1、嵌入式Linux下ARM處理器與DSP的數(shù)據(jù)通信        摘要：本文通過(guò)一個(gè)開(kāi)發(fā)實(shí)例詳細(xì)說(shuō)明如何通過(guò)DSP的HPI接口與運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)的ARM架構(gòu)處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。給出接口部分的實(shí)際電路和ARM-Linux下驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程。    關(guān)鍵詞：設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 嵌入式Linux HPI ARM DSP1 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(lái)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(kāi)放的Linux與ARM

2、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(kāi)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(lái)，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(guò)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埽蜁?huì)最大限度的發(fā)揮三者所長(zhǎng)。2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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

3、的CPU板。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示（僅接口部分）。3 接口硬件部分設(shè)計(jì)31 HPI接口簡(jiǎn)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。HCNTL0和HCNTL1為訪問(wèn)控制選擇。用來(lái)確定主機(jī)（ARM）究竟對(duì)TMS320C6711中的哪一個(gè)HPI寄存器進(jìn)行處理。具體功能如表1所列。表1 HCNTL0和HCNTL1的功能HCNTL0HCNTL1功    能00主機(jī)對(duì)HPI控制寄存器（HPIC）進(jìn)行讀寫01主機(jī)對(duì)HPI地址寄存器（HPIA）進(jìn)行讀寫10主機(jī)對(duì)HPI數(shù)據(jù)寄存器（HPID）

4、地址自動(dòng)增加模式（Auto increment mode）進(jìn)行讀寫，對(duì)HPID讀寫后，地址寄存器（HPIA）自動(dòng)增加一個(gè)字地址（4字節(jié)地址）11主機(jī)對(duì)HPI數(shù)據(jù)寄存器（HPID）地址固定模式（Fixed mode）進(jìn)行讀寫。對(duì)HPID讀寫后，地址寄存器（HPIA）保持不變HR/W：讀寫選擇控制。為“1”表示是從DSP中讀，反之則為寫。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H

5、DS1、HDS2分別固定為高電平和低電平，這樣HCS就和HSTROBE完全一致。HSTROBE讀時(shí)序如圖3所示。32 接口電路ARM處理器通過(guò)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 00000x4FFF FFFF的外部設(shè)備進(jìn)行操

6、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)41 Linux驅(qū)動(dòng)程序簡(jiǎn)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(kāi)，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(guò)程中

7、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(lái)完成文件（Linux把外部設(shè)備也認(rèn)為是文件）的打開(kāi)、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=open:hpi_open,release:hpi_release,mmap:hpi_mmap,;其中，open和release完成設(shè)備的打開(kāi)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

8、注冊(cè)和卸載。42 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(wèn)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(lái)實(shí)現(xiàn)映射，即利用remap_page_range內(nèi)核函數(shù)（通過(guò)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(yè)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

9、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)vma->vm_flags|=VM_WRITE;if(remap_page_range(vma->vm_start,(0x40000000),vma->vm_end-

10、vma->vm_start,(_pgprot (pgprot_val(pgprot_noncached(vma->vm_page_prot)|(L_PTE_WRITE|L_PTE_DIRTY) /進(jìn)行映射return -1; /映射失敗return 0;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_pag

11、e_prot) |(L_PTE_WRITE|L_PTE_DIRTY)其中vma為結(jié)合vm_area_struct，在<linux/mm.h>中定義。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(shuō)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(guò)m

12、map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(shuō)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CSR3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_CSR3=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。43 驅(qū)動(dòng)程序的系統(tǒng)調(diào)

13、用接口為對(duì)處于總線地址0x4000_0000的DSP板進(jìn)行操作，首先應(yīng)用open打開(kāi)設(shè)備，該設(shè)備可以通過(guò)mknod建立（本例建立的是/dev/hpi）。然后mmap完成映射。Int dev_hpi_open(str_HPI *ss)size_t length=1024;int i;if(*ss).hpi_number=0)(*ss).hpi_fd=open("/dev/hpi",O_RDWR);if(*ss).hpi_fd=-1)return -1;(*ss).hpi_mmap_start =mmap(NULL,length,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP

14、_SHARED,(*ss).hpi_fd),0); /獲得映射區(qū)內(nèi)存的起始地址return 0; /dev_hpi_openmmap的作用是將文件內(nèi)容映射到內(nèi)存中。函數(shù)的原形及各參數(shù)定義如下：*mmap(void *start,size_length,int prot,int flags,intfd,off_t offset)start指向欲對(duì)應(yīng)的內(nèi)存地址，size-length的含義是要映射的量；prot代表映射區(qū)域的保護(hù)方式；flag會(huì)影響映射區(qū)域的各種特性；fd為文件描述符；offtoffset代表文件的偏移量，通常設(shè)置為零。示例程序中的結(jié)構(gòu)體變量ss用來(lái)總知各種變量。通過(guò)mmap可以獲

15、得映射后的內(nèi)存地址，用（*ss）.hpi_mmap_start表示。一旦獲得了這個(gè)起始地址，就能對(duì)0x4000_0000起始的總線地址進(jìn)行操作，因?yàn)橛成湟呀?jīng)完成，對(duì)（*ss）.hpi_mmap_start的操作就是對(duì)0x4000_0000起始的總線地址進(jìn)行操作，而DSP板HPI接口的控制線正是在這個(gè)位置。這樣就實(shí)現(xiàn)了物理地址和用戶空間的轉(zhuǎn)換。44 用戶程序接口部分下面以HPI接口讀寫中最復(fù)雜的自增讀方式用戶程序?yàn)槔f(shuō)明用戶接口程序的設(shè)計(jì)過(guò)程。要完成自增讀的操作，對(duì)于HPI一側(cè)，假設(shè)采用軟件握手的方式。要完成的工作如下：首先讀HPIC以查詢其中的HRDY位是否為1，如果為1則表示DSP中數(shù)據(jù)已經(jīng)

16、備妥。然后寫HPIA以告訴DSP從什么位置開(kāi)始進(jìn)行自增讀。接著將HPIC的FETCH位置1以刷新寫入。再讀HPIC以查詢其中的HRDY位是否為1，如果為1則表示DSP中數(shù)據(jù)已經(jīng)備妥。最后從HPID中讀取數(shù)據(jù)。對(duì)于ARM一側(cè)，要對(duì)HPIC、HPID、HPIA寄存器進(jìn)行讀寫必須滿足HPI接口的定義，具體如下（以自增讀為例）：讀前半字節(jié)（高16位）時(shí)，HCNTL0=0、HCNTL1=1、HR/W=1、HHWRL=0。讀后半字節(jié)（低16位）時(shí)，HCNTL0=0、HCNTL1=1、HR/W=1、HHWRL=0。從硬件的原理圖可知，這些HPI的控制口線分別與ARM的一部分地址總線連接。具體為HCNTL0-

17、A2、HCNTL1-A3、HR/W-A4、HHWIL-A5。宏定義過(guò)程如下：#define HPIC_R_F(HPI_VA_BASE)*(unsigned long*)(HPI_VA_BASE)+0x00000004+DSPNUMBER)/讀HPIC第一半字#define HPIC_R_S(HPI_VA_BASE)*(unsigned long*)(HPI_VA_BASE)+0x0000000C+DSPNUMBER)/讀HPIC第二半字等等，只要改變?cè)贖PI_BA_BASE基礎(chǔ)上增加的數(shù)字就可以獲取對(duì)控制口線的操作。    在這里HPI_VA_BASE將由映射得到

18、的用戶空間虛擬地址代替，所以如果“自增模式讀HPID第一半字”那么就可求滿足前文提到的HCNTL0=0、HCNTL1=1、HR/W=1、HHWRL=0，也就是要滿足地址位A2=0、A3=1、A4=1、A5=0，所以只要在HPI_VA_BASE的基礎(chǔ)上加0x0000_0006就可以了。要注意的是ARM處理器的地址是32位。所以是加上0x0000_0006而不是0x0000_0018。另外，還有二點(diǎn)需要說(shuō)明：通過(guò)改變宏定義中的DSPNUMBER常量可以控制地址總線A6、A7、A8。通過(guò)這3個(gè)總線組合并通過(guò)簡(jiǎn)單地址譯碼電路就可以完成對(duì)多塊DSP板的讀寫。在硬件電路中可以定義為0。A4（HR/W）同時(shí)

19、還用做SN74LVTH16245的方向控制。讀的時(shí)候A4=1,此時(shí)SN74LVTH16245的數(shù)據(jù)從A->B；反之，則從B->A。下面給出程序中的自增讀和注釋部分：int dev_hpi_auto1(str_HPI *ss)volatile unsigned long dsp_addr_hign_read_auto;/定義各種中間變量volatile unsigned long dsp_addr_low_read_auto;volatile unsigned long dsp_data_hign_read_auto;volatile unsigned long dsp_data_l

20、ow_read_auto;volatile unsigned long dsp_add_temp;int i;volatile unsigned long data_length;/-read hpic-the host polls the HPIC for HRDY=1volatile unsigned long polltest;polltest=HPIC_R_F(*ss).hpi_mmap_start);while(polltest&0x00000008)!=0x00000008)polltest=HPIC_R_F(*ss).hpi_mmap_start);dsp_add_tem

21、p=(*ss).hpi_dsp_add);/從應(yīng)用程序傳過(guò)來(lái)的參數(shù)，指明希望從DSP的哪一個(gè)地址讀起dsp_addr_low_read_auto=(dsp_add_temp)&0x0000ffff)+(dsp_add_temp)<<16); /完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換dsp_addr_hign_read_auto=(dsp_add_temp)&0xffff0000)+(dsp_add_temp)>>16);/-write dsp s addr to HPIAHPIA_W_F (*ss).hpi_mmap_start)=(dsp_addr_hign_read_auto);HPIA_W_S(*ss).hpi_mmap_start)=(dsp_addr_low_read_auto);/-write hpic-to FETCH bitHPIC_W_F(*ss).hpi_mmap_start)=0xfff8fff8;HPIC_W_S(*ss).hpi_mmap_start)=0xfff8fff8;/-read dsp s data from HPID,autoincrement modedata_l