基于ARM和FPGA的高速圖像數(shù)據(jù)采集板設(shè)計(jì)

2.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸接口設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的以太網(wǎng)控制器為臺(tái)灣亞信公司推出的一款Non-PCI千兆以太網(wǎng)控制芯片AX88180.其內(nèi)置1000Mbps以太網(wǎng)媒體存取控制器(MAC);它可以十分方便地實(shí)現(xiàn)與一般16/32位微處理器連接，并且可以像SRAM一樣被訪問;它有40KBytesSRAM網(wǎng)絡(luò)封包緩存器。它符合IEEE802.3/IEEE802.3u/IEEE802.3ab協(xié)議，可廣泛應(yīng)用于各種消費(fèi)電子和家庭網(wǎng)絡(luò)市場或要求更高的網(wǎng)絡(luò)帶寬連接，如數(shù)字媒體、家用網(wǎng)關(guān)及IP電視等。

嵌入式芯片S3C2440A、以太網(wǎng)控制器AX88180及物理層芯片88E1111的接口電路圖如圖3所示。

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S3C2440A與AX88180之間采用總線方式相連，地址總線A2~A15、數(shù)據(jù)總線D0~D31、讀寫信號(hào)等可以直接連接，AX88180中斷信號(hào)與S3C2440A EINT11相連，AX88180的40M~100M時(shí)鐘信號(hào)由S3C2440A提供，整個(gè)接口電路無需外加電路;AX88180與PHY芯片之間采用簡化千兆比特媒體RGMII接口，信號(hào)對應(yīng) 相連，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送底層協(xié)議[5].

3.Linux驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

FPGA作為ARM的外設(shè)，需要設(shè)計(jì)它在Linux下的驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)與硬件之間的接口，它為應(yīng)用程序屏蔽硬件的細(xì)節(jié)。硬件系統(tǒng)只有和高效可靠的驅(qū)動(dòng)程序相結(jié)合才能在操作系統(tǒng)下正常工作。

Linux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序需要完成如下功能：

①對設(shè)備進(jìn)行初始化和釋放。

②提供各類設(shè)備服務(wù)。

③負(fù)責(zé)內(nèi)核和設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。

④檢測和處理設(shè)備工作過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

Linux下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序被組織成一組完成不同任務(wù)的函數(shù)集合，通過這些函數(shù)使Windows的設(shè)備操作猶如文件一般。

Linux將設(shè)備分為字符設(shè)備和塊設(shè)備兩類。我們使用的是字符設(shè)備。驅(qū)動(dòng)程序的模塊化我們先不做介紹，我們主要介紹Linux下的中斷[6].Linux將中斷處理程序分解成兩個(gè)半部：上半部和下半部。上半部完成盡可能少的比較緊急的功能，下半部用來完成中斷事件的絕大部分任務(wù)。因?yàn)橹袛嗟暮臅r(shí)工作在這里完成，所以將讀取數(shù)據(jù)放在下半部完成。Linux系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)下半部采用的機(jī)制主要有tasklet、工作隊(duì)列和軟中斷。許多設(shè)備涉及到中斷操作，因此，在這樣的設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序中需要對硬件產(chǎn)生的中斷請求提供中斷服務(wù)程序。與注冊基本入口點(diǎn)一樣，驅(qū)動(dòng)程序也要請求內(nèi)核將特定的中斷請求和中斷服務(wù)程序聯(lián)系在一起。在Linux中，用request_irq()函數(shù)來實(shí)現(xiàn)請求：

int request_irq(unsigned intirq,void(*handler)int,unsigned longtype,char*name);

參數(shù)irq為要中斷請求號(hào)，參數(shù)handler為指向中斷服務(wù)程序的指針，參數(shù)type用來確定是正常中斷還是快速中斷(正常中斷指中斷服務(wù)子程序返回后，內(nèi)核可以執(zhí)行調(diào)度程序來確定將運(yùn)行哪一個(gè)進(jìn)程;而快速中斷是指中斷服務(wù)子程序返回后，立即執(zhí)行被中斷程序，正常中斷type取值為0,快速中斷type取值為SA_INTERRUPT)，參數(shù)name是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的名稱。

我們的中斷處理函數(shù)是：

void fpgalc12_interrupt(int irq,void*dev_id,struct pt_regs*regs)。

Irqflags是中斷處理的屬性，若設(shè)置了SA_INTERRUPT,則表示中斷處理程序是快速處理程序，快速處理程序被調(diào)用時(shí)屏蔽所有中斷，而慢速處理程序不屏蔽。dev_id在中斷共享時(shí)會(huì)用到，一般設(shè)置為這個(gè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)體或NULL.request_irq()返回0表示成功，返回-INVAL表示中斷號(hào)無效或處理函數(shù)指針為NULL,返回-EBUSY表示中斷已經(jīng)被占用且不能共享。這兩個(gè)函數(shù)分別要在初始化和釋放模塊中加載。

要在Linux申請了中斷通道后，系統(tǒng)會(huì)響應(yīng)外部中斷IRQ_EINT0,從而進(jìn)入中斷處理序。中斷處理程序功能就是將有關(guān)中斷接收的信息反饋給設(shè)備，并根據(jù)要服務(wù)的中斷的不同含義相應(yīng)地對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫[7-8].所以FPGA中斷處理的主要任務(wù)是：FIFO在接收到AD轉(zhuǎn)換來的數(shù)據(jù)后，向ARM發(fā)出中斷請求信號(hào)，讓ARM來讀取FPGA中FIFO狀態(tài)寄存器的值，獲取需要信息并安排接受數(shù)據(jù)，然后寫狀態(tài)寄存器清除相關(guān)中斷位以繼續(xù)響應(yīng)中斷，保證數(shù)據(jù)的有效傳輸。

中斷處理程序的第一步是要先清除S3C2440A的中斷懸掛寄存器和中斷源寄存器相應(yīng)的位。這是為了能夠繼續(xù)響應(yīng)FPGA產(chǎn)生的中斷。為了能夠讓FIFO能及時(shí)的接收到新數(shù)據(jù)，把寫狀態(tài)寄存器放到中斷的一開始，即第二步就是寫狀態(tài)寄存器相應(yīng)位，通過置1清除狀態(tài)使AD中斷能夠繼續(xù)產(chǎn)生。最后讀取FIFO的數(shù)據(jù)。使用中斷后數(shù)據(jù)的傳輸效率大大得到提高，能夠滿足實(shí)際的采集需要。

4.結(jié)束語

本方案中的采集板充分利用了ARM的靈活性和FPGA的并行性的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了適用于高速數(shù)據(jù)采集板的設(shè)計(jì)。方案采用S3C2440A作為主控芯片，通過千兆以太網(wǎng)接口實(shí)時(shí)地將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)PC機(jī)，上位機(jī)可實(shí)時(shí)控制目標(biāo)數(shù)據(jù)采集。FPGA芯片在控制A/D轉(zhuǎn)換芯片的同時(shí)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SRAM中，并通過DMA接口與S3C2440A進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)驗(yàn)表明，本采集板的實(shí)時(shí)性和高速性能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，可廣泛應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。