嵌入式Linux應(yīng)用程序訪問物理地址的實例

前言
　　按照Linux分層驅(qū)動思想，外設(shè)驅(qū)動與主機(jī)控制器的驅(qū)動不相關(guān)，主機(jī)控制器的驅(qū)動不關(guān)心外設(shè)，而外設(shè)驅(qū)動也不關(guān)心主機(jī)，外設(shè)訪問核心層的通用應(yīng)用程序接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，主機(jī)和外設(shè)之間可以進(jìn)行任意的組合。這樣思想要求應(yīng)用程序不應(yīng)當(dāng)直接訪問物理地址，而是應(yīng)當(dāng)通過驅(qū)動程序的調(diào)用來實現(xiàn)，以便保持應(yīng)用程序的可移植性，操作訪問的統(tǒng)一性，應(yīng)用程序利用系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)用接口訪問外設(shè)，如使用write()，read()等函數(shù)進(jìn)行實際的外設(shè)讀寫控制。應(yīng)用程序通過調(diào)用接口進(jìn)入內(nèi)核函數(shù)后，內(nèi)核利用copy_from_user()獲得應(yīng)用層數(shù)據(jù)，內(nèi)核驅(qū)動程序也通過分層最終執(zhí)行物理訪問，之后把獲得的數(shù)據(jù)用copy_to_user()回傳給應(yīng)用程序的調(diào)用者。由于驅(qū)動對外需要有個統(tǒng)一接口，所以定義了一些結(jié)構(gòu)體，鏈表等機(jī)制，以便讓應(yīng)用程序操作簡單化，數(shù)據(jù)在內(nèi)核一應(yīng)用之間的復(fù)制，填充結(jié)構(gòu)體等都需要時間開銷，有時按這種標(biāo)準(zhǔn)調(diào)用方式，因為操作時間過長，無法完成設(shè)計目的。

操作效率評估
　　我們的一個項目中，系統(tǒng)由FPGA和ARM11結(jié)合為核心控制器，其中FPGA連接外部高速ADC、DAC和RF器件在ARM11的控制下，實現(xiàn)GB18000-6C標(biāo)準(zhǔn)的UHF RFID讀寫控制狀態(tài)機(jī)。FPGA與ARM11的接口采用SPI，其中ARM11選用三星S3C6410，作為SPI的主機(jī)，F(xiàn)PGA作為SPI的從機(jī)，受S3C6410的控制。在本系統(tǒng)中，SPI接口充當(dāng)ARM11和FPGA交互的橋梁，ARM11的命令和動作參數(shù)傳給FPGA并啟動FPGA處理狀態(tài)機(jī)，F(xiàn)PGA動作的結(jié)果也通過SPI回傳給ARM11，兩者之間的通訊效率在系統(tǒng)中需要重點關(guān)注。

　　評估通訊接口時，利用三星提供的SPI驅(qū)動函數(shù)，系統(tǒng)運行在533MHz，SPI時鐘配置為16MHz，程序在linux3.0環(huán)境下通過read/write進(jìn)行操作，為了評估效率，另外采用一個GPIO輸出脈沖指示操作過程，試驗結(jié)果顯示效率非常低下，從應(yīng)用層執(zhí)行write代碼開始到SPI端口輸出時鐘，延時長達(dá)72μs，SPI操作之后，再回到應(yīng)用層的下一個語句也延時42μs，對于比較少的數(shù)據(jù)傳輸情況，附加的額外等待時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于實際傳輸有效時間，從前面數(shù)據(jù)看出，通過標(biāo)準(zhǔn)庫調(diào)用嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能，沒法滿足系統(tǒng)需求。通過查看驅(qū)動程序的源代碼，可以發(fā)現(xiàn)因為驅(qū)動程序?qū)訉臃庋b，并且包含應(yīng)用層到內(nèi)核的copy_from_user()和內(nèi)核到應(yīng)用層的copy_to_user()兩次數(shù)據(jù)搬移，導(dǎo)致執(zhí)行效率很低。為了提高數(shù)據(jù)交互效率，就要設(shè)法繞開數(shù)據(jù)搬移等時間開銷，最好能直接操作寄存器，雖然這種想法與Linux分層驅(qū)動思想不相符合，但是在嵌入式系統(tǒng)中，有時需要高的執(zhí)行效率，如果利用系統(tǒng)一些特定函數(shù)，實現(xiàn)高效率的數(shù)據(jù)交互從而完成設(shè)計目標(biāo)是有必要和可能的。

　　linux存在名為mmap的函數(shù)，能把物理地址映射為虛擬地址，并且這個函數(shù)能直接在應(yīng)用程序中直接調(diào)用而不是僅僅屬于內(nèi)核調(diào)用的函數(shù)，這樣在應(yīng)用層直接操作S3C6410的物理外設(shè)成為可能?？紤]到在特定的嵌入式系統(tǒng)中，特定外設(shè)的使用可以由程序控制，這樣可以簡化共享設(shè)備的互斥保護(hù)，進(jìn)一步減少代碼量，提高了訪問效率。

mmap函數(shù)調(diào)用實例
　　mmap函數(shù)作用是將物理地址映射至用戶空間。下面是函數(shù)的參數(shù)簡單說明
void* mmap(void * addr， size_t len， int prot， int flags， int fd， off_t offset);
addr: 指定文件應(yīng)被映射到進(jìn)程空間的起始地址
len: 映射到用戶空間的字節(jié)數(shù)
prot: 指定被映射空間的訪問權(quán)限，
flags: 由以下幾個常值指定：
fd: 映射到用戶空間的文件的描述符
offset: 被映射內(nèi)存區(qū)在文件中的偏移值該函數(shù)映射文件描述符

　　通過這個函數(shù)，我們可以在應(yīng)用層訪問對應(yīng)物理地址正確映射后的虛擬地址，這個函數(shù)使我們在應(yīng)用層也具有對任意物理地址的操作權(quán)限，下面代碼配置S3C6410的SPI0，因為使用mmap映射，所以不論內(nèi)核是否帶有SPI驅(qū)動都不影響我們使用SPI0，但是因為本程序需要對比研究標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動方式與直接存儲器訪問方式的執(zhí)行差異，所以在內(nèi)核中編譯了標(biāo)準(zhǔn)SPI的驅(qū)動程序。由于S3C6410多數(shù)腳都有復(fù)用功能，為了使SPI0正確工作，還需要配置相關(guān)對應(yīng)的GPIO為SPI功能（實際上因為我們編譯的內(nèi)核帶有SPI0的驅(qū)動，內(nèi)核程序已經(jīng)完成了SPI的初始化，有的內(nèi)核沒有編譯SPI，所以下面還是完整配置了SPI，供參考），同時為了觀察研究SPI的執(zhí)行效率，我們程序還對其他GPIO做了配置以便輸出脈沖，通過示波器來評估觀察。另外我們還使用若干時間標(biāo)志來記錄操作過程時間，對于在沒有示波器的情況下也能評估執(zhí)行時間。

　　下面是測試程序代碼以及測試過程的示波器記錄抓圖。

#include "test.h"
void Init_FPGA_SPI(){//配置SPI端口
int fbb;
fbb=open("/dev/mem"，O_RDWR | O_SYNC);
map_base=(char *)mmap(0，4096，PROT_READ|PROT_WRITE，MAP_SHARED，fbb，0x7f00b000);
*(volatile unsigned int *)(map_base+0x04)=0x00000101;//CLK=16.625MHz
*(volatile unsigned int *)(map_base+0x08)=0x00000000;
*(volatile unsigned int *)(map_base+0x0c)=0x00000002;
*(volatile unsigned int *)(map_base)=0x00000003;
FPGA_RUN=map_base+0x18;
map_base=(char *)mmap(0，4096，PROT_READ|PROT_WRITE，MAP_SHARED，fbb，0x7f008000);
GPC=map_base+0x40;//配置端口復(fù)用功能為SPI
map_GPC=*(volatile unsigned int *)(GPC+4);
*(volatile unsigned int *)(GPC)=0x12201222;
GPC+=4;
virt_addr2=map_base+0x824;//配置觀察IO
GLEDstate=*(volatile unsigned int *)(virt_addr2);
}
void Init_Timer(){//添加加配置1微秒時基定時器
int fbb;
unsigned int temp;
fbb=open("/dev/mem"，O_RDWR | O_SYNC);
map_base=(char *)mmap(0，4096，PROT_READ|PROT_WRITE，MAP_SHARED，fbb，0x7f006000);
…………………… 篇幅原因略去部分次要代碼
MYSYSTICK=map_base+0x14;
}
void SPI_init(){
bits=8;
speed = 16625000;
trr.len =20;
trr.delay_usecs = 0;
trr.speed_hz = speed;
trr.bits_per_word = bits;
fspi = open("/dev/spidev0.0"， O_RDWR);
ioctl(fspi， SPI_IOC_RD_MODE， mode);
ioctl(fspi， SPI_IOC_WR_MODE， mode);
}
__inline unsigned int GETSYSCLK(){
return(*(volatile unsigned int *)(MYSYSTICK));
}
__inline void CSFPGAL(){
map_GPC=0xfffffff7;
*(volatile unsigned int *)(GPC)=map_GPC;
}
__inline void CSFPGAH(){
map_GPC|=0x00000008;
*(volatile unsigned int *)(GPC)=map_GPC;
}
void test(){
GLEDstate=0xfffffffe;
*(volatile unsigned int *)(virt_addr2)=GLEDstate;//產(chǎn)生GPIO負(fù)跳變
starttime2=GETSYSCLK();
*(volatile unsigned int *)(FPGA_RUN-0x0c)=0x00;
*(volatile unsigned int *)(FPGA_RUN-0x18)=0x23;
*(volatile unsigned int *)(FPGA_RUN-0x18)=0x03;
CSFPGAL();
*(volatile unsigned int *)(FPGA_RUN)=tx[0];
*(volatile unsigned int *)(FPGA_RUN)=tx[1];
*(volatile unsigned int *)(FPGA_RUN)=tx[2];
*(volatile unsigned int *)(FPGA_RUN)=tx[3];
*(volatile unsigned int *)(FPGA_RUN)=tx[4];
while (((*(volatile unsigned int *)(FPGA_RUN-4)0xfe000)>>13)5){}；
CSFPGAH();
stoptime2=GETSYSCLK();
GLEDstate|=0x00000001;
*(volatile unsigned int *)(virt_addr2)=GLEDstate;
GLEDstate=0xfffffffe;
*(volatile unsigned int *)(virt_addr2)=GLEDstate;
starttime1=GETSYSCLK();//產(chǎn)生GPIO一個正脈沖
write(fspi，tx，5);
stoptime1=GETSYSCLK();
GLEDstate|=0x00000001;
*(volatile unsigned int *)(virt_addr2)=GLEDstate; //產(chǎn)生GPIO正跳變
printf("DRVtime=%d REGtime=%d "，starttime1-stoptime1，starttime2-stoptime2);
}
int main(void){
SPI_init();Init_FPGA_SPI();Init_Timer();
waittime=GETSYSCLK();
while(1){
if ((waittime-GETSYSCLK())>2000000){//2000ms測試一次
waittime=GETSYSCLK();
test();
}
}
}

　　圖1示波器截圖添加了一些時間信息以便對應(yīng)代碼注釋說明，對應(yīng)于代碼mmap方式和標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動調(diào)用方式產(chǎn)生了兩組SCK時鐘，GPIO觀察腳顯示第一次SPI訪問消耗5μs，第二次訪問消耗114μs，其中真正操作SPI的時間也就4μs不到，其它時間消耗在系統(tǒng)應(yīng)用層到內(nèi)核兩次雙向的數(shù)據(jù)拷貝以及為了統(tǒng)一對外接口所做的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)配置等方面，由此對比可以看出兩種方式訪問效率上的巨大差異。

圖 1

結(jié)語
　　通過mmap方式應(yīng)用程序在Linux下操作硬件寄存器，適合于關(guān)注高效率的訪問場合，在嵌入式應(yīng)用中，我們既能夠獲得使用操作系統(tǒng)管理任務(wù)和豐富開源驅(qū)動庫的好處，同時又能在局部提升處理效率，提高處理數(shù)據(jù)的實時性。