嵌入式Linux下ARM處理器與DSP的數(shù)據(jù)通信（1）
1 引言 基于ARM核心處理器的嵌入式系統(tǒng)以其自身資源豐富、功耗低、價(jià)格低廉、支持廠商眾多的緣故，越來越多地應(yīng)用在各種需要復(fù)雜控制和通信功能的嵌入式系統(tǒng)中。 內(nèi)核源碼開放的Linux與ARM體系處理器相結(jié)合，可以發(fā)揮Linux系統(tǒng)支持各種協(xié)議及存在多進(jìn)程調(diào)度機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)，從而使開發(fā)周期縮短，擴(kuò)展性增強(qiáng)。作為數(shù)字處理專用電路，DSP的數(shù)字信號(hào)處理能力十分強(qiáng)大，但對(duì)諸如任務(wù)管理、通信、人機(jī)交互等功能的實(shí)現(xiàn)較為困難。 如果將這三者結(jié)合起來，即由DSP結(jié)合采樣電路采集并處理信號(hào)，由ARM處理器作為平臺(tái)，運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，將經(jīng)過DSP運(yùn)算的結(jié)果發(fā)送給用戶程序進(jìn)行進(jìn)一步處理，然后提供給圖形化友好的人機(jī)交互環(huán)境完成數(shù)據(jù)分析和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ?，就?huì)******限度的發(fā)揮三者所長。
該系統(tǒng)硬件由二部分組成，其中一部分為若干塊DSP板，各自獨(dú)立承接數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理。另一部分為以ARM為核心處理器的CPU板。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示（僅接口部分）。 3．1 HPI接口簡介 HPI接口是TI公司新一代、高性能DSP上用以完成與主機(jī)或其他DSP之間數(shù)據(jù)交換的接口，這里主要介紹實(shí)際電路中使用的控制引腳和時(shí)序。
HHWIL：半字節(jié)定義選擇，與HPIC寄存器中的HWOB位進(jìn)行配合可以選擇當(dāng)前傳輸?shù)氖歉甙胱诌€是低半字。低電平是第一個(gè)半字，高電平是第二個(gè)半字。 HCS：選通脈沖（Strobe），與HDS1、HDS2相互配合完成內(nèi)部信號(hào)HSTROBE的生成。邏輯關(guān)系如圖2所示。
將HDS1、HDS2分別固定為高電平和低電平，這樣HCS就和HSTROBE完全一致。 3．2 接口電路 ARM處理器通過DSP的HPI接口與DSP進(jìn)行連接的硬件原理如圖4所示（以單板DSP為例）。其中SN74LVTH16245為16位（二個(gè)8位）雙向三態(tài)總線收發(fā)器，主要起總線驅(qū)動(dòng)和方向控制的作用同時(shí)也保證在不對(duì)HPI口進(jìn)行操作時(shí)數(shù)據(jù)總線鎖閉。AT91RM9200為Atmel公司生產(chǎn)的ARM9為核心的處理器，其中引腳D0-D15為數(shù)據(jù)總線，A2-A8為地址總線的一部分，CS3為片選信號(hào)線，當(dāng)ARM對(duì)總線地址范圍為0x40000 0000～0x4FFF FFFF的外部設(shè)備進(jìn)行操作時(shí)，會(huì)在該引腳產(chǎn)生一個(gè)片選信號(hào)。同時(shí)該信號(hào)控制SN74LVTH16245的使能端，避免在讀寫其他地址時(shí)對(duì)HPI端口造成影響。TMS320C6711D是TI公司生產(chǎn)的DSP，每秒可以完成15億次浮點(diǎn)運(yùn)算，數(shù)據(jù)處理功能十分強(qiáng)大。引腳D0-D15為數(shù)據(jù)總線。其余端口是HPI接口的控制引腳。
4 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) 4．1 Linux驅(qū)動(dòng)程序簡介 在Linux操作系統(tǒng)下有二種方式將驅(qū)動(dòng)程序裝入操作系統(tǒng)內(nèi)核：一種是直接將驅(qū)動(dòng)程序編譯進(jìn)內(nèi)核，另外一種是將驅(qū)動(dòng)程序構(gòu)建為驅(qū)動(dòng)程序模塊后采用insmod/rmmod命令將模塊加載內(nèi)核中。由于是在嵌入式系統(tǒng)中進(jìn)行程序開，所以筆者選用了模塊加載方式。這樣，在整個(gè)程序的調(diào)試過程中不必因?yàn)樾薷哪程幎磸?fù)編譯整個(gè)內(nèi)核，只需編譯驅(qū)動(dòng)程序模塊并重新加載。 本例中Linux下的驅(qū)動(dòng)程序主要用來完成文件（Linux把外部設(shè)備也認(rèn)為是文件）的打開、關(guān)閉、讀、寫等操作。也就是對(duì)如下結(jié)合的填充。 Static struct file_operations fops= 其中，open和release完成設(shè)備的打開和關(guān)閉。mmap為內(nèi)存地址映射操作。因?yàn)椴捎玫氖悄K加載方式，所以還應(yīng)該加上int init_module(void)和void cleanup_module(void)函數(shù)，以完成模塊的注冊(cè)和卸載。 4．2 驅(qū)動(dòng)程序中映射的實(shí)現(xiàn) 由于驅(qū)動(dòng)程序的內(nèi)存空間是在內(nèi)核空間中，因此首先應(yīng)解決內(nèi)核空間與用戶空間的交互問題。這里采用最直接的方式將內(nèi)核空間和用戶空間聯(lián)系起來實(shí)現(xiàn)映射，即利用remap_page_range內(nèi)核函數(shù)（通過mmap系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)）。 函數(shù)原形如下： int remap_page_range(unsigned long virt_add,unsigned long phys_add,unsigned long size,pgprot_tprot); 函數(shù)的功能是構(gòu)造用于映射一段物理地址的新頁表。函數(shù)返回的值通常是0或者一個(gè)負(fù)的錯(cuò)誤碼。函數(shù)參數(shù)的確切含義如下： virt_add:重映射起始處的用戶虛擬地址。phys_add:虛擬地址所映射的物理地址。Size:被重映射的區(qū)域的大小。Prot:新VMA（virtual memory area）的“保證（protection）”標(biāo)志。具體定義在源泉文件/include/linux/mm.h中。系統(tǒng)調(diào)用MMAP的程序代碼如下： static int hpi_mmap(struct file ＊f,struct vm_area_struct ＊vma) 結(jié)合硬件結(jié)構(gòu)可對(duì)函數(shù)remap_page_range()分別填充如下參數(shù)： remap_page_range(vma->vm_start,((0x40000000)),vma->vm_end-vma->vm_start,(__pgprot(pgprot_val(pgprot_noncached(vma->vm_page_prot)) |(L_PTE_WRITE|L_PTE_DIRTY))))) 應(yīng)用中需要注意以下字段：unsigned long vm_flags應(yīng)該使用標(biāo)志VM_RESERVED,以避免內(nèi)存管理系統(tǒng)將該VMA交換出去。因?yàn)橐獙?duì)DSP寫入數(shù)據(jù)，所以必須使用標(biāo)志VM_WRITE說明對(duì)這一段VMA是允許寫入的。pgport_t vm_page_prot指明了對(duì)VMA的保護(hù)權(quán)限。由于利用CS3對(duì)DSP的HPI接口進(jìn)行控制，所以應(yīng)用pgprot_noncached禁止高速緩沖。
通過mmap的構(gòu)建就能夠?qū)?nèi)核空間的數(shù)據(jù)映射到用戶空間去，也就是說可以在用戶空間內(nèi)直接對(duì)地址為0x4000_0000的內(nèi)存空間進(jìn)行操作，而該段空間正是DSP的HPI接口所對(duì)應(yīng)的地址。 在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對(duì)CS3的低電平脈寬加以控制，方法是在初始化模塊時(shí)對(duì)ARM的控制寄存器CSR[3]進(jìn)行調(diào)節(jié)。該寄存器的D0-D6確定了ARM外部總線的時(shí)鐘延時(shí)周期，D7為等待周期的使能，D12-D14為數(shù)據(jù)寬度。具體定義如下：AT91_SYS->EBI_SMC2_CSR[3]=0x00003083,即使用16bit數(shù)據(jù)寬度，等待周期為3個(gè)。當(dāng)ARM主頻為180MHz時(shí)，CS3低電平脈寬約為150ns。 |
