频谱仪多种内核间通信机制的方案设计

摘要：手持式频谱仪系统采用的是ARM、DSP、FPGA的三核架构。对于多核架构，保证内核间的通信尤为重要。对于内核间通信，首先是对通信接口的硬件设计与通信机制的研究，然后着重介绍ARM支持下的嵌入式Linux的接口设备驱动的开发，包括通信接口HPI、SPI的驱动。最后完成驱动测试，整个系统运行稳定。
关键词：多核；嵌入式Linux；设备驱动；HPI；SPI

    多核体系结构为性能提高和节能计算等领域开辟了新的方向。核与核之间的连接方式、通信协调方式等都是研究重点。本课题的研究基于手持式频谱分析仪系统平台，该系统采用的是ARM、DSP、FPGA的三核架构。各核心分别完成不同的任务，然后核心间进行参数发送、数据交换，实现系统功能。设计重点是解决核心间的通信问题。

1 ARM与DSP、FPGA通信的硬件设计
    手持式频谱仪中频信号处理板主要包括4个部分：模数转换器(AD9244)、FPGA(XS3C5000)、DSP(TMS320C6412)、ARM(AT91RM9200)。ARM在手持式频谱仪中的位置和作用如图1所示。

    ARM的硬件设计参考Atmel公司提供的评估板资料。主要包括以下几个单元电路的设计：电源电路、时钟电路、复位电路、启动模式选择电路、JTAG接口电路、Debug串口电路、外部扩展SDRAM电路、外部扩展NOR Flash(AM29LV320DB)电路、与DSP通信的HPI接口电路、与FPGA通信的SPI接口电路、连接温度传感器的I2C接口电路、以太网接口电路。
1．1 HPI接口电路设计
    ARM与DSP的HPI总线采用16位数据通信，而且HPI总线是数据和地址复用的。ARM使用部分地址信号线与DSP的HPI总线控制信号相连，通过地址的变换来控制HPI总线。ARM与DSP的硬件连接如图2所示。其中ARM通过地址线A3、A2与DSP的HCNTL1、HCNTL0引脚的连接来选择对HPI C、HPIA、HPID各寄存器进行操作。通过A1与DSP的引脚HHWIL的连接来进行读写时半字的选择。通过A4与

的引脚连接来选择读写。ARM通过PB9向DSP的GP11引脚发送握手信号，DSP通过GP12引脚中断ARM开始数据传输。

1．2 SPI接口电路设计
    SPI接口是一种串行通信接口，它由4根信号线组成，其中SPCK、MOSI、MISO为复用，ARM通过片选信号NPCS来选择与不同的从器件通信。本课题中ARM通过SPI总线分别与中频板FPGA、源扫板FPGA通信。ARM与FPGA的硬件连接如图3所示。ARM为主机模式，其SPI接口的SPCK、MIS O、MOSI分别与从机FPGA的SCLK、MOSI、MISO连接。ARM共有4根片选线。这里采用NPCS1选择中频板FPGA，NPCS2选择源扫板FPGA。

2 多核间的通信机制
2．1 ARM与DSP的通信机制
    ARM在Linux系统启动后，会先进行一系列的初始化，包括对HPI、SPI等通信接口的初始化以及重启DSP，实现时序上的同步。ARM在初始化完成后，会向DSP发送握手信号，即通过PB9向DSP的GP11口写入数据，表示ARM完成初始化，可以接收DSP的发送数据。而DSP完成数据处理以后，会等待ARM的握手信号，即不断访问GP11口是否收到数据。当DSP收到握手信号之后，会向GP12口写1以中断ARM主机的其他工作，以便ARM来读取DSP已处理好的数据。ARM收到中断信号以后，通过设置HCNTL0、HCNTL1对HPIC操作来清除中断，然后写HPIA以告诉DSP从什么位置开始进行自增读。然后DSP将数据从DMA传送到HPID中，ARM通过读HPID来获得数据。由于ARM与DSP的HPI接口是16位数据传输，所以要软件实现将两次读取的16位数据合并成32位，然后传给上层应用程序。ARM读取完数据后，向DSP的指定地址写入0xffffffff，通知DSP渎取成功，准备下次数据传输。
    ARM在接收到上层应用程序下发的命令后，通过对命令的解析、计算，得到各种参数．然后通过HPI下发给DSP。其流程是：首先通过HCNT L0、HCNTL1写HPIC寄存器，配置读写模式。然后写了HPIA寄存器，设置写入DSP的物理地址。通过连续写HPID寄存器来发送控制参数，最后写入0x5555aaaa，表示发送完毕。
2．2 ARM与FPGA的通信机制
    ARM集成了SPI接口，通过SPI与FPGA进行数据通信。SPI总线的“单主机多从机”模式正适合本课题中ARM同时与中频板FPGA与源扫版FPG A的通信。ARM启动Linux系统后，先对SPI接口进行初始化，包括对PIO控制器编程，将SPI引脚分配给外设，配置PMC(电源管理控制器)以使能SPI时钟以及将ARM配置为主机模式。当上层软件下发命令后，ARM先将接收到的命令字进行解析，解析命令得到各种参数：经过计算后，通过SPI接口的片选NPCS来选择中频板FPGA或源扫板FPGA来下发参数。
    由于中频板FPGA和源扫板FPGA的功能各异，接收的参数也不尽相同，所以制定了不同的数据帧格式及发送规则。ARM向中频板FPGA每帧数据传送16位，传输频率为0．36 MHz。发送顺序为：路由码1、数据帧1、路由码2、数据帧2、结束码。ARM向源扫板FPGA每帧数据传送16位，传输频率为0．36 MHz。发送参数前都要先发送一个存储这个参数的虚拟地址，然后发送参数，顺序为：虚拟地址1、参数1、虚拟地址2、参数2、结束码。

3 嵌入式Linux设备驱动简介
    一套完整设备的软件系统开发可分为：应用程序、库、操作系统(内核)、驱动程序。Linux软件系统的层次关系如图4所示。驱动程序的作用存于连接软、硬件，即内核通过驱动程序来完成对硬件设备的操作。在Linux系统中，应用程序运行于“用户空间”，并不能直接操作硬件，这可以避免应用程序的错误使得整个系统崩溃。而驱动程序运行于“内核空间”，它是系统信任的一部分。所以应用程序要对硬件操作，就要首先使用库提供的系统调用来进入内核。内核匹配后，调用相应的驱动程序函数，从而完成对硬件的操作。

    Linux操作系统将所有的设备(而不仅是存储器里的文件)都看成文件，以操作文件的方式访问设备。应用程序不能直接操作硬件，而是使用统一的接口函数调用硬件驱动程序。在设计的驱动程序中，首先要根据驱动程序的功能完成file_operations结构中的函数实现，不需要的函数接口可以直接在file_operations结构中初始化为NULL。而file_operations结构变量会在驱动程序初始化时注册到系统内部。当操作系统对设备操作时，就会调用驱动程序注册的file_operations结构中相应的函数指针。
    对于Linux驱动的注册有两种方式：一种是直接编译到内核中，在系统启动时即对设备进行注册；另一种是以模块的方式注册设备，需要在系统启动后用命令对设备进行注册。后一种方式在系统开发期使用比较方便，不用在每次修改驱动程序后和内核一起进行编译，只需要将模块编译成后缀为，ko的模块文件，就可下载到开发板中直接使用。在本课题中，使用的是模块注册的方式，在项目开发期间可大大缩短开发时间。

4 Linux设备驱动的实现
    对于编写一个Linux设备的驱动程序，大致的流程如下：
    ①查看原理图、数据手册，了解设备的操作方法。
    ②实现驱动程序的初始化，比如向内核注册这个驱动程序，这样应用程序传入文件名时，内核才能找到相应的驱动程序。
    ③设计所要实现的操作，比如open、close、read、write等函数。
    ④实现中断服务(不是必须的)。
    ⑤编译该驱动程序到内核中，或者用insmod命令加载。
    ⑥测试驱动程序。
4．1 HPI设备驱动程序实现
4．1．1 物理地址到虚拟地址的映射
    写Linux设备驱动的第一步，是完善头文件中的宏定义，除了各种参数的定义外，主要是实现硬件寄存器的物理地址到虚拟地址的映射。对于硬件寄存器的操作，其实就是对其物理地址进行读写操作。而Linux系统提供了一种内存管理机制，在这种机制下，程序可以使用比真实物理地址大得多的地址空间，称为虚拟地址。Linux系统中程序的操作部是使用虚拟地址，所以要完成物理地址到虚拟地址的映射。本课题采用ioremap函数的方法，如下：
    #define AT91C_SMC_CSR2*(volatile unsigned long*)ioremap(0xFFFFFF78．4)
    对于ioremap函数，就是将物理地址0xFFFFFF78开始的4字节的地址映射到虚拟地址空间中，返回值即4字节虚拟地址的首地址，赋给宏定义的变量名AT91C_SMC_CSR2。对宏定义的操作即对物理地址的操作。
4．1．2 HPI驱动的初始化
    首先是对HPI硬件的初始化以及中断初始化。对于HPI，主要是重置DSP，已完成时序的同步。设置SMC(静态存储控制器)，因为ARM跟DSP的HPI通信是使用PIO线复用。最后向DSP发送握手信号，表示初始化完成。对于中断的初始化，使用：
    request_irq(AT91C_ID_IRQ0，handler，SA_INTERRUPT，”irqO”，NULL)；
    此函数向内核注册中断，包括中断号和中断处理函数handler。
    对于HPI设备的注册，为HPI设备分配系统未使用的254作为主设备号，0为次设备号。通过register_chrdev_region函数向内核注册。函数cdev_init是初始化设备，其实就是建立设备与file_operations结构的对应关系。最后将设备加入内核。代码如下：
   

    上述的代码都是在驱动模块的hpi_init函数中实现。在HPI驱动被加载到内核时就完成了一系列初始化。
4．1．3 file_operations结构中函数的实现
    设计驱动的大部分工作就是实现file_operations结构中的函数。代码如下：
   

    其中，“．owner=THIS_MODULE”表示结构属于本模块，然后是open、read等各函数的对应关系。由于初始化在hpi_init函数中实现，所以open函数并没有特别的操作，主要是在终端输出信息。函数release主要是申请中断资源的释放，使用free_irq函数。下面主要讲解read函数，write函数与之类似，不再详述。
    ssize_t hpi_read(struct file*file，char*buf，size_t count，loff_t*offp)
    其中，参数file是打开文件的标识符；参数buf和count就是要向buf指向的地址存放count字节的数据；参数offp是文件读取的位置，默认为文件头，不用设置。
    在read函数的最开始有如下代码：
    wait_event interruptible(hpi_wait，ev_start)；
    down(＆sem)；
    ……
    up(＆sem)；
    其中wait_event_interruptible函数会阻塞进程，使其进入等待队列。直到DSP的数据准备好后，发来中断。HPI设备注册的中断处理函数handler会将变量ev_start置1，同时唤醒hpi_wait等待队列。read函数继续执行之后的代码，即开始从DSP的HPID寄存器读取数据到参数buf指向的地址。读取完成后向DSP指定地址写入0xffffffff，表示读取完成。函数down与up是操作二进制信号量，使渎取数据的过程为“原子”操作，避免执行过程中被打断，从而影响读取结果。read函数的流程如图5所示。

4．1．4 资源的释放
    与hpi_init函数相对应的是hpi_exit函数，实现的是资源的释放。代码如下：
   

    以上代码包括中断资源释放、映射关系释放、内存释放、没备释放。与hpi_init函数比较可看出，释放的顺序与申请注册的顺序正好相反。
4．1．5 模块的编译、加载
    在驱动文件的最后加上如下代码，设置模块加载与释放对应的函数：
    module_init(hpi_init)；
    module_exit(hpi_exit)；
    完成了驱动程序的编写，将源程序文件在Linux开发环境下编译成．ko的模块文件，使用insmod和rmmod指令来加载和卸载模块。
4．2 SPI设备驱动程序实现
    在SPI的驱动设计中，大体的框架跟HPI是相同的。包括头文件宏定义的完善、SPI设备的初始化、file_operations结构中函数的实现、资源释放，最后编译、加载。需要说明的是AT91RM9200自带了SPI接口，所以初始化时要根据芯片手册对SPI接口的I／O线、时钟、工作模式
等进行配置，才能保证硬件的正常工作。在SPI驱动的write函数中，使用了如下代码：
    copy_from_user(Ytos，buf，count)；
    在Linux的驱动设计中，经常涉及到用户空间和内核空间的通信问题，即数据的交换。copy_from_user与copy_to_user函数就是为了实现这一功能。上述代码实现的功能就是将用户空间buf的count字节的内容复制到内核中定义的数组Ytos中，从而完成用户空间和内核的数据交换。驱动的其余实现类似HPI，不再详述。
4．3 驱动的调试
    对于程序语法的调试，在编译的过程中解决。根据Linux平台下的交叉编译器arm-linux-gcc的提示信息，修改出现的语法类错误。在保证了驱动文件的成功编译后，对于程序功能的调试，采用打印函数printk跟踪调试。在程序适当的位置加入printk打印信息，如根据设备注册函数的返回值来打印成功或者失败的信息，可以很直观的了解程序的运行情况，是很有效的调试方法。在调试过程中，利用示波器来检测某些通信端口的电平信息，可以了解到是否有数据通信。通过几种手段的结合，最后完成驱动程序的调试。

结语
    本课题采用ARM、DSP、FPGA的三核构建的系统平台，将它们各自的优点有机的结合起来。在完成各自的数据处理后，分别通过HPI、SPI接口进行数据交换，在ARM的整体控制下，实现了系统稳定运作。而基于ARM的嵌入式Linux操作系统，还能提供友好的人机交互界面。该平台在智能仪表、信号测试分析等领域都能发挥很好的作用。