频谱仪多种内核间通信机制的方案设计

       多核体系结构为性能提高和节能计算等领域开辟了新的方向。核与核之间的连接方式、通信协调方式等都是研究重点。本课题的研究基于手持式频谱分析仪系统平台，该系统采用的是ARM、DSP、FPGA的三核架构。各核心分别完成不同的任务，然后核心间进行参数发送、数据交换，实现系统功能。设计重点是解决核心间的通信问题。

1 ARM与DSP、FPGA通信的硬件设计

       手持式频谱仪中频信号处理板主要包括4个部分：模数转换器(AD9244)、FPGA(XS3C5000)、DSP(TMS320C6412)、ARM(AT91RM9200)。ARM在手持式频谱仪中的位置和作用如图1所示。

       ARM的硬件设计参考Atmel公司提供的评估板资料。主要包括以下几个单元电路的设计：电源电路、时钟电路、复位电路、启动模式选择电路、JTAG接口电路、Debug串口电路、外部扩展SDRAM电路、外部扩展NOR Flash(AM29LV320DB)电路、与DSP通信的HPI接口电路、与FPGA通信的SPI接口电路、连接温度传感器的I2C接口电路、以太网接口电路。

       1．1 HPI接口电路设计

       ARM与DSP的HPI总线采用16位数据通信，而且HPI总线是数据和地址复用的。ARM使用部分地址信号线与DSP的HPI总线控制信号相连，通过地址的变换来控制HPI总线。ARM与DSP的硬件连接如图2所示。其中ARM通过地址线A3、A2与DSP的HCNTL1、HCNTL0引脚的连接来选择对HPI C、HPIA、HPID各寄存器进行操作。通过A1与DSP的引脚HHWIL的连接来进行读写时半字的选择。通过A4与的引脚连接来选择读写。ARM通过PB9向DSP的GP11引脚发送握手信号，DSP通过GP12引脚中断ARM开始数据传输。

       1．2 SPI接口电路设计

       SPI接口是一种串行通信接口，它由4根信号线组成，其中SPCK、MOSI、MISO为复用，ARM通过片选信号NPCS来选择与不同的从器件通信。本课题中ARM通过SPI总线分别与中频板FPGA、源扫板FPGA通信。ARM与FPGA的硬件连接如图3所示。ARM为主机模式，其SPI接口的SPCK、MIS O、MOSI分别与从机FPGA的SCLK、MOSI、MISO连接。ARM共有4根片选线。这里采用NPCS1选择中频板FPGA，NPCS2选择源扫板FPGA。

2 多核间的通信机制

       2．1 ARM与DSP的通信机制

       ARM在Linux系统启动后，会先进行一系列的初始化，包括对HPI、SPI等通信接口的初始化以及重启DSP，实现时序上的同步。ARM在初始化完成后，会向DSP发送握手信号，即通过PB9向DSP的GP11口写入数据，表示ARM完成初始化，可以接收DSP的发送数据。而DSP完成数据处理以后，会等待ARM的握手信号，即不断访问GP11口是否收到数据。当DSP收到握手信号之后，会向GP12口写1以中断ARM主机的其他工作，以便ARM来读取DSP已处理好的数据。ARM收到中断信号以后，通过设置HCNTL0、HCNTL1对HPIC操作来清除中断，然后写HPIA以告诉DSP从什么位置开始进行自增读。然后DSP将数据从DMA传送到HPID中，ARM通过读HPID来获得数据。由于ARM与DSP的HPI接口是16位数据传输，所以要软件实现将两次读取的16位数据合并成32位，然后传给上层应用程序。ARM读取完数据后，向DSP的指定地址写入0xffffffff，通知DSP渎取成功，准备下次数据传输。

       ARM在接收到上层应用程序下发的命令后，通过对命令的解析、计算，得到各种参数．然后通过HPI下发给DSP。其流程是：首先通过HCNT L0、HCNTL1写HPIC寄存器，配置读写模式。然后写了HPIA寄存器，设置写入DSP的物理地址。通过连续写HPID寄存器来发送控制参数，最后写入0x5555aaaa，表示发送完毕。

       2．2 ARM与FPGA的通信机制

       ARM集成了SPI接口，通过SPI与FPGA进行数据通信。SPI总线的“单主机多从机”模式正适合本课题中ARM同时与中频板FPGA与源扫版FPG A的通信。ARM启动Linux系统后，先对SPI接口进行初始化，包括对PIO控制器编程，将SPI引脚分配给外设，配置PMC(电源管理控制器)以使能SPI时钟以及将ARM配置为主机模式。当上层软件下发命令后，ARM先将接收到的命令字进行解析，解析命令得到各种参数：经过计算后，通过SPI接口的片选NPCS来选择中频板FPGA或源扫板FPGA来下发参数。

       由于中频板FPGA和源扫板FPGA的功能各异，接收的参数也不尽相同，所以制定了不同的数据帧格式及发送规则。ARM向中频板FPGA每帧数据传送16位，传输频率为0．36 MHz。发送顺序为：路由码1、数据帧1、路由码2、数据帧2、结束码。ARM向源扫板FPGA每帧数据传送16位，传输频率为0．36 MHz。发送参数前都要先发送一个存储这个参数的虚拟地址，然后发送参数，顺序为：虚拟地址1、参数1、虚拟地址2、参数2、结束码。

3 嵌入式Linux设备驱动简介

       一套完整设备的软件系统开发可分为：应用程序、库、操作系统(内核)、驱动程序。Linux软件系统的层次关系如图4所示。驱动程序的作用存于连接软、硬件，即内核通过驱动程序来完成对硬件设备的操作。在Linux系统中，应用程序运行于“用户空间”，并不能直接操作硬件，这可以避免应用程序的错误使得整个系统崩溃。而驱动程序运行于“内核空间”，它是系统信任的一部分。所以应用程序要对硬件操作，就要首先使用库提供的系统调用来进入内核。内核匹配后，调用相应的驱动程序函数，从而完成对硬件的操作。

       Linux操作系统将所有的设备(而不仅是存储器里的文件)都看成文件，以操作文件的方式访问设备。应用程序不能直接操作硬件，而是使用统一的接口函数调用硬件驱动程序。在设计的驱动程序中，首先要根据驱动程序的功能完成file_operations结构中的函数实现，不需要的函数接口可以直接在file_operations结构中初始化为NULL。而file_operations结构变量会在驱动程序初始化时注册到系统内部。当操作系统对设备操作时，就会调用驱动程序注册的file_operations结构中相应的函数指针。

       对于Linux驱动的注册有两种方式：一种是直接编译到内核中，在系统启动时即对设备进行注册；另一种是以模块的方式注册设备，需要在系统启动后用命令对设备进行注册。后一种方式在系统开发期使用比较方便，不用在每次修改驱动程序后和内核一起进行编译，只需要将模块编译成后缀为，ko的模块文件，就可下载到开发板中直接使用。在本课题中，使用的是模块注册的方式，在项目开发期间可大大缩短开发时间。

4 Linux设备驱动的实现

对于编写一个Linux设备的驱动程序，大致的流程如下：

    ①查看原理图、数据手册，了解设备的操作方法。
    ②实现驱动程序的初始化，比如向内核注册这个驱动程序，这样应用程序传入文件名时，内核才能找到相应的驱动程序。
    ③设计所要实现的操作，比如open、close、read、write等函数。
    ④实现中断服务(不是必须的)。
    ⑤编译该驱动程序到内核中，或者用insmod命令加载。
    ⑥测试驱动程序。

       4．1 HPI设备驱动程序实现

       4．1．1 物理地址到虚拟地址的映射