基于MPC8313E和FPGA的雙口RAM驅動開發

摘要 以MPC8313E芯片為平臺，介紹了一個基于嵌入式Linux探作系統的雙口RAM設備驅動。通過該設備驅動搭建Linux服務器，利用緩存技術實時讀取FPGA雙口RAM數據，最終實現將海量圖像數據高速上傳至PC端。
關鍵詞 嵌入式系統；Linux設備驅動；雙口RAM

在眾多操作系統中，Linux操作系統以其獨有開放性和靈活性成為重要的系統之一，因而開發Linux設備驅動具有重要意義。Linux設備驅動是在Linux內核下硬件設備和上層應用程序的紐帶，使得應用程序只需調用系統軟件的應用程序編程接口(API)就可以完成對硬件設備的操作。作為一個橋梁，其在實現具體功能的過程中發揮著重要的作用，接口豐富的驅動，設備程序對工程的開發有著重要的意義。Linux對所有連接在系統上的設備都會使用一個設備驅動程序，這個基本設備驅動指令成為了內核的一部分。通過使用設備驅動程序文件，設備對系統來說變成了一個可以尋址、重定向并通過管道符導向的普通文件。

1 雙口RAM讀寫設備驅動的開發背景
在基于MPC8313E的大容量視頻存儲系統中，系統需要實現通過千兆以太網接口與上位機進行通信，按上位機發送的命令解析后送給FPGA，進而通過FPGA發出的曝光脈沖控制高速相機MC1362工作。當存儲任務完成后，FPGA將存儲陣列中的數據讀入雙口RAM并傳至MPC8313E中，Linux端服務器利用千兆以太網接口將數據上傳到上位機中，由上位機完成圖像還原。
在構造大容量高速上傳通道的過程中，系統采用飛思卡爾MPC8313E芯片，該芯片有兩個增強型三速(10／100／1 000 Mbit·s-1)以太網控制器，支持IEEES02．3協議，同時該芯片還支持16／32位的DDR SDRAM數據接口，最高支持333 MHz的數據頻率，512 MB可尋址空間以及4個直接存儲器訪問(DMA)通道，可以滿足系統設計要求。該驅動設備主要實現從FPGA雙口RAM中乒乓讀取圖像數據信息，利用掛載在MPC8313E總線上的FPGA完成數據上傳，同時也需要解析上位機命令后傳遞給FPGA。

2 Linux驅動模塊的程序設計基礎
在Linux／μClinux的框架結構中，和設備相關的處理可以分為兩個層次：文件系統層和設備驅動層。設備驅動層屏蔽具體設備細節，文件系統層則向用戶提供一組統一、規范的用戶接口。這種設備管理方法可以很好地做到“設備無關性”，使Linux可以根據硬件外設的發展進行擴展。

Linux系統允許內核以模塊的方式加載設備，這大幅提高了Linux設備結構的多樣性，同時可以通過裁剪內核減少系統不必要的開支，提高工作效率。一般情況下，Linux內核的驅動模塊通常只實現一個驅動程序，因此它可以分類，在Linux操作系統中有3類主要的設備文件系統：塊設備、字符設備和網絡設備。
字符設備：可以像文件一樣訪問字符設備，這樣的驅動程序通常會實現如open、close、read和write系統調用。
塊設備：是文件系統的宿主。Linux允許像字符設備一樣讀取塊設備，允許一次傳輸任意數量的字節。結果塊設備與字符設備只在蔭核內部的管理上有所區別，即在內核／驅動的軟件接口上有所區別。
網絡設備：任何網絡設備都是通過接口實現的，既可以和其他宿主交換數據設備。通常情況下，接口是一個硬件設備，但也可以像look back(回路)接口一樣是軟件工具。網絡設備面向網絡協議而不是文件系統層。