接口设计 - 一种基于ARM＋FPGA的高精度数据采集系统设计

2．2、ARM与FPGA的接口设计

本系统核心采用ARM和FPGA的组合方式，在ARM和FPGA之间采用3片双口RAMIDT7205进行24BIT数据传输，其中，FPGA器件控制A／D转换，并将转换数据按照一定顺序存储到双口RAM中，当数据存储完后将中断ARM，ARM将双口RAM中的数据进行读取，比使用FIFO传输的方案降低了成本、提高了数据传输的吞吐量。

本系统中FPGA的设计作用如下：复位并配置ADS1278的工作模式，FPGA内部设置一个地址加法器控制将A／D转换器的数据写入双口RAM中，当双口RAM写满后，大小24KB，地址加法器复位。ARM与FPGA的接口方式有很多种，如IIC、SPI等串行接口或总线等并行接口，串行接口由于本身的局限性限制了其在大数据量、实时数据的传输的应用，而总线的形式更合理一些，稳定性较之更好一点。但ARM与FPGA通过地址、数据、控制总线直接连接的方式在大数据传输时会影响系统的效率，因此，在ARM与FPGA之间采用双口RAM进行连接的方式，ARM与FPGA异步工作，提供了系统的效率。其接口如图3所示。

图3  ARM与FPGA的接口

FPGA的控制信号ＷR、RD、ｎRESET与双口RAMIDT7205的复位信号RS、读写信号ＷR和RD连接，数据总线D0～D23与双口RAM的数据总线连接，FPGA通过内部地址加法器依次将将A／D转换器的数据串并转换后写入双口RAM中。双口RAM的EF、HF信号分别与PＸA270的GPIO0和GPIO1连接，接受数据写满后产生的中断。PＸA270提供6个分区的静态存储器BAｎK0～BAｎK5，设计将双口RAM的存储空间映射到PＸA270的BAｎK3上。

3、驱动程序设计

为了实现ARM与FPGA通过双口RAM的数据传输，需要设计嵌入式LIｎｕｘ下的驱动程序。当FPGA将数据写到双口RAM中，根据双口RAM中数据的状态中断ARM处理器进行数据读取。这一过程主要需要中断和总线驱动程序配合。

在中断驱动程序中，通过REｑｕEST＿IRｑ（）函数为双口RAM的中断分配中断请求（IRＱ）号，当处理器检测到这一IRＱ号对应的中断产生时，将启动该IRＱ对应的中断服务例程［９］。IRＱ号与中断处理例程是一一对应的，在系统／PORC／IｎTERRｕPTS文件中可以为设备选择IRＱ号。FP－GA将A／D转换的数据写入双口RAM后，当数据写满后会中断ARM处理器，ARM会响应中断处理例程，读取双口RAM中的数据。中断处理例程首先要清除PＸA270的中断寄存器相应的位，需要通过对状态寄存器相应位进行写操作，这是为了能够继续响应双口RAM产生的中断。然后是设置数据传输标志位，当主程序中检测到标志位，进而调用总线驱动程序进行数据传输，这种工作方式可以避免中断处理例程的冗长，提高系统传输效率。

由于应用程序工作在用户空间，它无法完成对总线的操作，而驱动程序工作在内核空间，可完成对总线的操作，因此，在总线驱动程序中，必须支持应用程序对总线的操作，以完成数据的传输。传统的LIｎｕｘ应用程序需要通过总线驱动程序完成对总线空间的访问方法是通过2个函数完成用户空间与内核空间之间的数据传递，其中内核空间向用户空间传输数据使用COPｙ＿FROM＿ｕSER函数，用户空间向内核空间传输数据使用COPｙ＿TO＿ｕSER函数。COPｙ＿FROM＿ｕSER，COPｙ＿TO＿ｕSER等。这种方法虽然能完成2个空间的数据传输，但是效率不高，最好的方法是将内核空间能访问的物理地址直接映射到用户空间，LIｎｕｘ内核提供了REMAP＿PAGE＿RAｎGE函数，应用程序对该用户空间的地址访问相当于直接对物理地址的访问。本文的总线驱动程序就是直接映射的方法，来完成快速的读写。

下面是驱动程序代码段，它使用REMAP＿PAGE＿RAｎGE（）函数在驱动程序中完成MMAP系统调用中物理空间到虚拟空间的映射，REMAP＿PAGE＿RAｎGE（）函数原型如下：

IｎTREMAP＿PAGE＿RAｎGE（ｖMA＿AREA＿STRｕCT＊ｖMA，ｕｎ－SIGｎEDLOｎGFROM，ｕｎSIGｎEDLOｎGTO，ｕｎSIGｎEDLOｎGSIｚE，PG－PROT＿TPROT）；

REMAP＿PAGE＿RAｎGE（）函数的调用需要初始化。

虚拟内存空间指针ｖMA、起始地址、物理地址、映射区域字节数等参数。首先计算物理地址，然后通过右移PAGE＿SHIFT位，本系统使用PＸA270的BAｎK3的物理空间，起始地址0ｘ0C000000，大小为4KB映射到虚拟空间。驱动程序中，还需要判断虚拟内存大小和偏移了指定距离后物理内存的大小，如果虚拟内存过大，应该返回并提示映射超出允许的内存空间。

调用REMAP＿PAGE＿RAｎGE（）函数过程如下：REMAP＿PAGE＿RAｎGE（ｖMA，ｖMA－＞ｖM＿START，0ｘ0C000000＋ｖMA－＞ｖM＿PGOFF＜＜PAGE＿SHIFT，ｖMA－＞ｖM＿EｎD－ｖMA－＞ｖM＿START，PGPROT＿ｎOｎCACHED（ｖMA－＞ｖM＿PAGE＿PROT））；