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FPGA在Intel XScale PXA270微处理器系统上的应用
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2017-11-06
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摘要 以ACEX1K50为例，介绍FPGA在Intel XScale PXA270微处理器系统上的应用。通过内存映射机制实现ACEX1K50在Linux下的设备驱动；通过用户应用程序实现对ACEX1K50设备的操作，为FPGA在嵌入式领域的应用提供一种方法。
关键词 XScale PXA270 FPGA Linux 驱动
引言
Intel公司推出的XScale采用ARM V5TE结构，是Strong ARM的升级换代产品。XScale PXA270处理器最高主频可达624 MHz，加入了Wireless MMX、Intel SpeedStep等新技术，以其高性能、低功耗、多功能等特点在信息家电、工业控制等领域得到了广泛的应用。在嵌入式控制中，“微处理器+FPGA”是一种常用的解决方案。FPGA（现场可编程门阵列）有编程方便、集成度高、速度快等特点，电子设计人员可以通过硬件编程的方法来实现FPGA芯片各种功能的开发。在我们的一个数控平台的研究项目中，采用XScale PXA270作为主CPU，并对其进行FPGA扩展，使其具有插补、电机驱动、信号处理、I/O口扩展的功能。Linux以其内核精练、高效，源代码开放且免费等优势，在嵌入式领域得到了广泛的应用。下面以Intel XScale PXA270上的Altera FLEX/ACEX的应用为例，详细介绍Linux下FPGA设备驱动的实现。
1 Altera FLEX/ACEX芯片结构
Altera FLEX/ACEX芯片是基于查找表LUT（LookUpTable）原理而实现的。LUT本质上就是一个RAM。目前FPGA中多使用4输入的 LUT，所以每个LUT可以看成一个有4位地址线的16×1的RAM。当用户通过原理图或HDL语言描述一个逻辑电路以后，FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入RAM。这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。由于LUT主要适合SRAM工艺生产，所以目前大部分FPGA都是基于SRAM工艺的，而SRAM工艺的芯片在掉电后信息就会丢失，一定要外加1片专用配置芯片（本实验电路使用Altera EPC2LC20）。在上电时，由这个专用配置芯片把数据加载到FPGA中，然后FPGA即可正常工作。由于配置时间很短，因此不会影响系统正常工作。在使用ACEX1K50之前，应对其进行设计编程，实现相应寄存器及I/O口的功能。有关FPGA的详细内容请参阅相关资料。
2 Intel XScale PXA270处理器的系统存储器接口
PXA270处理器的可编程静态存储体系结构如图1所示。
图1 PXA270静态存储体系结构
在系统上， ACEX1K50位于nCS《2》上，物理地址0x8000000～0x8001000共4K的静态地址空间。图2表示了Intel XScale PXA270与ACEX1K50的硬件连接关系。
关键词 XScale PXA270 FPGA Linux 驱动
引言
Intel公司推出的XScale采用ARM V5TE结构，是Strong ARM的升级换代产品。XScale PXA270处理器最高主频可达624 MHz，加入了Wireless MMX、Intel SpeedStep等新技术，以其高性能、低功耗、多功能等特点在信息家电、工业控制等领域得到了广泛的应用。在嵌入式控制中，“微处理器+FPGA”是一种常用的解决方案。FPGA（现场可编程门阵列）有编程方便、集成度高、速度快等特点，电子设计人员可以通过硬件编程的方法来实现FPGA芯片各种功能的开发。在我们的一个数控平台的研究项目中，采用XScale PXA270作为主CPU，并对其进行FPGA扩展，使其具有插补、电机驱动、信号处理、I/O口扩展的功能。Linux以其内核精练、高效，源代码开放且免费等优势，在嵌入式领域得到了广泛的应用。下面以Intel XScale PXA270上的Altera FLEX/ACEX的应用为例，详细介绍Linux下FPGA设备驱动的实现。
1 Altera FLEX/ACEX芯片结构
Altera FLEX/ACEX芯片是基于查找表LUT（LookUpTable）原理而实现的。LUT本质上就是一个RAM。目前FPGA中多使用4输入的 LUT，所以每个LUT可以看成一个有4位地址线的16×1的RAM。当用户通过原理图或HDL语言描述一个逻辑电路以后，FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入RAM。这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。由于LUT主要适合SRAM工艺生产，所以目前大部分FPGA都是基于SRAM工艺的，而SRAM工艺的芯片在掉电后信息就会丢失，一定要外加1片专用配置芯片（本实验电路使用Altera EPC2LC20）。在上电时，由这个专用配置芯片把数据加载到FPGA中，然后FPGA即可正常工作。由于配置时间很短，因此不会影响系统正常工作。在使用ACEX1K50之前，应对其进行设计编程，实现相应寄存器及I/O口的功能。有关FPGA的详细内容请参阅相关资料。
2 Intel XScale PXA270处理器的系统存储器接口
PXA270处理器的可编程静态存储体系结构如图1所示。
图1 PXA270静态存储体系结构
在系统上， ACEX1K50位于nCS《2》上，物理地址0x8000000～0x8001000共4K的静态地址空间。图2表示了Intel XScale PXA270与ACEX1K50的硬件连接关系。
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