zynq操作系统： Linux驱动开发Bram篇_zynq bram linux

前言

  裸奔的驱动已经满足不了更高应用范围需求了，本篇开始更新几篇赶鸭子上架的zynq Linux应用层的驱动开发（基于准备篇）。再加上由于项目的时间紧张关系（重点是有些人不信邪不得不满足的需求），将基于裸板中关于DMA的数据搬移换成了简单的BRAM的形式，好处是可以短时间内做好驱动了，缺点是bram的速率相较于dma实在是太慢了，尤其受到axi总线限制，PL端实测最高速率3.9兆每秒左右，只能说是应个急，短期内可以满足下需求吧，毕竟，对于像我这样根本没有接触过linux的也能很快上手。重点有三个，代码也相对比较简单。

一． devmem的使用和代码

使用：

devmem ADDRESS [WIDTH [VALUE]]
读取：在PL端给的实际寄存器地址0x40400058读取32bit值(WIDTH默认等于32, 可选值为[8, 16, 32, 64])
/dev # devmem 0x40400058
在地址0x404000580读取16bit值
/dev # devmem 0x404000580 16
写入：在地址0x404000580写入32bit值0x7777ABCD
/dev # devmem 0x404000580 32 0x7777ABCD
读一遍检查下
/dev # devmem 0x404000580
结果正确0x7777ABCD（必须在逻辑上是支持可读可写的，有的寄存器只读或者只写需要自己查阅手册）
注意：如果/dev下没有mem这个node，会出现错误：
/dev # devmem 0x404000580
devmem: can’t open ‘/dev/mem’: No such file or directory
这时可以在Host系统中手动创建一个（例如在NFS root filesystem模式）：
host@host-laptop:~/embedded/tftpboot/nfsroot/dev$ sudo mknod mem -m666 c 1 1
注意这里的权限是666，允许任何人任意读写，可以很好的配合程序debug。
/dev # devmem 0x404000580
0x7777ABCD

代码：

只单独命令行操作只能满足个别读写需求，最终肯定是需要编程代码来解决的，这就需要结合mmap地址映射

二． mmap地址映射的使用和代码

介绍：

  mmap将一个文件或者其它对象映射进内存。文件被映射到多个页上，如果文件的大小不是所有页的大小之和，最后一个页不被使用的空间将会清零。mmap在用户空间映射调用系统中作用很大。
函数原型：头文件 <sys/mman.h>
void* mmap(void* start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offset);
int munmap(void* start,size_t length);
参数说明：mmap（阿巴阿巴阿巴）
第二个参数表示内存映射的大小、
第三个参数是一个 flag标志， PROT_READ | PROT_WRITE 的组合表示映射的内存空间是可读可写的、
第四个参数MAP_SHARED、
第五个参数表示文件描述符 fd。
mmap 函数的返回值就等于映射之后得到的实际地址
涉及到所有具体的参数如下
start：映射区的开始地址，设置为0时表示由系统决定映射区的起始地址。
length：映射区的长度。//长度单位是 以字节为单位，不足一内存页按一内存页处理
prot：期望的内存保护标志，不能与文件的打开模式冲突。是以下的某个值，可以通过or运算合理地组合在一起
PROT_EXEC //页内容可以被执行
PROT_READ //页内容可以被读取
PROT_WRITE //页可以被写入
PROT_NONE //页不可访问
flags：指定映射对象的类型，映射选项和映射页是否可以共享。它的值可以是一个或者多个以下位的组合体
MAP_FIXED //使用指定的映射起始地址，如果由start和len参数指定的内存区重叠于现存的映射空间，重叠部分将会被丢弃。如果指定的起始地址不可用，操作将会失败。并且起始地址必须落在页的边界上。
MAP_SHARED //与其它所有映射这个对象的进程共享映射空间。对共享区的写入，相当于输出到文件。直到msync()或者munmap()被调用，文件实际上不会被更新。
MAP_PRIVATE //建立一个写入时拷贝的私有映射。内存区域的写入不会影响到原文件。这个标志和以上标志是互斥的，只能使用其中一个。
MAP_DENYWRITE //这个标志被忽略。
MAP_EXECUTABLE //同上
MAP_NORESERVE //不要为这个映射保留交换空间。当交换空间被保留，对映射区修改的可能会得到保证。当交换空间不被保留，同时内存不足，对映射区的修改会引起段违例信号。
MAP_LOCKED //锁定映射区的页面，从而防止页面被交换出内存。
MAP_GROWSDOWN //用于堆栈，告诉内核VM系统，映射区可以向下扩展。
MAP_ANONYMOUS //匿名映射，映射区不与任何文件关联。
MAP_ANON //MAP_ANONYMOUS的别称，不再被使用。
MAP_FILE //兼容标志，被忽略。
MAP_32BIT //将映射区放在进程地址空间的低2GB，MAP_FIXED指定时会被忽略。当前这个标志只在x86-64平台上得到支持。
MAP_POPULATE //为文件映射通过预读的方式准备好页表。随后对映射区的访问不会被页违例阻塞。
MAP_NONBLOCK //仅和MAP_POPULATE一起使用时才有意义。不执行预读，只为已存在于内存中的页面建立页表入口。
fd：有效的文件描述词。一般是由open()函数返回，其值也可以设置为-1，此时需要指定flags参数中的MAP_ANON,表明进行的是匿名映射。
offset：被映射对象内容的起点。
成功执行时，mmap()返回被映射区的指针，munmap()返回0。失败时，mmap()返回MAP_FAILED[其值为(void *)-1]，munmap返回-1。errno被设为以下的某个值
EACCES：访问出错
EAGAIN：文件已被锁定，或者太多的内存已被锁定
EBADF：fd不是有效的文件描述词
EINVAL：一个或者多个参数无效
ENFILE：已达到系统对打开文件的限制
ENODEV：指定文件所在的文件系统不支持内存映射
ENOMEM：内存不足，或者进程已超出最大内存映射数量
EPERM：权能不足，操作不允许
ETXTBSY：已写的方式打开文件，同时指定MAP_DENYWRITE标志
SIGSEGV：试着向只读区写入
SIGBUS：试着访问不属于进程的内存区
mmap()系统调用使得进程之间通过映射同一个普通文件实现共享内存。普通文件被映射到进程地址空间后，进程可以像访问普通内存一样对文件进行访问，不必再调用read()，write（）等操作。
  注：实际上，mmap()系统调用并不是完全为了用于共享内存而设计的。它本身提供了不同于一般对普通文件的访问方式，进程可以像读写内存一样对普通文件的操作。而Posix或System V的共享内存IPC则纯粹用于共享目的，当然mmap()实现共享内存也是其主要应用之一。

注意事项

  1、 最终被映射文件的内容的长度不会超过文件本身的初始大小，即映射不能改变文件的大小；
  2、可以用于进程通信的有效地址空间大小大体上受限于被映射文件的大小，但不完全受限于文件大小。比如打开文件被截短为5个某结构体结构大小，而在 map_normalfile1中初始化了10个该结构体 数据结构，在恰当时候（map_normalfile1输出initialize over 之后，输出umap ok之前）调用map_normalfile2会发现map_normalfile2将输出全部10个该结构体结构的值，后面将给出详细讨论。
  注：在linux中，内存的保护是以页为基本单位的，即使被映射文件只有一个字节大小，内核也会为映射分配一个页面大小的内存。当被映射文件小于一个页面大小时，进程可以对从mmap()返回地址开始的一个页面大小进行访问，而不会出错；但是，如果对一个页面以外的地址空间进行访问，则导致错误发生，后面将进一步描述。因此，可用于进程间通信的有效地址空间大小不会超过文件大小及一个页面大小的和。
  3、文件一旦被映射后，调用mmap()的进程对返回地址的访问是对某一内存区域的访问，暂时脱离了磁盘上文件的影响。所有对mmap()返回地址空间的操作只在内存中有意义，只有在调用了munmap()后或者msync()时，才把内存中的相应内容写回磁盘文件，所写内容仍然不能超过文件的大小。
  其他
  munmap执行相反的操作，删除特定地址区域的对象映射，基于文件的映射，在mmap和munmap执行过程的任何时刻，被映射文件的st_atime可能被更新。如果st_atime字段在前述的情况下没有得到更新，首次对映射区的第一个页索引时会更新该字段的值。用PROT_WRITE 和 MAP_SHARED标志建立起来的文件映射其st_ctime 和 st_mtime，在对映射区写入之后但在msync()通过MS_SYNC 和 MS_ASYNC两个标志调用之前会被更新

代码

  说了这么多先写个简单糊弄的测试代码吧，毕竟 最后肯定不会这么简陋吧，具体何时读写需要和逻辑工程师来沟通，比如对偏移地址（也就是某个寄存器？）的使能操作等等

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

#define XPAR_BRAM_0_BASEADDR 0x40000000
#define XPAR_BRAM_1_BASEADDR 0x42000000
#define XPAR_BRAM_2_BASEADDR 0x44000000
#define XPAR_BRAM_3_BASEADDR 0x46000000
#define XPAR_BRAM_4_BASEADDR 0x48000000
#define XPAR_BRAM_5_BASEADDR 0x4A000000
#define XPAR_BRAM_6_BASEADDR 0x4C000000
#define XPAR_BRAM_7_BASEADDR 0x4E000000
#define XPAR_BRAM_8_BASEADDR 0x50000000
#define DATA_LEN    1024

int main(int argc, char **argv)
{
    unsigned int *map_base0;
    // unsigned int *map_ctrl0;
    unsigned int *map_base1;
    unsigned int *map_base2;
    unsigned int *map_base3;
    unsigned int *map_base4;
    unsigned int *map_base5;
    unsigned int *map_base6;
    unsigned int *map_base7;
    unsigned int *map_base8;

    int Length;
    int Status;
    int bazinga;

    int fd = open("/dev/mem", O_RDWR | O_SYNC);
    if (fd < 0) {
        printf("can not open /dev/mem \n");
        return (-1);
    }   
    printf("/dev/mem is open \n");
    /*
    mmap（阿巴阿巴阿巴）
    第二个参数表示内存映射的大小、
    第三个参数是一个 flag标志， PROT_READ | PROT_WRITE 的组合表示映射的内存空间是可读可写的、
    第四个参数MAP_SHARED、
    第五个参数表示文件描述符 fd。
     mmap 函数的返回值就等于映射之后得到的实际地址
    */
    map_base0 = mmap(NULL, DATA_LEN * 4, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, XPAR_BRAM_0_BASEADDR);
    map_base1 = mmap(NULL, DATA_LEN * 4, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, XPAR_BRAM_1_BASEADDR);
    map_base2 = mmap(NULL, DATA_LEN * 4, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, XPAR_BRAM_2_BASEADDR);
    map_base3 = mmap(NULL, DATA_LEN * 4, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, XPAR_BRAM_3_BASEADDR);
    map_base4 = mmap(NULL, DATA_LEN * 4, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, XPAR_BRAM_4_BASEADDR);
    map_base5 = mmap(NULL, DATA_LEN * 4, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, XPAR_BRAM_5_BASEADDR);
    map_base6 = mmap(NULL, DATA_LEN * 4, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, XPAR_BRAM_6_BASEADDR);
    map_base7 = mmap(NULL, DATA_LEN * 4, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, XPAR_BRAM_7_BASEADDR);
    map_base8 = mmap(NULL, DATA_LEN * 4, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, XPAR_BRAM_8_BASEADDR);
    if (map_base0 == 0 || map_base1 == 0|| map_base2 == 0|| map_base3 == 0|| map_base4 == 0||
                          map_base5 == 0|| map_base6 == 0|| map_base7 == 0|| map_base8 == 0 ) { 
        printf("NULL pointer\n");
    }   
    else {
        printf("mmap successful\n");
    }   

    unsigned long addr;
    unsigned int content;
    int i = 0;
    /**/
    printf("\nwrite data to bram\n");//Bram0 在发送地址B2初始化发送1开始的128个累加数
    for (i = 0; i < 128; i++) {
        addr = (unsigned long)(map_base2 + i*4); 
        content = i + 1;
        map_base2[i] = content;
        printf("TX%2dth data, address: 0x%lx data_write: 0x%x\t\t\n", i, addr, content);

    }   
    
    map_base0[1] = 0x100;//包长256 接收到64
    map_base0[2] = 0x1;//使能

    
    /**/
    printf("\nread data from bram\n");//先从B0+8地址取到接收包长，然后再B1接收地址读取打印
    Length = map_base0[2];
    //Length = *((unsigned int *) (map_base0 + 8));
    printf("length1 is 0x%x\r\n",Length);
    // bazinga = *((unsigned int *) (map_base0 + 2));
    // printf("bazinga1 is 0x%x\r\n",bazinga);
    for (i = 0; i< Length; i++) {
        addr = (unsigned long)(map_base1 + i*4); 
        content = map_base1[i];
        printf("RX%2dth data, address: 0x%lx data_read1: 0x%x\t\t\n", i, addr, content);
    }   
    sleep(30);
    /*发送第二包*/
     printf("\nwrite2 data to bram\n");//Bram0 在发送地址B2初始化发送1开始的128个累加数
    for (i = 0; i < 128; i++) {
        addr = (unsigned long)(map_base2 + i*4); 
        content = i + 2;
        map_base2[i] = content;
        printf("TX%2dth data, address: 0x%lx data2_write: 0x%x\t\t\n", i, addr, content);

    }   
    map_base0[2] = 0;//清除发送中断
    map_base0[0] = 1;//
    map_base0[0] = 0;//清除接收中断

    map_base0[1] = 0x10;//包长
    map_base0[2] = 0x1;//使能

    printf("\nread data2 from bram\n");//先从B0+8地址取到接收包长，然后再B1接收地址读取打印
    Length = map_base0[2];
    //Length = *((unsigned int *) (map_base0 + 8));
    printf("length2 is 0x%x\r\n",Length);
    for (i = 0; i< Length; i++) {
        addr = (unsigned long)(map_base1 + i*4); 
        content = map_base1[i];
        printf("RX%2dth data, address: 0x%lx data_read2: 0x%x\t\t\n", i, addr, content);
    }   
    close(fd);
    munmap(map_base0, DATA_LEN);
    munmap(map_base1, DATA_LEN);
    munmap(map_base2, DATA_LEN);
    munmap(map_base3, DATA_LEN);
    munmap(map_base4, DATA_LEN);
    munmap(map_base5, DATA_LEN);
    munmap(map_base6, DATA_LEN);
    munmap(map_base7, DATA_LEN);

    return 0;
}
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2
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4
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6
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8
9
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12
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132
133

三． 中断的使用（应用层最简单的方案）

  不论是常规的驱动层中断注册，还是采用异步通知的机制，都需要修改驱动层module，而实际上linux可以不开发底层驱动，直接获取到GPIO的中断的。再加上我们有时候在调用某些复杂的模块又找不到替代品或者根本无能为力独自开发起这样一个驱动模块老老实实挂中断或者异步通知的时候，PL测只需要将中断接口一改，问题就能一定程度上迎刃而解了 在下一篇gpio中断中详细解释。