基于Linux的ARM與FPGA SPI接口驅(qū)動設(shè)計
2014-01-01 00:00:00陳少華
計算機光盤軟件與應(yīng)用 2014年6期
摘 要：本文結(jié)合具體的FPGA與ARM接口電路介紹了SPI接口驅(qū)動程序設(shè)計，并給出了部分程序的核心代碼。本驅(qū)動編寫的思路嚴格按照Linux下字符設(shè)備驅(qū)動程序的要求，并重點介紹了中斷掛載及內(nèi)存映射等關(guān)鍵技術(shù)，對其他SPI外設(shè)的驅(qū)動程序設(shè)計有較強的參考意義。
關(guān)鍵詞：linux；SPI；驅(qū)動
中圖分類號：TP336
在某項目的單板設(shè)計中，集成了Altera公司的STRATIX II EP2S180 FPGA和三星公司的S3C2440A ARM9處理器，F(xiàn)PGA用于處理原始數(shù)據(jù)，ARM用于配置FPGA參數(shù)并接收FPGA處理后數(shù)據(jù)，之間采用SPI串行接口通信。
SPI接口驅(qū)動基于Linux系統(tǒng)開發(fā)，Linux內(nèi)核中雖已集成了SPI驅(qū)動，但接口復雜且冗長，不適宜本項目采用，因此重新設(shè)計了SPI驅(qū)動。
1 接口電路設(shè)計
ARM工作在SPI主模式，F(xiàn)PGA工作在SPI從模式，F(xiàn)PGA與ARM間接口電路如圖1所示。
圖1 接口電路
ARM使用SPI0控制器，EINT13作為中斷輸入，GPG6用于復位FPGA中斷。
ARM通過SPIMOSI0接口對FPGA進行參數(shù)配置，而后啟動FPGA進行數(shù)據(jù)處理。FPGA處理完數(shù)據(jù)后通過EINT13對ARM發(fā)送上升沿中斷，觸發(fā)ARM讀取FPGA數(shù)據(jù)。ARM讀取完畢后，通過INT_ACK信號線發(fā)上升沿信號對FPGA進行中斷清除。
2 SPI驅(qū)動程序設(shè)計
SPI為串行接口，其驅(qū)動在Linux中沿用字符設(shè)備驅(qū)動格式，字符設(shè)備驅(qū)動接口函數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
static struct file_operations dev_fops = {
.owner = THIS_MODULE，
.open = s3c24xx_SPI_open，
.release = s3c24xx_SPI_close，
.read = s3c24xx_SPI_read，
}；
驅(qū)動程序需要實現(xiàn)s3c24xx_SPI_open、s3c24xx_SPI_close、s3c24xx_SPI_read等幾個關(guān)鍵函數(shù)。
s3c24xx_SPI_open函數(shù)用于初始化SPI控制器并對FPGA發(fā)送初始化配置參數(shù)并掛載中斷處理函數(shù)。
s3c24xx_SPI_close函數(shù)用于關(guān)閉FPGA設(shè)備。
s3c24xx_SPI_read用于讀取FPGA數(shù)據(jù)，該函數(shù)通過調(diào)用wait_event_interruptible工作在阻塞模式，由中斷處理函數(shù)負責喚醒 。
中斷描述結(jié)構(gòu)如下：
struct spi_irq_desc {
int irq；
int pin；
int pin_setting；
int number；
char *name；
}；
static struct spi_irq_desc spi_irqs [] = {
{IRQ_EINT13， S3C2410_GPG（5），S3C2410_GPG5_EINT13，2，“SPIINT”}，
}；
在s3c24xx_SPI_open函數(shù)中掛載中斷處理函數(shù)spi_interrupt，具體如下：
request_irq（spi_irqs[i].irq， spi_interrupt， IRQ_TYPE_EDGE_RISING，
spi_irqs[i].name，（void *）spi_irqs[i]）；
request_irq將EINT13的處理函數(shù)設(shè)定為spi_interrupt，需要重點注意的是操作系統(tǒng)自動將EINT13引腳配置為中斷模式，并設(shè)置為上升沿觸發(fā)，無需用戶再進行GPIO配置。
在中斷處理函數(shù)中，涉及到對SPI的發(fā)送寄存器和接收寄存器的讀寫操作。在Linux環(huán)境中，由于采用了MMU及虛擬內(nèi)存設(shè)計，無法直接讀寫外部寄存器，需將其映射到內(nèi)存空間，而后采用iowrite32完成讀寫。
以對SPICON0寄存器寫入0x18示例如下，該寄存器地址為0x59000000：
spicon0_phys = 0x59000000；
spi0_virt =（unsigned long）ioremap（spi0_phys， 0x20）；
va_s3c2440_SPI_SPCON0 = （unsigned long *）（spi0_virt + 0x00）；
iowrite32（0x18，va_s3c2440_SPI_SPCON0）；
在spi_interrupt函數(shù)中實現(xiàn)SPI接口讀取，spi字長為8位，spi的接口配置為時鐘上升沿發(fā)送，下降沿讀取。
因此為讀取FPGA需要對發(fā)送寄存器SPTDAT0先寫一個字節(jié)，而后判斷狀態(tài)寄存器SPSTA0是否完成發(fā)送，如果完成則讀取接收寄存器SPRDAT0，從FPGA讀取一個字節(jié)，以后循環(huán)讀取定長字節(jié)，即可完成對FPGA數(shù)據(jù)的讀取。
而后對GPG6依次寫0、1、0，之間加入1us延時，即可產(chǎn)生上升沿中斷以復位FPGA中斷。
對FPGA的讀定長數(shù)據(jù)操作示例如下：
int s3c2440SPIRead（char* buffer， int nbyte）
{
char* pChar = buffer；
int ix = nbyte；
for（； nbyte > 0； nbyte--）
{
*（volatile char*）va_s3c2440_SPI_SPTDAT0=0x55；
/*等待傳輸完成*/
while（?。?（（volatile char*）va_s3c2440_SPI_SPSTA0） 0x1））；
*pChar=*（volatile char*）（va_s3c2440_SPI_SPRDAT0）；
pChar++；
}
return（ix）；
}
為避免編譯器將va_s3c2440_SPI_SPTDAT0地址列入CACHE空間，必須對va_s3c2440_SPI_SPTDAT0進行volatile char*強制類型轉(zhuǎn)換，否則將讀到過期數(shù)據(jù)。
中斷處理函數(shù)完成讀數(shù)據(jù)后調(diào)用wake_up_interruptible（spi_waitq）喚醒阻塞的讀操作s3c24xx_SPI_read，該函數(shù)調(diào)用copy_to_user函數(shù)將數(shù)據(jù)復制到用戶空間。
3 結(jié)束語
該接口程序已成功應(yīng)用于某工程項目，本文是基于調(diào)試經(jīng)驗，重點介紹了SPI接口程序框架及內(nèi)存映射和中斷掛載等關(guān)鍵技術(shù)，可以作為開發(fā)類似驅(qū)動的參考。
參考文獻：
[1]韋東山.嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)[M].北京：人民郵電出版社，2010.
作者單位：中國船舶重工集團公司第七二二研究所，武漢 430079
