嵌入式系统 第10章 综合创新实验

1、提纲l1、设计任务l2、设计分析l3、FPGA设计基础l4 模块分析l5 驱动设计l6 测试程序设计l7 GUI程序设计11. 设计任务l设计题目：FGPA扩展子板系统设计l设计内容: 扩展一块FPGA子板，合理选用FPGA器件。有效使用XSBase255扩展槽资源。扩展以下硬件资源：16键键盘、8个LED灯、拨码开关、2路A/D和D/A。2l设计要求 l合理选择各种元器件，包括FPGA、A/D、D/A芯片。l合理使用XSBase255开发系统扩展槽资源，设计原理图，要考虑子板和母板的安装。布局图： 3l软件测试要求：lLED显示lA/DlD/A lKeyPadl开关量输入 42. 设计分析设

2、计分析 l嵌入式系统项目开发流程要经历项目分析、设计和实现与维护四个阶段 l本设计： 前期准备 FPGA逻辑设计 设备驱动设计 驱动测试 GUI应用程序设计 53. FPGA3. FPGA设计基础设计基础 l可编程逻辑器件简介可编程逻辑器件简介 什么是FPGA？什么是CPLD？ FPGA与CPLD的主要区别 为什么要使用CPLD/FPGA？ 可编程逻辑器件有哪些？ 如何使用可编程逻辑器件进行开发？ 如何使用Xscale和FPGA进行开发？ 63.1 VHDL语言介绍语言介绍l随着EDA技术的发展，使用硬件描述语言（HDL）设计CPLD/FPGA成为一种趋势lVHDL的程序结构特点是将一项工程设

3、计，分成外部（端口)和内部（涉及实体的内部功能实现部分） lVHDL主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口，跟原理图有对应的关系 7l一个简单的VHDL例子 :ENTITY REG12 IS-外部端口定义：数据，时钟，输出 PORT(d: IN BIT_VECTOR(11 DOWNTO 0); clk : IN BIT; q : OUT BIT_VECTOR(11 DOWNTO 0);END REG12;-内部实体逻辑ARCHITECTURE a OF REG12 ISBEGIN PROCESS BEGIN WAIT UNTIL clk = 1; -等待时钟上升沿 q private_d

4、ata; /*判断是否设置了允许键盘产生中断*/ if (readb(f_b_p-ICNTR_VIR_ADDR) & KEY_EN ) /*如果设置了允许键盘产生中断，程序向下执行*/ if (filp-f_flags & O_NONBLOCK) /*如果设置了非阻塞就立刻返回*/ return -EAGAIN; wait_event_interruptible(f_b_p-key_readq, f_b_p-key_int_occur); /*睡眠点*/ f_b_p-key_int_occur = 0; value = (readb(f_b_p-KEY_VIR_ADDR) &a

5、mp; KEY_VALID_VAL); /*读取键值*/ copy_to_user(buff, &value, count); /*将键值返回给应用程序*/ 29lpoll方法分两步完成l第一步，poll方法需要将所有这些可让进程睡眠的事件队列都加入到poll_table结构的链表中 l第二步是返回一个用来描述操作是否可以立即无阻塞执行的位掩码 30lPoll方法代码如下： static unsigned int fpga_board_poll(struct file * filp, poll_table * wait) unsigned int mask=0; FPGA_BOARD

6、* f_b_p; f_b_p = filp-private_data; poll_wait(filp, &f_b_p-key_readq, wait); /*键盘 */ poll_wait(filp, &f_b_p-sw_readq, wait); /*拨码开关 */ poll_wait(filp, &f_b_p-ad_readq, wait); /*AD控制器 */ if (f_b_p-key_int_occur | f_b_p-sw_int_occur | f_b_p-ad_int_occur ) mask |= POLLIN | POLLRDNORM ; retu

7、rn mask;31lfasync方法l当应用程序修改文件描述符的FASYNC标志（filp-f_flags）时，该方法就会被调用。fasync方法代码如下： static int fpga_board_fasync( int fd, struct file * filp, int mode) FPGA_BOARD * f_b_p; f_b_p = filp-private_data; return fasync_helper(fd, filp, mode, &f_b_p-fasync); 32l中断处理函数l在注册中断号中，使用如下函数： 参数filp用于传递信息给中断处理函数，中断

8、处理函数通过参数dev_id接收l中断处理函数的代码，以键盘为例： request_irq(IRQ_GPIO(GPIO_X), board_irq_handle, SA_INTERRUPT | SA_SHIRQ , INT_OWNER, filp);33static void board_irq_handle(int irq, void * dev_id, struct pt_regs * regs) FPGA_BOARD * f_b_p; struct file * flip; char icntr_cur=0, iflag_cur=0; flip = (struct file *)dev_

9、id; f_b_p = (FPGA_BOARD *) flip-private_data; if (f_b_p-fasync) kill_fasync( &f_b_p-fasync, SIGIO, POLL_IN ); wake_up_interruptible(&f_b_p-key_readq); f_b_p-key_int_occur = 1; 34驱动的加载驱动的加载 l1.安装位置 l将以上的驱动程序文件放入嵌入式Linux的源代码目录中：driver/char/ l2.修改Makefilel在位于driver/char/目录下的Makefile文件中加入如下语句： o

10、bj-$(CONFIG_FPGA) += fpga_board_0.o fpga_board_1.o fpga_board_2.o fpga_board_3.o fpga_board_4.o 35l3.修改菜单文件l修改config.in文件，增加如下语句： dep_tristate ADS7843Touchcontroller CONFIG_FPGA $CONFIG_ARCH_XSBASE255dep_tristate FPGA_BOARD CONFIG_FPGA $CONFIG_ARCH_XSBASE255 /添加语句36l4.初始化FPGA扩展板的中断引脚 l修改 include/asm

11、-arm/arch-pxa/xsbase255.h，增加以下语句：l修改arch/arm/mach-pxa/xsbase255.c, 增加以下语句：#define IRQ_GPIO_EXTEND IRQ_GPIO(11)set_GPIO_IRQ_edge(IRQ_TO_GPIO_2_80(IRQ_GPIO_EXTEND), GPIO_RISING_EDGE);37l5.编译Linux内核 l进入Linux源代码目录中，执行make menuconfig，进入Linux内核配置菜单将FPGA扩展板的驱动加入内核中 l进入Character devices菜单 l选择“FPGA_BOARD” l编

12、译内核 make depmake zImage386. 6. 测试程序设计测试程序设计 l测试程序(应用程序)可以通过驱动提供的接口函数来操作设备文件结点来控制设备l6.1 设备文件lFPGA扩展板的设备文件为“fpga_board_x” l在应用程序中通过以下指令打开设备文件：open(/dev/fpga_board_x, O_RDWR); x可以具体指定为0,1,2,3,4396.2 操作命令字 l操作命令字是一些符号，通过ioctl系统调用，将这些符号传递到底层驱动程序，告诉驱动程序将要执行的操作 lFPGA扩展板上有五个部件：分别是灯，键盘，拨码开关，A/D控制器，D/A控制器，相应的

13、操作对象可以使用对象选择命令字来表示：LED、KEYBOARD、SWBOARD、DAC和ADC 40l如果需要操作扩展板上灯，键盘，拨码开关，可使用以下程序 ：int fd_key, fd_sw, fd_led；fd_key = open(/dev/fpga_board_0, O_RDWR)；fd_sw = open(/dev/fpga_board_1, O_RDWR)；fd_led = open(/dev/fpga_board_2, O_RDWR)；ioctl(fd_key,，KEYBOARD)；ioctl(fd_sw，SWBOARD)；ioctl(fd_led，LED)；41lselect

14、系统调用：是用在访问多个设备文件，但又不想阻塞于任何一个设备文件时使用 l异步通知：是应用程序中通过向系统注册一个信号，并且将该信号与某一处理函数相关联，当中断产生时，激发该信号，然后系统调用与该信号相关联的处理函数 lFPGA扩展板中只有键盘，拨码开关，A/D控制器才能使用异步通知，当使用异步通知前需要开启中断42lKEYBOARD对象lKEYBOARD对象命令字 l使用方式：l键盘的操作模式有查询和中断方式两种 ioctl(fd, KEYBOARD, KEYBOARD_READ_KEYVALUE)ioctl(fd, KEYBOARD, KEYBOARD_READ_IFLAG)ioctl(f

15、d, KEYBOARD, KEYBOARD_READ_ICNTR)ioctl(fd, KEYBOARD, KEYBOARD_UNMASK_INTERRUPT)ioctl(fd, KEYBOARD, KEYBOARD_MASK_INTERRUPT)ioctl(fd, KEYBOARD, KEYBOARD_CLEAR_IFLAG)ioctl(fd, KEYBOARD, KEYBOARD_SET_DEFAULT)43lADC对象 lA/D控制器有两个输入通道，并且每个通道的工作模式都有两种选择：l模式一. 即时输入方式 l模式二. 自动缓冲采集 l采集频率设置unsigned short feq;i

16、octl(fd ADC, ADC_SET_FREQUENCY); /*通知底层驱动以下write操 作是设置频率*/feq = 1; write(fd, &feq, sizeof(feq); /*频率的数值将通过write操作传递到底层驱动*/44l板级对象 l有一些命令字是针对整个FPGA扩展板的，包括如下： 命令字描述INIT_FPGA初始化FPGA扩展板各模块INTERRUPT_ENABLE响应FPGA扩展板发出的中断请求INTERRUPT_DISABLE不允许响应FPGA扩展板发出的中断请求457. GUI程序设计 l着重介绍如何为FPGA扩展板设计具有图形用户介面的应用程序

17、建立回调函数 监控I/O 绘制图形 46Key&Led 界面47DA控制界面48AD控制界面49l完成界面后，还需完成以下工作：l响应ADC发出的中断。l为控件的事件添加回调函数。l绘制图形。 50l建立回调函数 l以普通按钮控件为例，在Glade的Properties窗口的Signal下拉菜单中，为按钮的clicked事件添加回调函数 51l监控I/O l这一步我们需要控制AD控制器对外部信号的采集 l对ADC的控制方式，这里选择模式二自动缓冲采集 lGDK+中包含更加简便的方法来监测IO gint gdk_input_add( gint source_fd,GdkInputCondition condition,GdkInputFunction function,gpointer data)52l绘制图形 l建立一个pixmap，并且将该pixmap的背景色置为白色，drawingarea1为绘图区域控件，代码如下： pixmap = gdk_pixmap_new(drawingarea1-window,drawingar