基于FPGA嵌入式系統的設備驅動開發

摘要：基于FPGA 嵌入式系統，在PowerPC 架構的Linux2.6 操作系統環境下，對通用輸入輸出接口(GPIO)控制器的驅動，采用平臺設備機制進行中斷控制管理。通過該管理機制，將GPIO 設備本身的資源注冊進內核，由內核統一管理。在參照Linux2.6 內核源碼有關平臺設備驅動的基礎上，編寫和測試了GPIO 設備的驅動程序。該驅動程序已在Xilinx 公司FPGA 開發板ML403 上驗證，并且穩定運行。

從Linux 2.6 起引入了平臺設備機制，即platform device driver 機制，Linux 中大部分設備驅動都可以使用這套機制[1]。和傳統的device driver 機制(通過driverregister 函數進行注冊)相比，十分明顯的優勢在于platform 機制將設備本身的資源注冊進內核，由內核統一管理，在驅動程序中使用這些資源時通過platform device 提供的標準接口進行申請并使用[2]。這樣提高了驅動和資源管理的獨立性，并且擁有較好的可移植性和安全性。文中討論的GPIO 設備具有雙重身份：平臺設備與混雜設備(miscdevice)。平臺設備意味著GPIO控制器設備是屬于平臺的獨立模塊；混雜設備(即主設備號為10)是一種特殊的字符型設備，描述了GPIO 控制器的訪問方式是順序的[1]。

1 Linux中平臺設備驅動開發流程

ML403 開發板采用vertex-4 系列FPGA，集成了PowerPC405 硬核，帶有內核管理單元（MMU），因此可以在該開發板上運行Linux2.6 操作系統。在嵌入式Linux2.6 操作系統中，通過Platform 機制，對外設進行管理。開發設備驅動的流程如圖1 所示：

1.1 定義platform_device

在Linux 2.6 內核中platform 設備用結構體platform_device 來描述，該結構體定義在kernel\include\linux\platform_device.h 中：
struct platform_device {
const char * name; //平臺設備的設備名
u32 id; //平臺設備的設備ID
struct device dev; //設備結構體
u32 num_resources; //平臺設備使用的各類資源數
量
struct resource * resource; //資源
};

該結構一個重要的元素是resource，它存入了最為重要的設備資源信息。在嵌入式開發工具EDK 中生成BSP( 板級支持包)的時候有一個設備參數頭文件xparameter.h，里面定義了相關設備的設備數量、地址資源、中斷資源和時鐘資源等。在添加平臺設備信息的時候需要用到該頭文件中定義的地址信息和中斷信息，Xilinx 公司的Virtex-4 平臺設備是kernel/arch/ppc/syslib/virtex_devices.c 中定義的，在編寫驅動之前，需要在該文件中添加有關GPIO 控制器的設備定義：
/*
* ML300/ML403 Gpio Device: shortcut macro for single instance
*/
#define XPAR_GPIO(num) { \
.name = "xilinx_gpio", \
.id = num, \
.dev.platform_data=XPAR_GPIO_##num##
_IS_DUAL, \
.num_resources = 2, \
.resource = (struct resource[]) { \
{ \
.start=XPAR_GPIO_##num##_B
ASEADDR, \

.end=XPAR_GPIO_##num##_HI
GHADDR, \
.flags = IORESOURCE_MEM, \
}, \
{ \
.start=XPAR_INTC_0_GPIO_##n
um##_VEC_ID, \
.flags = IORESOURCE_IRQ, \
}, \
}, \
}
/* GPIO instances */
#if defined(XPAR_GPIO_0_BASEADDR)
XPAR_GPIO(0),
#endif
#if defined(XPAR_GPIO_1_BASEADDR)
XPAR_GPIO(1),
#endif
#if defined(XPAR_GPIO_2_BASEADDR)
XPAR_GPIO(2),
#endif

上述的代碼定義了GPIO 設備名稱——xilinx_gpio，XPAR_GPIO 平臺設備結構中name 元素和設備驅動的platform_driver 結構體中的driver.name 必須是相同的。這是因為在平臺設備驅動注冊時會對所有已注冊的platform_device 中的name 和當前注冊的platform_driver 的driver.name 進行比較，使得platfrom_device 和platform_driver 建立關聯，只有找到相同的名稱的platfomr_device 才能注冊成功。在平臺設備的描述中GPIO 設備定義了2 個資源，一個是I/O空間資源，描述了GPIO 控制器設備所占用的總線地址范圍，IORESOURCE_MEM 表示第1 組描述的是內存類型的資源信息；另一個是中斷資源，描述了設備的中斷號，IORESOURCE_IRQ 表示第2 組描述的是中斷資源信息，設備驅動會根據類型來獲取相應的資源信息。本文共用到三個GPIO 設備XPAR_GPIO(0)，XPAR_GPIO(1)，XPAR_GPIO(2)。