前 言

本文主要介紹基于全志科技T113與FPGA的核間通信案例，適用開發環境如下。

Windows開發環境：Windows 7 64bit、Windows 10 64bit

虛擬機：VMware15.5.5

Linux開發環境：Ubuntu18.04.4 64bit

U-Boot：U-Boot-2018.07

Kernel：Linux-5.4.61、Linux-RT-5.4.61

LinuxSDK：T113_Tina5.0-V1.0(Linux)

無特殊說明情況下，默認基于NAND FLASH配置評估板進行演示，使用USB TO UART0作為調試串口，通過Linux系統啟動卡（Micro SD方式）啟動系統。

本文檔對應案例的測試結果說明如下表所示。

spi_rw案例

案例說明

案例功能：主要演示T113(ARM Cortex-A7)與Spartan-6(FPGA)處理器之間的SPI通信。案例源碼位于“4-軟件資料Demobase-demosspi_rw”目錄下，具體目錄結構說明如下。

ARM端實現SPI Master功能，具體如下：

打開SPI設備節點，如：/dev/spidev1.0。

使用ioctl配置SPI總線，如SPI總線極性和相位、通信速率、數據字長度等。

選擇模式為單線模式或雙線模式。當SPI總線為雙線模式時，發送數據是單線模式，接收數據是雙線模式。

發送數據至SPI總線，并從SPI總線讀取數據。

打印發送和接收速率。

校驗讀寫數據，然后打印誤碼率。

FPGA端實現SPI Slave功能，具體如下：

FPGA將SPI Master發送的數據保存至BRAM。

SPI Master發起讀數據時，FPGA從BRAM讀取數據通過SPI總線傳輸給SPI Master。

當SPI總線為雙線模式，接收數據支持雙線模式，而發送數據不支持雙線模式。

圖?1?ARM端程序流程圖

本案例使用的設備樹源文件為"driverdtsnandboard.dts"。該設備樹源文件基于LinuxSDK開發包內核源碼中的board.dts設備樹進行修改，具體修改內容如下。

屏蔽reg_usb0_vbus節點GPIO配置，避免引腳復用沖突。

關閉UART1節點，避免引腳復用沖突。

新增SPI總線和spidev驅動配置。生成/dev/spidev1.0節點，為應用層提供SPI的配置和讀寫數據的接口。

圖?2

圖?3

圖?4

圖?5

案例測試

硬件連接

由于評估底板拓展接口未預留SPI總線引腳，因此需參考如下方法進行飛線連接，并且應盡可能使用短線連接。

圖?6

1.請根據評估底板絲印將SPI1的測試點TP25(SPI1 MISO)、TP26(SPI1 MOSI)、TP27(SPI1 CLK)、TP28(SPI1 CS)通過飛線引出。

圖?7

圖?8

2.將飛線引出的引腳與創龍科技TL-HSAD-LX采集卡的拓展接口(KJ2)按照下表對應關系進行連接。

表?3

3.將評估底板LVDS LCD接口的第26引腳(GND)連接至TL-HSAD-LX采集卡拓展接口(KJ13)的第1引腳，進行共地連接。

圖?9

案例測試

將案例bin目錄下的可執行文件spi_rw、"driverkernelnand"目錄下的boot.fex鏡像文件拷貝至評估板文件系統任意目錄下。

評估板上電啟動，在評估板文件系統boot.fex文件所在路徑下，執行如下命令替換原來的固件，并重啟評估板。

Target# dd if=boot.fex of=/dev/mmcblk0p4

Target# sync

Target# reboot

圖?10

評估板重啟后，執行如下命令查看新生成的spidev設備節點。

Target# ls /dev/spidev1.0

圖?11

執行如下命令查詢程序命令參數。

Target# ./spi_rw -h

圖?12

1.單線模式

TL-HSAD-LX采集卡上電啟動，加載運行案例"bram_spibin"目錄下的程序可執行文件，bram_spi程序支持SPI單線模式。

2.功能測試

執行如下命令運行程序，ARM通過SPI總線寫入2KByte隨機數據至FPGA BRAM，然后讀出數據、進行數據校驗，同時打印SPI總線讀寫速率和誤碼率，如下圖所示。

Target# ./spi_rw -d /dev/spidev1.0 -s 5000000 -OH -m 1 -S 2048 -c 2

參數解析：

-d：設置設備節點；

-s：設置通信時鐘頻率(Hz)；

-O：時鐘極性反轉(CPOL=1)；

-H：下降沿采集數據(CPHA=1)；

-m：選擇模式傳輸模式（1表示單線模式。2表示雙線模式）；

-S：設置傳輸數據大小，單位為Byte；

-c：循環傳輸數據包的次數。

圖?13

本次測試指定SPI總線通信時鐘頻率為5MHz，則SPI單線模式理論通信速率為：(5000000/1024/1024/8)MB/s ≈ 0.596MB/s。從上圖可知，本次實測SPI單線模式寫速率為0.559MB/s，讀速率為0.559MB/s，誤碼率為0.0%。

備注：由于本案例硬件采用飛線方式進行連接，因此若設置SPI總線通信時鐘頻率超過10MHz，可能會出現誤碼現象。

1.性能測試

執行如下命令運行程序，測試SPI單線模式的最高通信帶寬。ARM通過SPI總線寫入隨機數據至FPGA BRAM，然后讀出數據、進行數據校驗，循環100次，同時打印SPI總線讀寫速率和誤碼率，如下圖所示。

Target# ./spi_rw -d /dev/spidev1.0 -s 100000000 -OH -m 1 -S 1048576 -c 100

圖?14

根據官方數據手冊（如下圖），SPI總線通信時鐘頻率理論值最大為100MHz。本次測試設置SPI總線通信時鐘頻率為最大值100MHz，則SPI單線模式理論速率為：(100000000/1024/1024/8)MB/s ≈ 11.92MB/s。從上圖可知，在100MHz下實測SPI單線模式寫速率為：11.371MB/s，SPI單線模式讀速率為：11.371MB/s。

備注：由于本次測試受限于飛線連接方式，因此在100MHz通信時鐘頻率下測得誤碼率過高，測試結果僅供參考。

圖?15

同時測得CPU的占用率約為4.6%，如下圖所示。

圖?16

2.雙線模式

TL-HSAD-LX采集卡上電啟動，加載運行案例"bram_spi_dualbin"目錄下的程序可執行文件，bram_spi_dual程序支持SPI雙線模式。

3.功能測試

執行如下命令運行程序，ARM通過SPI總線寫入2KByte隨機數據至FPGA BRAM，然后讀出數據、進行數據校驗，同時打印SPI總線讀寫速率和誤碼率，如下圖所示。

Target# ./spi_rw -d /dev/spidev1.0 -s 5000000 -OH -m 2-S 2048 -c 1

參數解析：

-d：設置設備節點；

-s：設置通信時鐘頻率(Hz)；

-O：時鐘極性反轉(CPOL=1)；

-H：下降沿采集數據(CPHA=1)；

-m：選擇模式傳輸模式（1表示單線模式。2表示雙線模式）；

-S：設置傳輸數據大小，單位為Byte；

-c：循環傳輸數據包的次數。

圖?17

本次測試指定SPI總線通信時鐘頻率為5MHz，則SPI雙線模式理論通信速率為：(5000000/1024/1024/4)MB/s ≈1.192MB/s。從上圖可知，本次實測SPI雙線模式寫速率為0.559MB/s，讀速率為1.104MB/s，誤碼率為0.0%。

備注：由于本案例硬件采用飛線方式進行連接，因此若設置SPI總線通信時鐘頻率超過10MHz，可能會出現誤碼現象。

4.性能測試

執行如下命令運行程序，測試SPI雙線模式的最高通信帶寬。ARM通過SPI總線寫入隨機數據至FPGA BRAM，然后讀出數據、進行數據校驗，循環100次，同時打印SPI總線讀寫速率和誤碼率，如下圖所示。

Target# ./spi_rw -d /dev/spidev1.0 -s 100000000 -OH -m 2-S 1048576 -c 100

圖?18

根據官方數據手冊（如下圖），SPI總線通信時鐘頻率理論值最大為100MHz。本次測試設置SPI總線通信時鐘頻率為最大值100MHz，則SPI雙線模式理論速率為：(100000000/1024/1024/4)MB/s ≈23.84MB/s。從上圖可知，在100MHz下實測SPI雙線模式寫速率為：11.676MB/s，SPI雙線模式讀速率為：22.591MB/s。

備注：由于本次測試受限于飛線連接方式，因此在100MHz通信時鐘頻率下測得誤碼率過高，測試結果僅供參考。

圖?19

同時測得CPU的占用率約為5.3%，如下圖所示。

圖?20

案例編譯

ARM端設備樹編譯

將案例"driverdtsnand"目錄下board.dts設備樹拷貝至LinuxSDK開發包內核源碼"device/config/chips/t113_i/configs/tlt113-evm-nand/linux-5.4/"目錄下。

圖?21

請按照《Linux系統使用手冊》文檔編譯Linux內核、設備樹等，并重新執行"./build.sh pack"命令，將會在"tools/pack/out/"目錄下生成新的boot.fex鏡像文件。將其拷貝至評估板文件系統進行固化，評估板重啟后將會加載新的設備樹文件，生成"/dev/spidev1.0"設備節點。

圖?22

ARM端程序編譯

將案例src源碼目錄拷貝至Ubuntu工作目錄下，進入源碼目錄，執行如下命令修改Makefile配置文件，LICHEE_DIR路徑修改為LinuxSDK開發包實際路徑，將LICHEE_OUT_SYS路徑修改為buildroot實際路徑。

Host# vi Makefile

圖?23

修改內容如下：

LICHEE_DIR := /home/tronlong/T113/tina5.0_v1.0 //指定LinuxSDK包安裝路徑

LICHEE_OUT_SYS = $(LICHEE_DIR)/out/t113_i/tlt113-evm-nand/buildroot/buildroot //指定buildroot實際路徑

備注：若為eMMC配置評估板，請將路徑"tlt113-evm-nand"修改為"tlt113-evm-emmc"。

圖?24

修改完成，繼續執行如下命令，使用LinuxSDK開發包目錄下的編譯器進行案例編譯，編譯完成將會在同一個目錄下生成可執行程序。

Host# make clean

Host# make

圖?25

ARM端程序關鍵代碼

1.打開SPI設備，分配讀寫緩沖區。

圖?26

2.配置SPI總線。

圖?27

3.SPI讀寫速率測試功能實現。

圖?28

4.單線模式。

圖?29

審核編輯 黃宇