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

    在眾多操作系統(tǒng)中，Linux操作系統(tǒng)以其獨有開放性和靈活性成為重要的系統(tǒng)之一，因而開發(fā)Linux設備驅(qū)動具有重要意義。Linux設備驅(qū)動是在Linux內(nèi)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(diào)用系統(tǒng)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(xiàn)具體功能的過程中發(fā)揮著重要的作用，接口豐富的驅(qū)動，設備程序?qū)こ痰拈_發(fā)有著重要的意義。Linux對所有連接在系統(tǒng)上的設備都會使用一個設備驅(qū)動程序，這個基本設備驅(qū)動指令成為了內(nèi)核的一部分。通過使用設備驅(qū)動程序文件，設備對系統(tǒng)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(qū)動的開發(fā)背景
    在基于MPC8313E的大容量視頻存儲系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要實現(xiàn)通過千兆以太網(wǎng)接口與上位機進行通信，按上位機發(fā)送的命令解析后送給FPGA，進而通過FPGA發(fā)出的曝光脈沖控制高速相機MC1362工作。當存儲任務完成后，F(xiàn)PGA將存儲陣列中的數(shù)據(jù)讀入雙口RAM并傳至MPC8313E中，Linux端服務器利用千兆以太網(wǎng)接口將數(shù)據(jù)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(tǒng)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(wǎng)控制器，支持IEEES02．3協(xié)議，同時該芯片還支持16／32位的DDR SDRAM數(shù)據(jù)接口，最高支持333 MHz的數(shù)據(jù)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(tǒng)設計要求。該驅(qū)動設備主要實現(xiàn)從FPGA雙口RAM中乒乓讀取圖像數(shù)據(jù)信息，利用掛載在MPC8313E總線上的FPGA完成數(shù)據(jù)上傳，同時也需要解析上位機命令后傳遞給FPGA。

2 Linux驅(qū)動模塊的程序設計基礎
    在Linux／μClinux的框架結(jié)構中，和設備相關的處理可以分為兩個層次：文件系統(tǒng)層和設備驅(qū)動層。設備驅(qū)動層屏蔽具體設備細節(jié)，文件系統(tǒng)層則向用戶提供一組統(tǒng)一、規(guī)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(jù)硬件外設的發(fā)展進行擴展。

    Linux系統(tǒng)允許內(nèi)核以模塊的方式加載設備，這大幅提高了Linux設備結(jié)構的多樣性，同時可以通過裁剪內(nèi)核減少系統(tǒng)不必要的開支，提高工作效率。一般情況下，Linux內(nèi)核的驅(qū)動模塊通常只實現(xiàn)一個驅(qū)動程序，因此它可以分類，在Linux操作系統(tǒng)中有3類主要的設備文件系統(tǒng)：塊設備、字符設備和網(wǎng)絡設備。
    字符設備：可以像文件一樣訪問字符設備，這樣的驅(qū)動程序通常會實現(xiàn)如open、close、read和write系統(tǒng)調(diào)用。
    塊設備：是文件系統(tǒng)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(shù)量的字節(jié)。結(jié)果塊設備與字符設備只在蔭核內(nèi)部的管理上有所區(qū)別，即在內(nèi)核／驅(qū)動的軟件接口上有所區(qū)別。
    網(wǎng)絡設備：任何網(wǎng)絡設備都是通過接口實現(xiàn)的，既可以和其他宿主交換數(shù)據(jù)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(wǎng)絡設備面向網(wǎng)絡協(xié)議而不是文件系統(tǒng)層。

3 雙口RAM讀寫設備驅(qū)動設計
    介于以上第二部分的分析，雙口RAM設備選擇為塊設備，以便傳輸任意數(shù)量的數(shù)據(jù)。同時該驅(qū)動設備基于Linux2．6．23內(nèi)核開發(fā)，以模塊的方式加載至內(nèi)核中，其結(jié)構如圖2所示。

    代碼編寫好后在正式編譯前還要準備好內(nèi)核頭文件和庫函數(shù)，這需要先編譯一遍相應的內(nèi)核，在2．6. 23內(nèi)核源代碼中將MPC8313RDB的配置文件用作默認配置，編譯內(nèi)核。完成后書寫驅(qū)動的Makefile，然后連接目標扳，在NFS下調(diào)試設備驅(qū)動和應用程序。用戶可以使用通過交叉編譯得到的.ko文件通過insmod動態(tài)加載至內(nèi)核中，也可以通過修改啟動腳本文件，加電后自啟動將驅(qū)動加載到內(nèi)核中。

4 處理結(jié)果
    經(jīng)過打包處理的圖像數(shù)據(jù)通過MPC8313E的服務器上傳至上位機后，按照圖像格式進行拼圖，每包數(shù)據(jù)含有42 240 Byte數(shù)據(jù)，每幀圖像數(shù)據(jù)總量為1 280×1 024 Byte的圖像像素點信息和附加區(qū)信息，共接收35包數(shù)據(jù)后就可還原一幅完整的圖像。上位機在拼圖時裁剪掉一部分數(shù)據(jù)，最終合成1 024×1 024 Byte的圖像，如圖3所示。

5 結(jié)束語
    雙口RAM驅(qū)動程序是整個存儲系統(tǒng)的核心模塊，它對存儲數(shù)據(jù)的上傳速度和準確提取圖像信息有重要的影響，通過對MPC8313E寄存器的配置和讀寫以及中斷函數(shù)對硬件的控制來實現(xiàn)對RAM的讀寫，利用MPC8313E現(xiàn)有的接口和傳輸算法，最終實現(xiàn)圖像信息的高速上傳，驗證得出上傳數(shù)據(jù)最快可達104 Mbit·s-1，滿足設計要求。