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磐滕
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1 第 39 卷第 4 期西南师范大学学报 ( 自然科学版 ) 2014 年 4 月 Vol.39 No. 4 JournalofSouthwestChinaNormalUniversity(NaturalScienceEdition) Apr 文章编号 : (2014) 嵌入式 Linux 下 FPGA 与 ARM 1 处理器 DMA 数据采集程序设计王小平, 王万刚, 蔡川重庆城市管理职业学院, 重庆摘要 : 在嵌入式系统的高速数据采集过程中, 往往需要使用到 FPGA 与 ARM 之间的 DMA 技术, 这其中,FPGA 在嵌入式 Linux 下的 DMA 驱动程序是难点. 介绍了在实际工作的过程中, 如何实现 FPGA 的 DMA 驱动, 完成从 FPGA 中采集红外热图数据的实时传输. 关键词 : 嵌入式 ;Linux;ARM;DMA; 红外热成像中图分类号 :TP391.8 文献标志码 :A 在基于 ARM 加 FPGA 的红外热成像系统中, 图像数据经 FPGA 处理之后, 通过数据总线传给 ARM 处理器进行后续处理. 在此过程中, 如何将 FPGA 处理之后的数据实时读取到 ARM 中是开发过程中的一个关键点. 在此, 我们根据项目的实际情况, 设计了基于 ARM-Linux 的 DMA 数据采集驱动程序, 实现了图像数据的采集. 1 系统硬件组成该系统硬件部分主要由红外焦平面探测器驱动电路 FPGA 图像数据处理电路 ARM 嵌入式系统 [2-3] 电源电路及其他接口电路组成. 系统结构图如图 1 所示. 目标物体经探测器及驱动电路之后, 形成未经校正的红外热图数据, 在 FPGA 中对采集的热图数据进行校正增强处理, 形成对比度较好的灰度图像数据并缓存在 FIFO 中, 同时向 ARM 端发送一个图像数图 1 红外热成像系统硬件框图据准备好中断信号.ARM 收到中断信号之后, 启动 DMA 传输, 将图像灰度数据读取到 ARM 嵌入式系统的存储器, 以便于送 LCD 显示或者做进一步处理. 2 FPGA 与 ARM 之间的接口在本系统中, 我们采用了 ACTEL 的 FPGA 芯片. 在 FPGA 处理电路中, 使用两片 8 位 SRAM 芯片构 [4] 成 16 位 FIFO.FPGA 处理电路与 ARM CPU(S3C2440A) 的接口如图 2 所示. FPGA 部分构成 20 位地址总线, 连接在 ARM 的 A1-A20;16 位数据总线分别连接在 ARM 数据总线 1 收稿日期 : 基金项目 : 重庆市科委重点攻关项目 (CSTC2011AB2008). 作者简介 : 王小平 (1973 ), 男, 四川阆中人, 硕士, 副教授, 主要从事嵌入式系统方面的应用研究.

2 2 西南师范大学学报 ( 自然科学版 ) htp://xbbjb.swu.cn 第 39 卷的低 16 位 ; 片选信号连接在 ARM 的 ngcs1; 中断信号连接在 ARM 的外部中断 EINT4; 读写信号与 ARM 的读写信号对应相连. 图 2 FPGA 与 ARM 的接口 3 嵌入式系统中 DMA 及中断系统原理 DMA [2,6] 是直接存储器访问 (DirectMemoryAccess) 技术的简写, 指在数据传送过程中, 不需要 CPU 的参与, 这种方式可以大大提高数据传输效率.DMA 传输在实现的过程中, 往往会结合中断使用. 通常,CPU 初始化 DMA 控制器 ( 包括选择 DMA 通道, 数据传输的源地址目的地址传输字节数传输模式 ), 然后启动 DMA 开始传输, 这时 CPU 就空闲下来, 可以去处理其他事情. 待 DMA 传输完成之后,DMA 控制器会向 CPU 提出 DMA 结束中断, 这时,DMA 再响应该中断, 将目标地址中的数据取走, 完成一次传输. 4 嵌入式 Linux 中 DMA 驱动程序的实现 [5] 在嵌入式 Linux 系统中 ( 以 Linux 内核为例 ),FPGA 的驱动程序是一个字符设备驱动程序. 在驱动程序中, 需要实现的接口函数包括 dma_read,dma_write,dma_ioctl,dma_init,dma_exit 等. 驱动程序的流程如图 3 所示 : 图 3 DMA 数据传输流程系统加载后, 驱动程序进行初始化, 完成 ARM 相关寄存器及存储区域的映射, 进行中断系统的初始化, 配置外部中断 4 的触发方式, 进行 DMA 控制器的初始化, 设置 DMA 通道号源地址, 申请 DMA 传输内存并获得该内存的线性地址 ( 用于作为 DMA 传输的目标地址 ), 允许 DMA 传输结束中断请求等, 这时, 一切初始化准备就绪. 在本系统中, 应用程序需要等到 FPGA 发出数据准备好中断后才读取, 要处理数据准备好中断和 DMA 传输结束两个中断. 所以, 应用程序发出读命令后, 会阻塞下来, 直到外部中断

3 第 4 期王小平, 等 : 嵌入式 Linux 下 FPGA 与 ARM 处理器 DMA 数据采集程序设计 3 ( 数据准备好 ) 到来, 启动 DMA 传输. 这时, 进程再次阻塞, 直到 DMA 传输结束中断到来, 应用程序将目标地址中的数据取走后, 一次读取 ( 一帧数据 ) 操作结束. 当应用程序进行下一次读取时, 重复上述过程. 部分关键代码如下 : staticirqreturn_tdma_finish_handler(intirq,void *dev_id)//dma 传输结束 dma_finish=1; wake_up_interruptible(&dma_waitq);// 唤醒应用程序取走数据 ClearPending(DMA3_BIT); returnirq_handled; staticirqreturn_tirq_int4_handler(intirq,void *dev_id)// 数据准备好中断 disable_irq_nosync(irq_eint4); *reintpnd=1 4; ClearPending(EINT4_BIT); int4_come=1; wake_up_interruptible(&int4_comeq); // 通知进程数据准备好 enable_irq(irq_eint4); returnirq_handled; staticsize_tdma_read(structfile*filp,constchar user*buf,size_tcount,lof_t*f_pos)//read 函数 unsignedchar*p=(unsignedchar*)dest; int4_come=0; wait_event_interruptible(int4_comeq,int4_come==1);// 等待数据准备好中断 // 以下为配置 DMA 传输的相关参数 dma_finish=0; dma_regs disrc=fpga_data_base;//dma 传输源地址 dma_regs disrcc=0; // dma_regs didst=dest_phy; //DMA 传输目标地址 dma_regs didstc=0; dma_regs dcon=(1 30) (1 29) (1 28) (1 27) (1 22) (BUSIZE/4);//DMA 工作方式 dma_regs dmasktrig=(1 1) (1);// 启动 DMA 传输 wait_event_interruptible(dma_waitq,dma_finish==1);// 等待 DMA 传输结束 if(copy_to_user(buf,p,count))// 复制到用户空间 ( 略去次要内容 ) 5 测试程序实现在测试程序中, 构建一个循环程序, 循环读取即可. 关键代码如下 : While(1)

4 4 西南师范大学学报 ( 自然科学版 ) htp://xbbjb.swu.cn 第 39 卷 nreadfromfpga=read(fd_fpga,(char*)buf,ntoread);// 读取数据到 buf 6 测试效果及结论样机参数 : 探测器采用 384*288 面阵的红外热成像探测器,FPGA 采用 ACTEL A3P1000FPGA, 4MB FIFO, S3C2440A 处理器, 主频运行在 200MHz, 数据采集后通过以太网以 TCP 方式传输到 PC 机, 以 BMP 方式显示, 通过样机验证, 能准确实时传输图像数据, 效果如图 4. 在 TCP 传输的条件下, 我们统计了 10 分钟收到的数据量为 MB, 平均每秒能够传输图像帧数为 *1024*1024/(384*288* 60*10)= 27.8 帧, 数据率为 2.93M 字节每秒, 基本满足大多数实时应用场合的要求. 图 4 传输显示效果参考文献 : [1] 司孝平. 基于 SDRAM 的 FPGA 实时图像采集系统的设计 [J]. 西南大学学报 : 自然科学版,2011,33(1): [2] 何琼, 陈铁, 程鑫.DMA 在高速实时数据采集系统中的应用 [J]. 仪表技术与传感器,2012(3): [3] 代耀东, 苏彦辰. 基于 FPGA 的高速数据采集系统设计 [J]. 四川兵工学报,2012(6): [4] 龙再川, 赵凯生, 洪明坚, 等.ARM 系统中 DMA 方式在数据采集中的应用 [J]. 国外电子元器件,2007,2(2): [5] ( 美 ) 科波特.LINUX 设备驱动程序 [M].3 版. 北京 : 中国电力出版社,2006. OnDMADataColectionProgram DesignBetween FPGAandARM ProcessorinEmbeddedLinux WANG Xiao-ping, WANG Waṉgang, CAI Chuan ChongqingCityManagementVocationalColedge,Chongqing401331,China Abstract:Inhigẖspeeddataacquisitionprocessinembeddedsystems,itisoftenneededtousetheDMA technologybetweenthefpga and ARM,in which DMA driverfpga embeddedlinuxisthedificult point.inthispaper,afpga-dmadrivershasbeenrealizedtocompleteacolectionofreaḻtimetransmissionoftheinfraredimagedatafrom FPGA. Keywords:embeddedsystems;Linux;ARM;DMA;infraredthermalimaging 责任编辑汤振金

5 第 4 期王小平, 等 : 嵌入式 Linux 下 FPGA 与 ARM 处理器 DMA 数据采集程序设计 5

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