[FPGA开发] 【Altera SoC体验之旅】+ 地址映

BOB_Sun

本文转自  http://bbs.eeworld.com.cn/thread-458492-1-1.html

HPS 如何对FPGA外设进行操作？
hardware：在Qsys中将外设连接到AXI bridge上
software：映射外设物理地址到到应用程序可以操作的虚拟地址，应用程序通过得到的虚拟地址入口控制外设。

为什么要进行地址映射？
内存映射就是讲内核空间的一部分区域映射到用户空间，用户对这段内存空间的修改可以反映到内核空间。可以将内核空间的一段地址映射到多个进程，以实现线程间的内存通信。系统调用mmap()就是进行地址映射。mmap是将一个文件（linux下设备也被看做是文件）或其他对象映射进内存。munmap执行相反的操作，删除特定地址区域的对象映射。

采用共享内存进行通信的优点是效率高，直接读写内存不需要进行数据拷贝。
通常使用mmap有三种情况，1、提高I/O效率   2、匿名内存映射   3、共享内存进程通信。
mmap用于内存映射的一种方式是打开或创建一个文件，然后调用mmap().（另一种方式如下：进程A和进程B都将该页映射到自己的地址空间，当进程A第一次访问该页中的数据时产生一个缺页中断，内核此时读入这一页到内存并更新页表使之指向它，当进程B访问同一页发生缺页中断时，该页已经在内存中，内核只需要将进程B的页表登记项指向此页即可）
mmap用法
#include <sys/mman.h>
void *mmap(void *addr,  size_t length,  int prot,  int flags,  int fd,  off_t offset);
int munmap(void *addr, size_t  length);

start：映射区的开始地址。
　　length：映射区的长度。
　　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。如果MAP_ANONYMOUS被设定，为了兼容问题，其值应为-1。
　　offset：被映射对象内容的起点。
　　返回说明：
　　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

下面通过HPS控制FPGA leds实例来了解HPS如何进行FPGA周边设备的管理。
通过open 和mmap映射到相应的虚拟基地址
if( ( fd(fd =open( "/d / " ( O RDWR | O SYNC ) ) )"/dev/mem" , (O_ RDWR|O_ SYNC))) == -1 ) {){
printf( "ERROR: could not open \"/dev/mem\"...\n" );
return( 1 );1);
}
virtual_base =mmap( NULL, HW_REGS_SPAN, ( PROT_READ |
PROT WRITE_ ), MAP SHARED_, ,  fd,  HW REGS BASE_ _ );

LWAXI总线（light weight AXI）相对于其虚拟基地址的偏移（ALT_LWFPGASLVS_OFST&(unsigned long)(HW_REGS_MASK)）
FPGA外设相对于LWAXI的地址（PIO_LED_BASE）
h2_lw_led_addr= virtual_base +  ( ( unsigned long)(
ALT_LWFPGASLVS_OFST+PIO_LED_BASE) & ( unsigned
long)(HW_REGS_MASK) )

可见使用地址映射来实现HPS对FPGA周边设备的管理非常方便且步骤简单、灵活性高，同时效率又非常高。