制器編程,將SPI引腳分配給外設(shè),配置 PMC(電源管理控制器)以使能SPI時鐘以及將 ARM配置為主機模式。當(dāng)上層軟件下發(fā)命令后,ARM先將接收到的命令字進行解析,解析命令得到各種參數(shù);經(jīng)過計算后,通過SPI接口的片選NPCS來選擇中頻板FPGA或源掃板FPGA來下發(fā)參數(shù)。

由于中頻板FPGA和源掃板FPGA的功能各異,接收的參數(shù)也不盡相同,所以制定了不同的數(shù)據(jù)幀格式及發(fā)送規(guī)則。ARM向中頻板FPGA每幀數(shù)據(jù)傳送16位,傳輸頻率為0.36 M Hz。發(fā)送順序為:路由碼1、數(shù)據(jù)幀1、路由碼2、數(shù)據(jù)幀2、結(jié)束碼。ARM 向源掃板FPGA每幀數(shù)據(jù)傳送16位,傳輸頻率為0.36 MHz。發(fā)送參數(shù)前都要先發(fā)送一個存儲這個參數(shù)的虛擬地址,然后發(fā)送參數(shù),順序為:虛擬地址1、參數(shù)1、虛擬地址2、參數(shù)2、結(jié)束碼。

3 嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動簡介

一套完整設(shè)備的軟件系統(tǒng)開發(fā)可分為:應(yīng)用程序、庫、操作系統(tǒng)(內(nèi)核)、驅(qū)動程序。Linux軟件系統(tǒng)的層次關(guān)系如圖4所示。驅(qū)動程序的作用在于連接軟、硬件,即內(nèi)核通過驅(qū)動程序來完成對硬件設(shè)備的操作。在Linux系統(tǒng)中,應(yīng)用程序運行于“用戶空間”,并不能直接操作硬件,這可以避免應(yīng)用程序的錯誤使得整個系統(tǒng)崩潰。而驅(qū)動程序運行于“內(nèi)核空間”,它是系統(tǒng)信任的一部分。所以應(yīng)用程序要對硬件操作,就要首先使用庫提供的系統(tǒng)調(diào)用來進入內(nèi)核。內(nèi)核匹配后,調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動程序函數(shù),從而完成對硬件的操作。

圖4 Linux軟件系統(tǒng)的層次關(guān)系

Linux操作系統(tǒng)將所有的設(shè)備(而不僅是存儲器里的文件)都看成文件,以操作文件的方式訪問設(shè)備。應(yīng)用程序不能直接操作硬件,而是使用統(tǒng)一的接口函數(shù)調(diào)用硬件驅(qū)動程序。在設(shè)計的驅(qū)動程序中,首先要根據(jù)驅(qū)動程序的功能完成file_operations結(jié)構(gòu)中的函數(shù)實現(xiàn),不需要的函數(shù)接口可以直接在file_operations結(jié)構(gòu)中初始化為NULL。而file_operations結(jié)構(gòu)變量會在驅(qū)動程序初始化時注冊到系統(tǒng)內(nèi)部。當(dāng)操作系統(tǒng)對設(shè)備操作時,就會調(diào)用驅(qū)動程序注冊的file_operations結(jié)構(gòu)中相應(yīng)的函數(shù)指針。

對于Linux驅(qū)動的注冊有兩種方式:一種是直接編譯到內(nèi)核中,在系統(tǒng)啟動時即對設(shè)備進行注冊;另一種是以模塊的方式注冊設(shè)備,需要在系統(tǒng)啟動后用命令對設(shè)備進行注冊。后一種方式在系統(tǒng)開發(fā)期使用比較方便,不用在每次修改驅(qū)動程序后和內(nèi)核一起進行編譯,只需要將模塊編譯成后綴為.ko的模塊文件,就可下載到開發(fā)板中直接使用。在本課題中,使用的是模塊注冊的方式,在項目開發(fā)期間可大大縮短開發(fā)時間。

4 Linux設(shè)備驅(qū)動的實現(xiàn)

對于編寫一個Linux設(shè)備的驅(qū)動程序,大致的流程如下:

①查看原理圖、數(shù)據(jù)手冊,了解設(shè)備的操作方法。

②實現(xiàn)驅(qū)動程序的初始化,比如向內(nèi)核注冊這個驅(qū)動程序,這樣應(yīng)用程序傳入文件名時,內(nèi)核才能找到相應(yīng)的驅(qū)動程序。

③設(shè)計所要實現(xiàn)的操作,比如 open、close、read、write等函數(shù)。

④實現(xiàn)中斷服務(wù)(不是必須的)。

⑤編譯該驅(qū)動程序到內(nèi)核中,或者用insmod命令加載。

⑥測試驅(qū)動程序。

4.1 HPⅠ設(shè)備驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)

4.1.1 物理地址到虛擬地址的映射

寫Linux設(shè)備驅(qū)動的第一步,是完善頭文件中的宏定義,除了各種參數(shù)的定義外,主要是實現(xiàn)硬件寄存器的物理地址到虛擬地址的映射。對于硬件寄存器的操作,其實就是對其物理地址進行讀寫操作。而Linux系統(tǒng)提供了一種內(nèi)存管理機制,在這種機制下,程序可以使用比真實物理地址大得多的地址空間,稱為虛擬地址。Linux系統(tǒng)中程序的操作都是使用虛擬地址,所以要完成物理地址到虛擬地址的映射。本課題采用ioremap函數(shù)的方法,如下:

對于ioremap函數(shù),就是將物理地址0xFFFFFF78開始的4字節(jié)的地址映射到虛擬地址空間中,返回值即4字節(jié)虛擬地址的首地址,賦給宏定義的變量名AT91C_SMC_CSR2。對宏定義的操作即對物理地址的操作。

4.1.2 HPⅠ驅(qū)動的初始化

首先是對HPI硬件的初始化以及中斷初始化。對于HPI,主要是重置DSP,已完成時序的同步。設(shè)置SMC(靜態(tài)存儲控制器),因為ARM 跟DSP的 HPI通信是使用PIO線復(fù)用。最后向DSP發(fā)送握手信號,表示初始化完成。對于中斷的初始化,使用:

目前，木蘭溪在建設(shè)階段，上游段以及城區(qū)部分堤段都在加快建設(shè)的速度，但是各個施工項目之間缺乏一定的溝通與交流，在建設(shè)以及管理等方面，各自管理各自的項目，缺乏統(tǒng)一協(xié)調(diào)性。木蘭溪全線總長105km，在對其進行建設(shè)管理的過程中，尚未達成一直的共識，對建設(shè)速度造成了一定的影響。

此函數(shù)向內(nèi)核注冊中斷,包括中斷號和中斷處理函數(shù)handler。

對于HPI設(shè)備的注冊,為HPI設(shè)備分配系統(tǒng)未使用的254作為主設(shè)備號,0為次設(shè)備號。通過 register_chrdev_region函數(shù)向內(nèi)核注冊。函數(shù)cdev_init是初始化設(shè)備,其實就是建立設(shè)備與file_operations結(jié)構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系。最后將設(shè)備加入內(nèi)核。代碼如下:

上述的代碼都是在驅(qū)動模塊的hpi_init函數(shù)中實現(xiàn)。在HPI驅(qū)動被加載到內(nèi)核時就完成了一系列初始化。

4.1.3 file_operations結(jié)構(gòu)中函數(shù)的實現(xiàn)

設(shè)計驅(qū)動的大部分工作就是實現(xiàn)file_operations結(jié)構(gòu)中的函數(shù)。代碼如下:

其中,“.owner=THIS_MODULE”表示結(jié)構(gòu)屬于本模塊,然后是open、read等各函數(shù)的對應(yīng)關(guān)系。由于初始化在hpi_init函數(shù)中實現(xiàn),所以open函數(shù)并沒有特別的操作,主要是在終端輸出信息。函數(shù)release主要是申請中斷資源的釋放,使用free_irq函數(shù)。下面主要講解read函數(shù),write函數(shù)與之類似,不再詳述。

其中,參數(shù) file是打開文件的標(biāo)識符;參數(shù) buf和count就是要向buf指向的地址存放count字節(jié)的數(shù)據(jù);參數(shù)offp是文件讀取的位置,默認(rèn)為文件頭,不用設(shè)置。

其中wait_event_interruptible函數(shù)會阻塞進程,使其進入等待隊列。直到DSP的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后,發(fā)來中斷。HPI設(shè)備注冊的中斷處理函數(shù)handler會將變量ev_start置1,同時喚醒hpi_wait等待隊列。read函數(shù)繼續(xù)執(zhí)行之后的代碼,即開始從DSP的HPID寄存器讀取數(shù)據(jù)到參數(shù)buf指向的地址。讀取完成后向DSP指定地址寫入0xffffffff,表示讀取完成。函數(shù)down與up是操作二進制信號量,使讀取數(shù)據(jù)的過程為“原子”操作,避免執(zhí)行過程中被打斷,從而影響讀取結(jié)果。read函數(shù)的流程如圖5所示。

圖5 read函數(shù)流程

4.1.4資源的釋放

與hpi_init函數(shù)相對應(yīng)的是hpi_exit函數(shù),實現(xiàn)的是資源的釋放。代碼如下:

以上代碼包括中斷資源釋放、映射關(guān)系釋放、內(nèi)存釋放、設(shè)備釋放。與hpi_init函數(shù)比較可看出,釋放的順序與申請注冊的順序正好相反。

4.1.5模塊的編譯、加載

在驅(qū)動文件的最后加上如下代碼,設(shè)置模塊加載與釋放對應(yīng)的函數(shù):

完成了驅(qū)動程序的編寫,將源程序文件在Linux開發(fā)環(huán)境下編譯成.ko的模塊文件,使用insmod和rmmod指令來加載和卸載模塊。

4.2 SPⅠ設(shè)備驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)

在SPI的驅(qū)動設(shè)計中,大體的框架跟HPI是相同的。包括頭文件宏定義的完善、SPI設(shè)備的初始化、file_operations結(jié)構(gòu)中函數(shù)的實現(xiàn)、資源釋放,最后編譯、加載。需要說明的是AT91RM9200自帶了SPI接口,所以初始化時要根據(jù)芯片手冊對SPI接口的I/O線、時鐘、工作模式等進行配置,才能保證硬件的正常工作。在SPI驅(qū)動的write函數(shù)中,使用了如下代碼:copy_from_user(Ytos,buf,count);

在Linux的驅(qū)動設(shè)計中,經(jīng)常涉及到用戶空間和內(nèi)核空間的通信問題,即數(shù)據(jù)的交換。copy_from_user與copy_to_user函數(shù)就是為了實現(xiàn)這一功能。上述代碼實現(xiàn)的功能就是將用戶空間buf的count字節(jié)的內(nèi)容復(fù)制到內(nèi)核中定義的數(shù)組Ytos中,從而完成用戶空間和內(nèi)核的數(shù)據(jù)交換。驅(qū)動的其余實現(xiàn)類似HPI,不再詳述。

4.3 驅(qū)動的調(diào)試

對于程序語法的調(diào)試,在編譯的過程中解決。根據(jù)Linux平臺下的交叉編譯器arm-linux-gcc的提示信息,修改出現(xiàn)的語法類錯誤。在保證了驅(qū)動文件的成功編譯后,對于程序功能的調(diào)試,采用打印函數(shù)printk跟蹤調(diào)試。在程序適當(dāng)?shù)奈恢眉尤雙rintk打印信息,如根據(jù)設(shè)備注冊函數(shù)的返回值來打印成功或者失敗的信息,可以很直觀的了解程序的運行情況,是很有效的調(diào)試方法。在調(diào)試過程中,利用示波器來檢測某些通信端口的電平信息,可以了解到是否有數(shù)據(jù)通信。通過幾種手段的結(jié)合,最后完成驅(qū)動程序的調(diào)試。

結(jié) 語

本課題采用ARM、DSP、FPGA的三核構(gòu)建的系統(tǒng)平臺,將它們各自的優(yōu)點有機的結(jié)合起來。在完成各自的數(shù)據(jù)處理后,分別通過 HPI、SPI接口進行數(shù)據(jù)交換,在ARM的整體控制下,實現(xiàn)了系統(tǒng)穩(wěn)定運作。而基于ARM的嵌入式Linux操作系統(tǒng),還能提供友好的人機交互界面。該平臺在智能儀表、信號測試分析等領(lǐng)域都能發(fā)揮很好的作用。

編者注:本文為期刊縮略版,全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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