引言
　　Intel公司推出的XScale采用ARM V5TE結(jié)構(gòu)，是Strong ARM的升級換代產(chǎn)品。XScale PXA270處理器最高主頻可達624 MHz，加入了Wireless MMX、Intel SpeedStep等新技術(shù)，以其高性能、低功耗、多功能等特點在信息家電、工業(yè)控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在嵌入式控制中，“微處理器+FPGA”是一種常用的解決方案。FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）有編程方便、集成度高、速度快等特點，電子設(shè)計人員可以通過硬件編程的方法來實現(xiàn)FPGA芯片各種功能的開發(fā)。在我們的一個數(shù)控平臺的研究項目中，采用XScale PXA270作為主CPU，并對其進行FPGA擴展，使其具有插補、電機驅(qū)動、信號處理、I/O口擴展的功能。Linux以其內(nèi)核精練、高效，源代碼開放且免費等優(yōu)勢，在嵌入式領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。下面以Intel XScale PXA270上的Altera FLEX/ACEX的應(yīng)用為例，詳細介紹Linux下FPGA設(shè)備驅(qū)動的實現(xiàn)。
　　1 Altera FLEX/ACEX芯片結(jié)構(gòu)
　　Altera FLEX/ACEX芯片是基于查找表LUT（LookUpTable）原理而實現(xiàn)的。LUT本質(zhì)上就是一個RAM。目前FPGA中多使用4輸入的 LUT，所以每個LUT可以看成一個有4位地址線的16×1的RAM。當用戶通過原理圖或HDL語言描述一個邏輯電路以后，F(xiàn)PGA開發(fā)軟件會自動計算邏輯電路的所有可能的結(jié)果，并把結(jié)果事先寫入RAM。這樣，每輸入一個信號進行邏輯運算就等于輸入一個地址進行查表，找出地址對應(yīng)的內(nèi)容，然后輸出即可。由于LUT主要適合SRAM工藝生產(chǎn)，所以目前大部分FPGA都是基于SRAM工藝的，而SRAM工藝的芯片在掉電后信息就會丟失，一定要外加1片專用配置芯片（本實驗電路使用Altera EPC2LC20）。在上電時，由這個專用配置芯片把數(shù)據(jù)加載到FPGA中，然后FPGA即可正常工作。由于配置時間很短，因此不會影響系統(tǒng)正常工作。在使用ACEX1K50之前，應(yīng)對其進行設(shè)計編程，實現(xiàn)相應(yīng)寄存器及I/O口的功能。有關(guān)FPGA的詳細內(nèi)容請參閱相關(guān)資料。
　　2 Intel XScale PXA270處理器的系統(tǒng)存儲器接口
　　PXA270處理器的可編程靜態(tài)存儲體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。
　　
　　圖1 PXA270靜態(tài)存儲體系結(jié)構(gòu)
　　在系統(tǒng)上， ACEX1K50位于nCS《2》上，物理地址0x8000000～0x8001000共4K的靜態(tài)地址空間。圖2表示了Intel XScale PXA270與ACEX1K50的硬件連接關(guān)系。
　　
　　圖2 Intel XScale PXA270與ACEX1K50的硬件連接
　　3 Linux下ACEX1K50設(shè)備驅(qū)動的實現(xiàn)
　　3.1 Linux下設(shè)備驅(qū)動基本原理
　　設(shè)備驅(qū)動程序是應(yīng)用程序與硬件之間的一個中間軟件層，設(shè)備驅(qū)動程序為應(yīng)用程序屏蔽了硬件的細節(jié)。這樣在應(yīng)用程序看來，硬件設(shè)備只是一個設(shè)備文件，應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣對硬件設(shè)備進行操作。設(shè)備驅(qū)動程序是內(nèi)核的一部分，它主要實現(xiàn)的功能有：對設(shè)備進行初始化和釋放；把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù)；讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)，回送應(yīng)用程序請求的數(shù)據(jù)以及檢測和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯誤。
　　Linux將設(shè)備分為最基本的兩大類：一類是字符設(shè)備；另一類是塊設(shè)備。字符設(shè)備和塊設(shè)備的主要區(qū)別在于是否使用了緩沖技術(shù)。字符設(shè)備以單個字節(jié)為單位進行順序讀/寫操作，通常不使用緩沖技術(shù)；塊設(shè)備為了提高效率，利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作為讀/寫操作的緩沖區(qū)，由于涉及緩沖區(qū)管理、調(diào)度和同步等問題，實現(xiàn)起來比字符設(shè)備復(fù)雜得多。
　　Linux通過設(shè)備文件系統(tǒng)對設(shè)備進行管理，各種設(shè)備都以文件的形式存放在/dev目錄下，稱為“設(shè)備文件”。應(yīng)用程序可以像普通文件一樣打開、關(guān)閉和讀/寫這些設(shè)備文件。為了管理這些設(shè)備，系統(tǒng)為設(shè)備編了號，每個設(shè)備號又分為主設(shè)備號和次設(shè)備號。主設(shè)備號用來區(qū)分不同種類的設(shè)備，而次設(shè)備號用來區(qū)分同一類型的多個設(shè)備。Linux為所有的設(shè)備文件都提供了統(tǒng)一的操作函數(shù)接口，方法是使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct file_operations。這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包括許多操作函數(shù)的指針，如open（）、close（）、read（）和write（）等，但由于外設(shè)的種類較多，操作方式各不相同。struct file_operations結(jié)構(gòu)體中的成員為一系列的接口函數(shù)，如用于讀/寫的read/write函數(shù)和用于控制的ioctl等。打開一個文件就是調(diào)用這個文件file_operations中的open操作。不同類型的文件（如普通的磁盤數(shù)據(jù)文件）有不同的file_operations成員函數(shù)，接口函數(shù)完成磁盤數(shù)據(jù)塊讀/寫操作；而對于各種設(shè)備文件，則最終調(diào)用各自驅(qū)動程序中的I/O函數(shù)進行具體設(shè)備的操作。這樣，應(yīng)用程序根本不必考慮操作的是設(shè)備還是普通文件，可一律當作文件處理，具有非常清晰、統(tǒng)一的I/O接口，所以file_operations是文件層次的I/O接口。
　　3.2 ACEX1K50在Linux下設(shè)備驅(qū)動的實現(xiàn)
　　在驅(qū)動程序中使用內(nèi)存映射可以提供給用戶程序直接訪問設(shè)備內(nèi)存的能力。使用內(nèi)存映射的好處是處理大文件時速度明顯快于標準文件I/O，無論讀/寫，都少了一次用戶空間與內(nèi)核空間之間的復(fù)制。在用戶空間對ACEX1K50 FPGA設(shè)備的訪問是通過內(nèi)存映射來實現(xiàn)的。
　　ACEX1K50可以看作是硬件連接在PXA270微處理器的nCS《2》上的一段物理地址來尋址。因為有虛擬內(nèi)存管理單元，所以如果在Linux下，必須先把物理地址映射到虛擬地址空間，然后才能對該段地址進行讀/寫。