基于Linux操作系統(tǒng)和ARM處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者：孫文康，段義隆，張媛媛

1 引言

基于ARM核心處理器的嵌入式系統(tǒng)以其自身資源豐富、功耗低、價(jià)格低廉、支持廠商眾多的緣故，越來越多地應(yīng)用在各種需要復(fù)雜控制和通信功能的嵌入式系統(tǒng)中。

內(nèi)核源碼開放的Linux與ARM體系處理器相結(jié)合，可以發(fā)揮Linux系統(tǒng)支持各種協(xié)議及存在多進(jìn)程調(diào)度機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)，從而使開發(fā)周期縮短，擴(kuò)展性增強(qiáng)。作為數(shù)字處理專用電路，DSP的數(shù)字信號(hào)處理能力十分強(qiáng)大，但對(duì)諸如任務(wù)管理、通信、人機(jī)交互等功能的實(shí)現(xiàn)較為困難。

如果將這三者結(jié)合起來，即由DSP結(jié)合采樣電路采集并處理信號(hào)，由ARM處理器作為平臺(tái)，運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，將經(jīng)過DSP運(yùn)算的結(jié)果發(fā)送給用戶程序進(jìn)行進(jìn)一步處理，然后提供給圖形化友好的人機(jī)交互環(huán)境完成數(shù)據(jù)分析和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ?，就?huì)最大限度的發(fā)揮三者所長。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)硬件由二部分組成，其中一部分為若干塊DSP板，各自獨(dú)立承接數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理。另一部分為以ARM為核心處理器的CPU板。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示（僅接口部分）。

3 接口硬件部分設(shè)計(jì)

3．1 HPI接口簡介

HPI接口是TI公司新一代、高性能DSP上用以完成與主機(jī)或其他DSP之間數(shù)據(jù)交換的接口，這里主要介紹實(shí)際電路中使用的控制引腳和時(shí)序。

HCNTL0和HCNTL1為訪問控制選擇。用來確定主機(jī)（ARM）究竟對(duì)TMS320C6711中的哪一個(gè)HPI寄存器進(jìn)行處理。具體功能如表1所列。

HR/W：讀寫選擇控制。為“1”表示是從DSP中讀，反之則為寫。

HHWIL：半字節(jié)定義選擇，與HPIC寄存器中的HWOB位進(jìn)行配合可以選擇當(dāng)前傳輸?shù)氖歉甙胱诌€是低半字。低電平是第一個(gè)半字，高電平是第二個(gè)半字。

HCS：選通脈沖（Strobe），與HDS1、HDS2相互配合完成內(nèi)部信號(hào)HSTROBE的生成。邏輯關(guān)系如圖2所示。

將HDS1、HDS2分別固定為高電平和低電平，這樣HCS就和HSTROBE完全一致。

HSTROBE讀時(shí)序如圖3所示。

3．2 接口電路

ARM處理器通過DSP的HPI接口與DSP進(jìn)行連接的硬件原理如圖4所示（以單板DSP為例）。其中SN74LVTH16245為16位（二個(gè)8位）雙向三態(tài)總線收發(fā)器，主要起總線驅(qū)動(dòng)和方向控制的作用同時(shí)也保證在不對(duì)HPI口進(jìn)行操作時(shí)數(shù)據(jù)總線鎖閉。AT91RM9200為Atmel公司生產(chǎn)的ARM9為核心的處理器，其中引腳D0-D15為數(shù)據(jù)總線，A2-A8為地址總線的一部分，CS3為片選信號(hào)線，當(dāng)ARM對(duì)總線地址范圍為0x40000 0000～0x4FFF FFFF的外部設(shè)備進(jìn)行操作時(shí)，會(huì)在該引腳產(chǎn)生一個(gè)片選信號(hào)。同時(shí)該信號(hào)控制SN74LVTH16245的使能端，避免在讀寫其他地址時(shí)對(duì)HPI端口造成影響。TMS320C6711D是TI公司生產(chǎn)的DSP，每秒可以完成15億次浮點(diǎn)運(yùn)算，數(shù)據(jù)處理功能十分強(qiáng)大。引腳D0-D15為數(shù)據(jù)總線。其余端口是HPI接口的控制引腳。

4 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

4．1 Linux驅(qū)動(dòng)程序簡介

在Linux操作系統(tǒng)下有二種方式將驅(qū)動(dòng)程序裝入操作系統(tǒng)內(nèi)核：一種是直接將驅(qū)動(dòng)程序編譯進(jìn)內(nèi)核，另外一種是將驅(qū)動(dòng)程序構(gòu)建為驅(qū)動(dòng)程序模塊后采用insmod/rmmod命令將模塊加載內(nèi)核中。由于是在嵌入式系統(tǒng)中進(jìn)行程序開，所以筆者選用了模塊加載方式。這樣，在整個(gè)程序的調(diào)試過程中不必因?yàn)樾薷哪程幎磸?fù)編譯整個(gè)內(nèi)核，只需編譯驅(qū)動(dòng)程序模塊并重新加載。

本例中Linux下的驅(qū)動(dòng)程序主要用來完成文件（Linux把外部設(shè)備也認(rèn)為是文件）的打開、關(guān)閉、讀、寫等操作。也就是對(duì)如下結(jié)合的填充。

Static struct file_operations fops=

{open:hpi_open，

release:hpi_release，

mmap:hpi_mmap，

};

其中，open和release完成設(shè)備的打開和關(guān)閉。mmap為內(nèi)存地址映射操作。因?yàn)椴捎玫氖悄K加載方式，所以還應(yīng)該加上int init_module（void）和void cleanup_module（void）函數(shù)，以完成模塊的注冊和卸載。

4．2 驅(qū)動(dòng)程序中映射的實(shí)現(xiàn)

由于驅(qū)動(dòng)程序的內(nèi)存空間是在內(nèi)核空間中，因此首先應(yīng)解決內(nèi)核空間與用戶空間的交互問題。這里采用最直接的方式將內(nèi)核空間和用戶空間聯(lián)系起來實(shí)現(xiàn)映射，即利用remap_page_range內(nèi)核函數(shù)（通過mmap系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)）。

函數(shù)原形如下：

int remap_page_range（unsigned long virt_add，unsigned long phys_add，unsigned long size，pgprot_tprot）;

函數(shù)的功能是構(gòu)造用于映射一段物理地址的新頁表。函數(shù)返回的值通常是0或者一個(gè)負(fù)的錯(cuò)誤碼。函數(shù)參數(shù)的確切含義如下：

virt_add：重映射起始處的用戶虛擬地址。phys_add：虛擬地址所映射的物理地址。Size：被重映射的區(qū)域的大小。Prot：新VMA（virtual memory area）的“保證（protection）”標(biāo)志。具體定義在源泉文件/include/linux/mm.h中。系統(tǒng)調(diào)用MMAP的程序代碼如下：

static int hpi_mmap（struct file *f，struct vm_area_struct *vma）

vma-＞vm_flags|=VM_WRITE;

if（remap_page_range（vma-＞vm_start，（（0x40000000）），

vma-＞vm_end-vma-＞vm_start，（_pgprot （pgprot_val（pgprot_noncached（vma-＞vm_page_prot））|

（L_PTE_WRITE|L_PTE_DIRTY））））） //進(jìn)行映射

{return -1;} //映射失敗

return 0;

}

結(jié)合硬件結(jié)構(gòu)可對(duì)函數(shù)remap_page_range（）分別填充如下參數(shù)：

remap_page_range（vma-＞vm_start，（（0x40000000）），vma-＞vm_end-vma-＞vm_start，（__pgprot（pgprot_val（pgprot_noncached（vma-＞vm_page_prot）） |（L_PTE_WRITE|L_PTE_DIRTY）））））

其中vma為結(jié)合vm_area_struct，在中定義。

應(yīng)用中需要注意以下字段：unsigned long vm_flags應(yīng)該使用標(biāo)志VM_RESERVED，以避免內(nèi)存管理系統(tǒng)將該VMA交換出去。因?yàn)橐獙?duì)DSP寫入數(shù)據(jù)，所以必須使用標(biāo)志VM_WRITE說明對(duì)這一段VMA是允許寫入的。pgport_t vm_page_prot指明了對(duì)VMA的保護(hù)權(quán)限。由于利用CS3對(duì)DSP的HPI接口進(jìn)行控制，所以應(yīng)用pgprot_noncached禁止高速緩沖。 通過mmap的構(gòu)建就能夠?qū)?nèi)核空間的數(shù)據(jù)映射到用戶空間去，也就是說可以在用戶空間內(nèi)直接對(duì)地址為0x4000_0000的內(nèi)存空間進(jìn)行操作，而該段空間正是DSP的HPI接口所對(duì)應(yīng)的地址。

在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對(duì)CS3的低電平脈寬加以控制，方法是在初始化模塊時(shí)對(duì)ARM的控制寄存器CSR進(jìn)行調(diào)節(jié)。該寄存器的D0-D6確定了ARM外部總線的時(shí)鐘延時(shí)周期，D7為等待周期的使能，D12-D14為數(shù)據(jù)寬度。具體定義如下：AT91_SYS-＞EBI_SMC2_CSR=0x00003083，即使用16bit數(shù)據(jù)寬度，等待周期為3個(gè)。當(dāng)ARM主頻為180MHz時(shí)，CS3低電平脈寬約為150ns。

4．3 驅(qū)動(dòng)程序的系統(tǒng)調(diào)用接口

為對(duì)處于總線地址0x4000_0000的DSP板進(jìn)行操作，首先應(yīng)用open打開設(shè)備，該設(shè)備可以通過mknod建立（本例建立的是/dev/hpi）。然后mmap完成映射。

Int dev_hpi_open（str_HPI *ss）

{size_t length=“1024”;

int i;

if（（*ss）.hpi_number==0）

{

（*ss）.hpi_fd=open（“/dev/hpi”，O_RDWR）;

}

if（（*ss）.hpi_fd==-1）return -1;

（*ss）.hpi_mmap_start =mmap（NULL，length，PROT_READ|PROT_WRITE，MAP_SHARED，（（*ss）.hpi_fd），0）; //獲得映射區(qū)內(nèi)存的起始地址

return 0;

} //dev_hpi_open

mmap的作用是將文件內(nèi)容映射到內(nèi)存中。函數(shù)的原形及各參數(shù)定義如下：

*mmap（void *start，size_length

，int prot，int flags，intfd，off_t offset）

start指向欲對(duì)應(yīng)的內(nèi)存地址，size-length的含義是要映射的量；prot代表映射區(qū)域的保護(hù)方式；flag會(huì)影響映射區(qū)域的各種特性；fd為文件描述符；offtoffset代表文件的偏移量，通常設(shè)置為零。

示例程序中的結(jié)構(gòu)體變量ss用來總知各種變量。通過mmap可以獲得映射后的內(nèi)存地址，用（*ss）.hpi_mmap_start表示。

一旦獲得了這個(gè)起始地址，就能對(duì)0x4000_0000起始的總線地址進(jìn)行操作，因?yàn)橛成湟呀?jīng)完成，對(duì)（*ss）.hpi_mmap_start的操作就是對(duì)0x4000_0000起始的總線地址進(jìn)行操作，而DSP板HPI接口的控制線正是在這個(gè)位置。這樣就實(shí)現(xiàn)了物理地址和用戶空間的轉(zhuǎn)換。

4．4 用戶程序接口部分

下面以HPI接口讀寫中最復(fù)雜的自增讀方式用戶程序?yàn)槔f明用戶接口程序的設(shè)計(jì)過程。要完成自增讀的操作，對(duì)于HPI一側(cè)，假設(shè)采用軟件握手的方式。要完成的工作如下：

首先讀HPIC以查詢其中的HRDY位是否為1，如果為1則表示DSP中數(shù)據(jù)已經(jīng)備妥。然后寫HPIA以告訴DSP從什么位置開始進(jìn)行自增讀。接著將HPIC的FETCH位置1以刷新寫入。再讀HPIC以查詢其中的HRDY位是否為1，如果為1則表示DSP中數(shù)據(jù)已經(jīng)備妥。最后從HPID中讀取數(shù)據(jù)。

對(duì)于ARM一側(cè)，要對(duì)HPIC、HPID、HPIA寄存器進(jìn)行讀寫必須滿足HPI接口的定義，具體如下（以自增讀為例）：

讀前半字節(jié)（高16位）時(shí)，HCNTL0=0、HCNTL1=1、HR/W=1、HHWRL=0。

讀后半字節(jié)（低16位）時(shí)，HCNTL0=0、HCNTL1=1、HR/W=1、HHWRL=0。

從硬件的原理圖可知，這些HPI的控制口線分別與ARM的一部分地址總線連接。具體為HCNTL0----A2、HCNTL1----A3、HR/W------A4、HHWIL-----A5。

宏定義過程如下：

#define HPIC_R_F（HPI_VA_BASE）*（（unsigned long*）（（HPI_VA_BASE）+0x00000004+DSPNUMBER））

//讀HPIC第一半字

#define HPIC_R_S（HPI_VA_BASE）*（（unsigned long*）（（HPI_VA_BASE）+0x0000000C+DSPNUMBER））

//讀HPIC第二半字

等等，只要改變在HPI_BA_BASE基礎(chǔ)上增加的數(shù)字就可以獲取對(duì)控制口線的操作。 在這里HPI_VA_BASE將由映射得到的用戶空間虛擬地址代替，所以如果“自增模式讀HPID第一半字”那么就可求滿足前文提到的HCNTL0=0、HCNTL1=1、HR/W=1、HHWRL=0，也就是要滿足地址位A2=0、A3=1、A4=1、A5=0，所以只要在HPI_VA_BASE的基礎(chǔ)上加0x0000_0006就可以了。要注意的是ARM處理器的地址是32位。所以是加上0x0000_0006而不是0x0000_0018。

另外，還有二點(diǎn)需要說明：

通過改變宏定義中的DSPNUMBER常量可以控制地址總線A6、A7、A8。通過這3個(gè)總線組合并通過簡單地址譯碼電路就可以完成對(duì)多塊DSP板的讀寫。在硬件電路中可以定義為0。

A4（HR/W）同時(shí)還用做SN74LVTH16245的方向控制。讀的時(shí)候A4=1，此時(shí)SN74LVTH16245的數(shù)據(jù)從A--＞B；反之，則從B--＞A。

下面給出程序中的自增讀和注釋部分：

int dev_hpi_auto1（str_HPI *ss）

{volatile unsigned long DSP_addr_hign_read_auto;//定義各種中間變量

volatile unsigned long dsp_addr_low_read_auto;

volatile unsigned long dsp_data_hign_read_auto;

volatile unsigned long dsp_data_low_read_auto;

volatile unsigned long dsp_add_temp;

int i;

volatile unsigned long data_length;

//---read hpic----the host polls the HPIC for HRDY=“1”

vol

atile unsigned long polltest;

polltest=HPIC_R_F（（*ss）.hpi_mmap_start）;

while（（polltest&0x00000008）！=0x00000008）

{polltest=HPIC_R_F（（*ss）.hpi_mmap_start）;

}

dsp_add_temp=（（*ss）.hpi_dsp_add）;//從應(yīng)用程序傳過來的參數(shù)，指明希望從DSP的哪一個(gè)地址讀起

dsp_addr_low_read_auto=（（dsp_add_temp）&0x0000ffff）+（（dsp_add_temp）＜＜16）; //完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

dsp_addr_hign_read_auto=（（dsp_add_temp）&0xffff0000）+（（dsp_add_temp）＞＞16）;

//---write dsp s addr to HPIA

HPIA_W_F （（*ss）.hpi_mmap_start）=（dsp_addr_hign_read_auto）;

HPIA_W_S（（*ss）.hpi_mmap_start）=（dsp_addr_low_read_auto）;

//--------write hpic----------to FETCH bit

HPIC_W_F（（*ss）.hpi_mmap_start）=0xfff8fff8;

HPIC_W_S（（*ss）.hpi_mmap_start）=0xfff8fff8;

//---read dsp s data from HPID，autoincrement mode

data_length=（*ss）.hpi_dsp_data_length;//從應(yīng)用程序傳過來的參數(shù)，指明期望讀取多少個(gè)字

for（i=0;i＜=data_length;i++）

{//---read hpic----the host polls the HPIC for HRDY=“1” again

polltest=HPIC_R_F（（*ss）.hpi_mmap_start）;

while（（polltest&0x00000008）！=0x00000008）

{polltest=HPIC_R_F（（*ss）.hpi_mmap_start）;

}

dsp_data_hign_read_auto =HPID_R_F_A（（*ss）.hpi_mmap_start）; //讀第一個(gè)半字。

dsp_data_low_read_auto =HPID_R_S_A（（*ss）.hpi_mmap_start）; //第二個(gè)個(gè)半字

{（*ss）.buffer ［（i）］=（dsp_data_hign_read_auto&oxffff0000）+（dsp_data_low_read_auto&0x0000ffff）;

//數(shù)據(jù)拼接，放入結(jié)構(gòu)體，回傳給調(diào)用的用戶程序。

}

}

} //dev_hpi_read_auto（str_HPI *ss）

5 結(jié)束語

本文通過一個(gè)實(shí)例說明了如何實(shí)現(xiàn)在Linux操作系統(tǒng)下ARM體系結(jié)構(gòu)的處理器與DSP的數(shù)據(jù)通信。給出了接口部分的硬件處理和部分驅(qū)動(dòng)程序。

在某款智能儀表的研發(fā)過程中，給出一個(gè)簡單的地址譯碼電路對(duì)二塊（或更多）DSP板進(jìn)行交替讀寫，并以自增讀方式進(jìn)行操作，當(dāng)ARM主頻為180MHz，DSP主頻為125MHz時(shí)，對(duì)DSP數(shù)據(jù)的讀寫速度可以達(dá)到每毫秒1k的32位字。

責(zé)任編輯：gt