基于FPGA嵌入式系統(tǒng)的設備驅(qū)動開發(fā)

摘 要：基于FPGA 嵌入式系統(tǒng)，在PowerPC 架構(gòu)的Linux2.6 操作系統(tǒng)環(huán)境下，對通用輸入輸出接口(GPIO)控制器的驅(qū)動，采用平臺設備機制進行中斷控制管理。通過該管理機制，將GPIO 設備本身的資源注冊進內(nèi)核，由內(nèi)核統(tǒng)一管理。在參照Linux2.6 內(nèi)核源碼有關(guān)平臺設備驅(qū)動的基礎上，編寫和測試了GPIO 設備的驅(qū)動程序。該驅(qū)動程序已在Xilinx 公司FPGA 開發(fā)板ML403 上驗證，并且穩(wěn)定運行。

從Linux 2.6 起引入了平臺設備機制，即platform device driver 機制，Linux 中大部分設備驅(qū)動都可以使用這套機制[1]。和傳統(tǒng)的device driver 機制(通過driverregister 函數(shù)進行注冊)相比，十分明顯的優(yōu)勢在于platform 機制將設備本身的資源注冊進內(nèi)核，由內(nèi)核統(tǒng)一管理，在驅(qū)動程序中使用這些資源時通過platform device 提供的標準接口進行申請并使用[2]。這樣提高了驅(qū)動和資源管理的獨立性，并且擁有較好的可移植性和安全性。文中討論的GPIO 設備具有雙重身份：平臺設備與混雜設備(miscdevice)。平臺設備意味著GPIO控制器設備是屬于平臺的獨立模塊；混雜設備(即主設備號為10)是一種特殊的字符型設備，描述了GPIO 控制器的訪問方式是順序的[1]。

1 Linux中平臺設備驅(qū)動開發(fā)流程

ML403 開發(fā)板采用vertex-4 系列FPGA，集成了PowerPC405 硬核，帶有內(nèi)核管理單元（MMU），因此可以在該開發(fā)板上運行Linux2.6 操作系統(tǒng)。在嵌入式Linux2.6 操作系統(tǒng)中，通過Platform 機制，對外設進行管理。開發(fā)設備驅(qū)動的流程如圖1 所示：

1.1 定義platform_device

在Linux 2.6 內(nèi)核中platform 設備用結(jié)構(gòu)體platform_device 來描述， 該結(jié)構(gòu)體定義在kernel\include\linux\platform_device.h 中：
struct platform_device {
const char * name; //平臺設備的設備名
u32 id; //平臺設備的設備ID
struct device dev; //設備結(jié)構(gòu)體
u32 num_resources; //平臺設備使用的各類資源數(shù)
量
struct resource * resource; //資源
};

該結(jié)構(gòu)一個重要的元素是resource，它存入了最為重要的設備資源信息。在嵌入式開發(fā)工具EDK 中生成BSP( 板級支持包)的時候有一個設備參數(shù)頭文件xparameter.h，里面定義了相關(guān)設備的設備數(shù)量、地址資源、中斷資源和時鐘資源等。在添加平臺設備信息的時候需要用到該頭文件中定義的地址信息和中斷信息，Xilinx 公司的Virtex-4 平臺設備是kernel/arch/ppc/syslib/virtex_devices.c 中定義的，在編寫驅(qū)動之前，需要在該文件中添加有關(guān)GPIO 控制器的設備定義：
/*
* ML300/ML403 Gpio Device: shortcut macro for single instance
*/
#define XPAR_GPIO(num) { \
.name = "xilinx_gpio", \
.id = num, \
.dev.platform_data=XPAR_GPIO_##num##
_IS_DUAL, \
.num_resources = 2, \
.resource = (struct resource[]) { \
{ \
.start=XPAR_GPIO_##num##_B
ASEADDR, \

.end=XPAR_GPIO_##num##_HI
GHADDR, \
.flags = IORESOURCE_MEM, \
}, \
{ \
.start=XPAR_INTC_0_GPIO_##n
um##_VEC_ID, \
.flags = IORESOURCE_IRQ, \
}, \
}, \
}
/* GPIO instances */
#if defined(XPAR_GPIO_0_BASEADDR)
XPAR_GPIO(0),
#endif
#if defined(XPAR_GPIO_1_BASEADDR)
XPAR_GPIO(1),
#endif
#if defined(XPAR_GPIO_2_BASEADDR)
XPAR_GPIO(2),
#endif

上述的代碼定義了GPIO 設備名稱——xilinx_gpio，XPAR_GPIO 平臺設備結(jié)構(gòu)中name 元素和設備驅(qū)動的platform_driver 結(jié)構(gòu)體中的driver.name 必須是相同的。這是因為在平臺設備驅(qū)動注冊時會對所有已注冊的platform_device 中的name 和當前注冊的platform_driver 的driver.name 進行比較， 使得platfrom_device 和platform_driver 建立關(guān)聯(lián)，只有找到相同的名稱的platfomr_device 才能注冊成功。在平臺設備的描述中GPIO 設備定義了2 個資源，一個是I/O空間資源，描述了GPIO 控制器設備所占用的總線地址范圍，IORESOURCE_MEM 表示第1 組描述的是內(nèi)存類型的資源信息；另一個是中斷資源，描述了設備的中斷號，IORESOURCE_IRQ 表示第2 組描述的是中斷資源信息，設備驅(qū)動會根據(jù)類型來獲取相應的資源信息。本文共用到三個GPIO 設備XPAR_GPIO(0)，XPAR_GPIO(1)，XPAR_GPIO(2)。

1.2 注冊platform_device

virtex_devices.c 中的platform_device 是在系統(tǒng)啟動時，使用virtex_init(void)函數(shù)進行注冊。

同時被注冊還有很多virtex 平臺的設備，該函數(shù)是在系統(tǒng)初始化階段調(diào)用，驅(qū)動注冊時需要匹配內(nèi)核中所有已注冊的設備名，因此platform_device 設備的注冊過程必須在相應設備驅(qū)動加載之前被調(diào)用。