基于MPC8313E和FPGA的双口RAM驱动开发

摘要 以MPC8313E芯片为平台，介绍了一个基于嵌入式Linux探作系统的双口RAM设备驱动。通过该设备驱动搭建Linux服务器，利用缓存技术实时读取FPGA双口RAM数据，最终实现将海量图像数据高速上传至PC端。
关键词 嵌入式系统；Linux设备驱动；双口RAM

    在众多操作系统中，Linux操作系统以其独有开放性和灵活性成为重要的系统之一，因而开发Linux设备驱动具有重要意义。Linux设备驱动是在Linux内核下硬件设备和上层应用程序的纽带，使得应用程序只需调用系统软件的应用程序编程接口(API)就可以完成对硬件设备的操作。作为一个桥梁，其在实现具体功能的过程中发挥着重要的作用，接口丰富的驱动，设备程序对工程的开发有着重要的意义。Linux对所有连接在系统上的设备都会使用一个设备驱动程序，这个基本设备驱动指令成为了内核的一部分。通过使用设备驱动程序文件，设备对系统来说变成了一个可以寻址、重定向并通过管道符导向的普通文件。

1 双口RAM读写设备驱动的开发背景
    在基于MPC8313E的大容量视频存储系统中，系统需要实现通过千兆以太网接口与上位机进行通信，按上位机发送的命令解析后送给FPGA，进而通过FPGA发出的曝光脉冲控制高速相机MC1362工作。当存储任务完成后，FPGA将存储阵列中的数据读入双口RAM并传至MPC8313E中，Linux端服务器利用千兆以太网接口将数据上传到上位机中，由上位机完成图像还原。
    在构造大容量高速上传通道的过程中，系统采用飞思卡尔MPC8313E芯片，该芯片有两个增强型三速(10／100／1 000 Mbit·s-1)以太网控制器，支持IEEES02．3协议，同时该芯片还支持16／32位的DDR SDRAM数据接口，最高支持333 MHz的数据频率，512 MB可寻址空间以及4个直接存储器访问(DMA)通道，可以满足系统设计要求。该驱动设备主要实现从FPGA双口RAM中乒乓读取图像数据信息，利用挂载在MPC8313E总线上的FPGA完成数据上传，同时也需要解析上位机命令后传递给FPGA。

2 Linux驱动模块的程序设计基础
    在Linux／μClinux的框架结构中，和设备相关的处理可以分为两个层次：文件系统层和设备驱动层。设备驱动层屏蔽具体设备细节，文件系统层则向用户提供一组统一、规范的用户接口。这种设备管理方法可以很好地做到“设备无关性”，使Linux可以根据硬件外设的发展进行扩展。

    Linux系统允许内核以模块的方式加载设备，这大幅提高了Linux设备结构的多样性，同时可以通过裁剪内核减少系统不必要的开支，提高工作效率。一般情况下，Linux内核的驱动模块通常只实现一个驱动程序，因此它可以分类，在Linux操作系统中有3类主要的设备文件系统：块设备、字符设备和网络设备。
    字符设备：可以像文件一样访问字符设备，这样的驱动程序通常会实现如open、close、read和write系统调用。
    块设备：是文件系统的宿主。Linux允许像字符设备一样读取块设备，允许一次传输任意数量的字节。结果块设备与字符设备只在荫核内部的管理上有所区别，即在内核／驱动的软件接口上有所区别。
    网络设备：任何网络设备都是通过接口实现的，既可以和其他宿主交换数据设备。通常情况下，接口是一个硬件设备，但也可以像look back(回路)接口一样是软件工具。网络设备面向网络协议而不是文件系统层。

3 双口RAM读写设备驱动设计
    介于以上第二部分的分析，双口RAM设备选择为块设备，以便传输任意数量的数据。同时该驱动设备基于Linux2．6．23内核开发，以模块的方式加载至内核中，其结构如图2所示。

    代码编写好后在正式编译前还要准备好内核头文件和库函数，这需要先编译一遍相应的内核，在2．6. 23内核源代码中将MPC8313RDB的配置文件用作默认配置，编译内核。完成后书写驱动的Makefile，然后连接目标扳，在NFS下调试设备驱动和应用程序。用户可以使用通过交叉编译得到的.ko文件通过insmod动态加载至内核中，也可以通过修改启动脚本文件，加电后自启动将驱动加载到内核中。

4 处理结果
    经过打包处理的图像数据通过MPC8313E的服务器上传至上位机后，按照图像格式进行拼图，每包数据含有42 240 Byte数据，每帧图像数据总量为1 280×1 024 Byte的图像像素点信息和附加区信息，共接收35包数据后就可还原一幅完整的图像。上位机在拼图时裁剪掉一部分数据，最终合成1 024×1 024 Byte的图像，如图3所示。

5 结束语
    双口RAM驱动程序是整个存储系统的核心模块，它对存储数据的上传速度和准确提取图像信息有重要的影响，通过对MPC8313E寄存器的配置和读写以及中断函数对硬件的控制来实现对RAM的读写，利用MPC8313E现有的接口和传输算法，最终实现图像信息的高速上传，验证得出上传数据最快可达104 Mbit·s-1，满足设计要求。