摘要：以TI公司的OMAP-L138型號雙核處理器單片系統(tǒng)(SoC)與ALTERA公司 EP3C80F484型號FPGA為核心的嵌入式硬件平臺，介紹了SoC與FPGA通過高速SPI接口實現(xiàn)固件動態(tài)加載的方法，以及基于Linux的SoC對FPGA快速動態(tài)加載驅(qū)動程序開發(fā)的原理及步驟。實際測試基于高速SPI接口的FPGA固件動態(tài)加載功能快速穩(wěn)定，對同類型嵌入式平臺的FPGA固件動態(tài)加載驅(qū)動開發(fā)具有借鑒意義。

引言

　　OMAP-L138雙核處理器是TI公司推出的新一代低功耗單片系統(tǒng)(SoC)，廣泛應用于通信、工業(yè)、醫(yī)療診斷和音視頻嵌入式設備，其內(nèi)部集成的ARM核與DSP核協(xié)同工作，既能滿足基于嵌入式操作系統(tǒng)的通用應用程序開發(fā)，又能滿足專屬復雜算法的高效實時運行，再加上大容量FPGA芯片做數(shù)字信號的前端處理，可作為較高速率的綜合通信數(shù)據(jù)業(yè)務處理通用數(shù)字平臺。實現(xiàn)對FPGA芯片的固件動態(tài)加載，既可以去掉FPGA芯片外掛用于存儲其固件的FLASH芯片以降低成本，又可以滿足動態(tài)改變FPGA運行程序以實現(xiàn)多種應用場合快速靈活的切換要求。

1 OMAP-L138及Cyclone III系列FPGA的特點

　　采用OMAP-L138與EP3C80F484為核心的嵌入式平臺，能為寬帶通信設備提供完美的平臺解決方案。OMAP-L138的特點^[1]如下：

　　(1)內(nèi)部集成RISC MPU，即主頻為375/456MHz的ARM926EJ-S，以及定/浮點兼容的VLIW DSP，即主頻為375/456MHz 的C674x，可滿足系統(tǒng)的非實時、多任務及實時、高強度數(shù)據(jù)處理的應用需求;

　　(2)強大豐富的外設資源。主要包括：1個EMAC控制器;1個USB2.0接口和1個USB1.1接口;2個I2C接口;1個McASP;2個McBSP;2個SPI接口;4個64位通用定時器;1個實時時鐘(RTC);1個可配置的16位HPI;144個可配置的GPIO管腳;3個UART接口;2個eHRPWM和3個eCAP;1個EMIFA口，可接16位SDRAM/NOR Flash/NAND Flash;1個EMIFB口，可接16位的DDR2(最高頻率150MHz)或16位 MDDR (最高頻率133MHz);2個MMC/SD/SDIO;1個 LCD控制器;1個SATA控制器;1個UPP接口;1個VPIF接口;眾多外設可以通過PSC(電源及睡眠控制)和管腳復用控制，根據(jù)系統(tǒng)需求靈活配置;

　　(3)高效的緩存機制。其中ARM核內(nèi)部有16KB的L1程序Cache和16KB的數(shù)據(jù)Cache，以及8KB中斷向量表存儲RAM;DSP核采用二級緩存結(jié)構(gòu)，包括32KB 的L1程序Cache、32KB 的數(shù)據(jù)Cache和高達256KB可靈活配置的L2 Cache，L2可以被ARM核訪問;此外在兩核之間還有128KB的片內(nèi)SHARE RAM，可用于ARM核和DSP核高速交換數(shù)據(jù)，而不影響各自的運行;

　　(4)低功耗設計。采用1.2V內(nèi)核電壓，1.8V或3.3V 可配置I/O接口電壓。

　　FPGA芯片EP3C80F484為ALTERA公司推出的Cyclone III系列FPGA的一員，其特點^[2]如下：

　　1)Cyclone III滿足高性能、低功耗、低成本的應用需求;

　　2)提供容量為5000至200000個邏輯單元、0.5MB至8MB片內(nèi)RAM的系列芯片選擇，其低功耗設計更易于滿足設計預算，其中EP3C80F484內(nèi)部集成81264個邏輯單元，2810880 比特內(nèi)部RAM，484個管腳;

　　3)提供高、中、低I/O管腳封裝以滿足不同應用場合;

　　4)多達4個PLL(鎖相環(huán))為片內(nèi)時鐘、片外時鐘及I/O接口，提供穩(wěn)定的時鐘管理及同步;

　　5)支持32位Nios II嵌入式處理器，可在單片上集成Nios II軟核、片上外設及內(nèi)存、片外內(nèi)存接口^[3]，提供低成本可定制的嵌入式處理解決方案;

　　6)提供多種高速內(nèi)存接口，例如DDR、DDR2、SDR、 SDRAM以及 QDRII SRAM。

2 OMAP-L138對EP3C80F484實現(xiàn)快速動態(tài)加載的方法

　　Cyclone III系列FPGA的程序加載運行主要通過以下幾種方式：主動串行(AS)、主動并行(PS)、被動并行 (FPP)、被動串行(PS)以及通過JTAG接口采用USB下載線進行加載。當OMAP-L138對EP3C80F484進行動態(tài)加載時，采用的是被動串行(PS)模式，因此對應的EP3C80F484的4位MSEL配置管腳接地。為提高加載的速度及準確性，采用OMAP-L138的SPI0接口的SPI0_CLK及SPI0_SIMO管腳與EP3C80F484配置口的DCLK及DATA0管腳連接，EP3C80F484配置口的其它控制管腳與OMAP-L138的GPIO管腳連接，遵從Cyclone III系列FPGA的PS模式加載時序要求實現(xiàn)對FPGA的快速動態(tài)加載。OMAP-L138與EP3C80F484的連接如圖1所示。

　　EP3C80F484在被動串行(PS)模式下的動態(tài)加載時序要求如圖2所示。

　　采用OMAP-L138的SPI0接口與EP3C80F484連接，可以使用其高達50Mbit/s的高速數(shù)據(jù)傳輸能力，實現(xiàn)EP3C80F484的快速動態(tài)加載。OMAP-L138的SPI功能模塊框圖如圖3所示。

　　SPI控制器包含收發(fā)移位寄存器、緩存以及控制邏輯，數(shù)據(jù)在傳輸開始時寫入發(fā)送移位寄存器，在數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時讀取接收緩存。SPI控制器可工作在主模式和從模式，工作在主模式時由SPI控制器發(fā)起傳輸并驅(qū)動SPIx_CLK管腳產(chǎn)生時鐘。支持多種數(shù)據(jù)格式配置，四種相位及極性配置選項[4]。

3 EP3C80F484動態(tài)加載基于Linux內(nèi)核的驅(qū)動開發(fā)

　　動態(tài)加載驅(qū)動本質(zhì)上屬于字符設備驅(qū)動，動態(tài)加載的驅(qū)動開發(fā)主要包含兩個部分： (1)根據(jù)EP3C80F484的動態(tài)加載時序要求配置OMAP-L138的SPI0及其它控制邏輯GPIO，實現(xiàn)固件程序的比特流正確灌入EP3C80F484的配置口;(2)實現(xiàn)EP3C80F484的.rbf格式固件加載文件的讀取及解析，并傳遞給底層SPI控制驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)比特流的傳輸，完成字符設備各個操作函數(shù)的具體實現(xiàn)，并編譯成可動態(tài)加載的模塊驅(qū)動文件。

　　與驅(qū)動開發(fā)密切相關的主要SPI控制器寄存器說明如表1所示。

　　根據(jù)EP3C80F484在被動串行(PS)模式下的動態(tài)加載時序要求，SPI控制器工作在POLARITY = 0 ，PHASE = 1，SHIFTDIR=1模式，POLARITY、PHASE及SHIFTDIR設置位于SPIFMT0寄存器，工作時序如圖4所示。

　　動態(tài)加載字符設備的操作函數(shù)中的成員函數(shù)實現(xiàn)成為了驅(qū)動程序開發(fā)的關鍵，file_operations^[5]定義如下：

　　static const struct file_operations load_fpga_fops =

　　{ .owner = THIS_MODULE,

　　.read = load_fpga_read,

　　.write = load_fpga_write,

　　.ioctl = load_fpga_ioctl,

　　.open = load_fpga_open,

　　.release = load_fpga_release,

　　};

　　驅(qū)動模塊的初始化函數(shù)load_fpga_init除完成字符設備的設備號及內(nèi)存申請和設備注冊外，還要完成SPI0控制器的所有初始化配置及GPIO管腳配置;load_fpga_write成員函數(shù)實現(xiàn)存放于文件系統(tǒng)的.rbf固件加載文件從用戶空間到內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)拷貝，并將基于SPI的動態(tài)加載驅(qū)動實現(xiàn)封裝成功能函數(shù)spi_down_load供load_fpga_write函數(shù)調(diào)用;load_fpga_ioctl成員函數(shù)提供SPI通信速率等相關配置。spi_down_load函數(shù)流程圖如圖5所示。

　　EP3C80F484配置口DCLK最大支持133MHz的比特流，將OMAP-L138的SPI0_CLK配置成50MHz的時鐘頻率，加上操作系統(tǒng)、文件處理及控制邏輯等開銷，對于2MB左右的.rbf固件程序?qū)崪y動態(tài)加載完成耗時小于1.2秒。測試應用程序與驅(qū)動程序交互流程如圖6所示。

4 結(jié)語

　　本文詳細介紹了在Linux環(huán)境下，采用型號為OMAP-L138的SOC的SPI接口及邏輯GPIO實現(xiàn)對EP3C80F484的快速動態(tài)加載的驅(qū)動程序開發(fā)的具體方法。該方法可靠、快速且穩(wěn)定，比純粹使用GPIO模擬加載時序快一個數(shù)量級以上，并在苛刻的使用條件下仍然表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性?？捎糜谑殖纸K端、車載、船載系統(tǒng)等通信和工業(yè)領域，對動態(tài)加載嵌入式系統(tǒng)開發(fā)具有重要意義。

參考文獻：

　　[1]OMAP-L138 C6-Integra DSP+ARM Processor (Rev. D) . Texas Instruments, 2011.

　　[2]Cyclone III Device Handbook. Altera Corporation, 2012.

　　[3]Nios II Processor Reference Handbook. Altera Corporation, 2011.

　　[4]TMS320C674x/OMAP-L1x Processor Serial Peripheral Interface (SPI) User's Guide. Texas Instruments.2010.

　　[5]宋寶華. Linux設備驅(qū)動開發(fā)詳解[M]..北京:人民郵電出版社:2008.

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第5期第40頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。