FPGA 驅動開發

FPGA 驅動的本質是一套軟體程式碼（通常是運行在 CPU 上的，例如 ARM 或 x86），它允許作業系統（如 Linux、Windows 或裸機程式）與 FPGA 上的定制化硬體邏輯（IP 核） 進行通訊和控制。

• FPGA 側：實現了特定的功能電路（例如影像處理加速器、加密引擎、自定義通訊協議）。
• CPU 側：需要一個驅動程式來：
  1. 配置 FPGA（載入位元流檔案）。
  2. 與 FPGA 的記憶體映射暫存器（MMR）進行讀寫，以控制其行為、啟動任務、讀取狀態。
  3. 處理 FPGA 發起的中斷（IRQ），以非同步地通知 CPU 任務完成或事件發生。
  4. 提供使用者空間（User-Space）的應用程式一個簡單的介面（如系統呼叫、設備檔案）來訪問硬體功能。

硬體設計

1. 地址映射規劃：為 FPGA 上的每個功能模組（IP 核）分配唯一的基地址（Base Address）和地址範圍。這通常在 Vivado/Quartus 中通過 AXI Interconnect 或 Avalon-MM Interconnect 完成。
2. 暫存器定義：為每個 IP 核定義詳細的暫存器映射表（Register Map）。這是驅動開發者最重要的文件。
   • 每個暫存器的偏移地址（Offset）、讀寫屬性（R/W）、位元域（Bit Field）定義、復位值、功能描述都必須清晰。
   • 例如：Offset 0x00 – CONTROL_REG – Bit[0]: Start, Bit[1]: Interrupt Enable
   • 例如：Offset 0x04 – STATUS_REG – Bit[0]: Done, Bit[1]: Error
   • 例如：Offset 0x08 – DATA_REG – 要處理的資料輸入/輸出埠。
3. 中斷設計：如果 IP 核需要通知 CPU，則需要連線中斷訊號。通常透過 AXI Interrupt Controller 彙總多個中斷源後，再連線到處理系統（PS）的中斷控制器。
4. 生成硬體描述檔案：
   • .hdf (Xilinx) / .hps (Intel)：包含完整的硬體佈局、地址資訊、中斷號等。這是生成下一層次「硬體抽象層」的輸入。
   • .bit / .bin：FPGA 的位元流配置檔案。

硬體抽象層

• 自動化工具生成：強烈推薦使用工具自動生成，而不是手寫。
  • Xilinx：使用 Vitis HLS 或 Vivado 內的選項，可以根據 IP 的 XML 描述檔案自動生成 驅動骨架程式碼。它會提供一組 Xilinx_XXX_* 的函式（如 Xilinx_XXX_Initialize, Xilinx_XXX_WriteReg, Xilinx_XXX_InterruptGlobalEnable）。
  • Intel：使用 Qsys 和 BSP Editor 來生成對應的 HAL 程式碼。
• 手動封裝：如果沒有使用自動化工具，你需要根據暫存器映射表，手寫類似這樣的巨集或函式：

define MY_IP_BASE_ADDRESS 0x43C00000

define REG_OFFSET_CONTROL 0x00

define REG_OFFSET_STATUS 0x04

void my_ip_start(void) {
// 寫入啟動位元到 CONTROL 暫存器
*(volatile uint32_t *)(MY_IP_BASE_ADDRESS + REG_OFFSET_CONTROL) |= 0x01;
}

uint32_t my_ip_get_status(void) {
return *(volatile uint32_t *)(MY_IP_BASE_ADDRESS + REG_OFFSET_STATUS);
}

核心空間驅動

1. 驅動型別：
   • 平臺裝置驅動（Platform Device Driver）：最常見的方式，將 FPGA 邏輯視為一個平臺裝置。
   • 字元裝置驅動（Character Device Driver）：通常透過實現 file_operations 結構體（提供 open, release, read, write, ioctl, mmap 等方法）來建立設備檔案（如 /dev/my_fpga_ip）。
   • DMA 驅動：如果涉及大量資料傳輸（如透過 AXI DMA IP），驅動需要處理 DMA 緩衝區的申請、對映、以及 DMA 傳輸的啟動和完成中斷。這通常涉及分散/聚集列表（Scatter/Gather List） 和一致性（Coherent）DMA 對映。
2. 關鍵技術點：
   • 裝置樹（Device Tree）：現代 Linux 驅動的標準。在 .dts 檔案中描述硬體資訊，替代舊式的硬體編碼。

// 範例：在 Zynq SoC 的 device tree 中描述一個自定義 IP
my_ip@43c00000 {
compatible = “your-company,my-ip-1.0”; // 與驅動程式中的名稱匹配
reg = <0x43c00000 0x10000>; // 基地址和地址範圍長度
interrupts = <0 29 4>; // 中斷號（通常由硬體設計決定）
interrupt-parent = <&intc>; // 中斷控制器
};

• IOCTL：用於實現自定義的命令，讓使用者程式可以控制 IP 核的特定功能（如設定模式、啟動任務、讀取狀態），而不必侷限於簡單的 read/write。
• MMAP：可以將 FPGA 的記憶體區域或 DMA 緩衝區直接對映到使用者空間，避免資料在核心和使用者空間之間的複製，極大提升效能。
• 中斷處理：實現中斷服務常式（ISR），通常分為頂半部（Top Half，快速處理）和底半部（Bottom Half，如工作佇列，處理耗時任務）。

使用者空間應用

• 通過開啟設備檔案（/dev/my_fpga_ip）來獲取檔案描述符（fd）。
• 使用 read(), write(), 以及特別重要的 ioctl() 來與底層驅動和硬體互動。
• 如果驅動提供了 mmap()，應用程式可以直接將硬體記憶體對映到自己的地址空間，像操作普通記憶體一樣操作 FPGA 暫存器或資料緩衝區。

// 一個極簡的使用者空間應用範例
int fd = open(“/dev/my_fpga_ip”, O_RDWR);
if (fd < 0) { /* error handling */ }

// 使用 ioctl 發送開始命令
int ret = ioctl(fd, MY_IP_IOCTL_START, NULL);

// 讀取狀態
uint32_t status;
read(fd, &status, sizeof(status));

close(fd);

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