基于Linux的ARM与FPGA SPI接口驱动设计

【摘要】1 接口电路设计 ARM工作在SPI主模式，FPGA工作在SPI从模式，FPGA与ARM间接口电路如图1所示。 图1 接口电路 ARM使用SPI0控制器，EINT13作为中断输入，GPG6用于复位FPGA中断。 ARM通...

摘 要：本文结合具体的FPGA与ARM接口电路介绍了SPI接口驱动程序设计，并给出了部分程序的核心代码。本驱动编写的思路严格按照Linux下字符设备驱动程序的要求，并重点介绍了中断挂载及内存映射等关键技术，对其他SPI外设的驱动程序设计有较强的参考意义。

关键词：linux；SPI；驱动

中图分类号：TP336

在某项目的单板设计中，集成了Altera公司的STRATIX II EP2S180 FPGA和三星公司的S3C2440A ARM9处理器，FPGA用于处理原始数据，ARM用于配置FPGA参数并接收FPGA处理后数据，之间采用SPI串行接口通信。

SPI接口驱动基于linux系统开发，Linux内核中虽已集成了SPI驱动，但接口复杂且冗长，不适宜本项目采用，因此重新设计了SPI驱动。

1 接口电路设计

arm工作在SPI主模式，fpga工作在spi从模式，FPGA与ARM间接口电路如图1所示。

图1 接口电路

ARM使用SPI0控制器，EINT13作为中断输入，GPG6用于复位FPGA中断。

ARM通过SPIMOSI0接口对FPGA进行参数配置，而后启动FPGA进行数据处理。FPGA处理完数据后通过EINT13对ARM发送上升沿中断，触发ARM读取FPGA数据。ARM读取完毕后，通过INT_ACK信号线发上升沿信号对FPGA进行中断清除。

2 SPI驱动程序设计

SPI为串行接口，其驱动在Linux中沿用字符设备驱动格式，字符设备驱动接口函数数据结构如下：

static struct file_operations dev_fops = {

.owner = THIS_MODULE，

.open = s3c24xx_SPI_open，

.release = s3c24xx_SPI_close，

.read = s3c24xx_SPI_read，

}；

驱动程序需要实现s3c24xx_SPI_open、s3c24xx_SPI_close、s3c24xx_SPI_read等几个关键函数。

s3c24xx_SPI_open函数用于初始化SPI控制器并对FPGA发送初始化配置参数并挂载中断处理函数。

s3c24xx_SPI_close函数用于关闭FPGA设备。

s3c24xx_SPI_read用于读取FPGA数据，该函数通过调用wait_event_interruptible工作在阻塞模式，由中断处理函数负责唤醒 。

中断描述结构如下：

struct spi_irq_desc {

int irq；

int pin；

int pin_setting；

int number；

char *name；

}；

static struct spi_irq_desc spi_irqs [] = {

{IRQ_EINT13， S3C2410_GPG（5），S3C2410_GPG5_EINT13，2，“SPIINT”}，

}；

在s3c24xx_SPI_open函数中挂载中断处理函数spi_interrupt，具体如下：

request_irq（spi_irqs[i].irq， spi_interrupt， IRQ_TYPE_EDGE_RISING，

spi_irqs[i].name，（void *）&spi_irqs[i]）；

request_irq将EINT13的处理函数设定为spi_interrupt，需要重点注意的是操作系统自动将EINT13引脚配置为中断模式，并设置为上升沿触发，无需用户再进行GPIO配置。

在中断处理函数中，涉及到对SPI的发送寄存器和接收寄存器的读写操作。在Linux环境中，由于采用了MMU及虚拟内存设计，无法直接读写外部寄存器，需将其映射到内存空间，而后采用iowrite32完成读写。

以对SPICON0寄存器写入0x18示例如下，该寄存器地址为0x59000000：

spicon0_phys = 0x59000000；

spi0_virt =（unsigned long）ioremap（spi0_phys， 0x20）；

va_s3c2440_SPI_SPCON0 = （unsigned long *）（spi0_virt + 0x00）；

iowrite32（0x18，va_s3c2440_SPI_SPCON0）；

在spi_interrupt函数中实现SPI接口读取，spi字长为8位，spi的接口配置为时钟上升沿发送，下降沿读取。

因此为读取FPGA需要对发送寄存器SPTDAT0先写一个字节，而后判断状态寄存器SPSTA0是否完成发送，如果完成则读取接收寄存器SPRDAT0，从FPGA读取一个字节，以后循环读取定长字节，即可完成对FPGA数据的读取。

而后对GPG6依次写0、1、0，之间加入1us延时，即可产生上升沿中断以复位FPGA中断。

对FPGA的读定长数据操作示例如下：

int s3c2440SPIRead（char* buffer， int nbyte）

{

char* pChar = buffer；

int ix = nbyte；

for（； nbyte > 0； nbyte--）

{

*（volatile char*）va_s3c2440_SPI_SPTDAT0=0x55；

/*等待传输完成*/

while（！（*（（volatile char*）va_s3c2440_SPI_SPSTA0） & 0x1））；

*pChar=*（volatile char*）（va_s3c2440_SPI_SPRDAT0）；

pChar++；

}

return（ix）；

}

为避免编译器将va_s3c2440_SPI_SPTDAT0地址列入CACHE空间，必须对va_s3c2440_SPI_SPTDAT0进行volatile char*强制类型转换，否则将读到过期数据。

中断处理函数完成读数据后调用wake_up_interruptible（&spi_waitq）唤醒阻塞的读操作s3c24xx_SPI_read，该函数调用copy_to_user函数将数据复制到用户空间。

3 结束语

该接口程序已成功应用于某工程项目，本文是基于调试经验，重点介绍了SPI接口程序框架及内存映射和中断挂载等关键技术，可以作为开发类似驱动的参考。

参考文献：

[1]韦东山.嵌入式Linux应用开发[M].北京：人民邮电出版社，2010.

作者单位：中国船舶重工集团公司第七二二研究所，武汉 430079