pcie实现虚拟串口

一、pcie实现虚拟串口概述
1.可以使用xdma和pcie接口来实现虚拟串口
2.虚拟串口设计的设计内容包括逻辑设计和驱动设计两部分内容
3.用于工业相机，工业控制，pci卡或者pcie卡
4.底层本质上还是pcie，pcie驱动相机的串口，pcie作为桥，上位机把
pcie当作串口来使用

二、设计
1.使用xilinx的xdma ip核，然后通过pcie总线来实现一个虚拟的串口
2.FPGA逻辑部分，通过axilite接口设计一个axilite_uart来驱动工业相机
3.windows驱动从pcie抽象出来一个串口，这个串口设计可以在windows驱动上做，
也可以直接在qt应用层来做，如果自己用就在qt上开发即可，功能是可以实现的，
但是通用性就没有那么好，如果想通用，那么就在windows驱动去设计，可以看
一些图像采集卡的厂家，都是在windows驱动中去做的，然后在windows的注册表中
注册串口号
4.主机操作系统呈现为一个标准的串口（COM口或tty设备）。主机上的应用程序可以像使用普通串口一样与之通信，而实际的数据传输是通过高速的PCIe总线完成的。
5.可以在设备管理器中发现一个你新开发的串口端口号

三、虚拟串口设计框架图

四、虚拟串口控制器核心设计
1.使用axilite接口，用于接收pc的控制命令，比如波特率的设置，
数据位的设备，停止位，奇偶校验等
定义一组寄存器：

CTRL_REG： 使能发送、使能接收、中断使能、复位等控制位。

STATUS_REG： 发送忙、接收就绪、溢出错误等状态位。

BAUD_DIV_REG： 波特率分频值（根据FPGA时钟计算）。

FIFO_TX_DATA： 主机写入要发送的数据。

FIFO_RX_DATA： 主机读取接收到的数据。

IRQ_EN_REG： 控制哪些事件可以产生中断（如RX有数据、TX空闲）。

2.uart core
可以使用Xilinx的AXI UART Lite或AXI UART 16550 IP核，也可以自己用VHDL/Verilog编写一个简单的UART收发器。

3.中断逻辑：

当RX FIFO非空（有数据可读）或TX FIFO为空（可以接收新数据）时，根据中断使能寄存器的设置，产生一个脉冲信号连接到XDMA的usr_irq_req端口。

这将触发一个MSI/MSI-X中断到主机，通知驱动进行处理。

五、驱动和应用程序设计
在主机端，我们需要让操作系统将这个特定的PCIe设备识别为一个串口。
方案一：定制内核驱动（Linux/Windows）
这是最正统但也是最复杂的方法。

Linux驱动：

你需要编写一个字符设备驱动或TTY层驱动。

驱动需要：

探测到你的特定PCIe设备（通过Vendor ID和Device ID）。

映射PCIe BAR空间，从而能够读写FPGA端的寄存器。

处理来自XDMA的中断（MSI/MSI-X）。

实现tty_driver、tty_operations等结构体定义的函数，如open, close, write, set_termios等。

在write函数中，将用户要发送的数据通过XDMA的H2C Stream通道或MMIO（Memory-Mapped I/O）写入FPGA。

在中断处理例程中，从C2H Stream通道或MMIO读取FPGA收到的数据，并通过tty_flip_buffer_push提交给TTY层，最终被用户空间的read调用获取。

创建一个/dev/ttyXXX设备节点。

Windows驱动：

同样需要编写一个KMDF或WDM驱动程序。

更为复杂，需要遵循Windows的串口驱动框架（SerCx或SerCx2）。

你需要实现一系列EvtDriverDeviceAdd、EvtIoRead、EvtIoWrite、EvtInterruptIsr等回调函数。

驱动程序需要进行签名才能在64位系统上加载，这增加了开发难度和成本。

2.桥接程序（用户态）：

你只需要编写一个运行在用户空间的应用程序。

这个程序的工作是：

打开/dev/xdmaX_h2c_0和/dev/xdmaX_c2h_0等设备文件。

使用select或epoll监听中断事件文件（/dev/xdmaX_events_0），或者使用轮询方式。

当检测到“有数据可读”的中断时，从c2h设备文件读取数据（FPGA发来的数据）。

将读取到的数据写入一个真实的虚拟串口（如使用sudo socat -d -d PTY,raw,echo=0 PTY,raw,echo=0创建的一对伪终端/dev/pts/X之一）。

同时，监听另一个伪终端，如果有数据到来（来自主机上的终端程序，如Putty），则将其写入h2c设备文件（发送给FPGA）。

优点： 完全在用户空间开发，无需深入内核驱动开发，调试方便。可以利用libudev等库实现设备的热插拔管理。

缺点： 性能稍低于内核驱动，且需要运行一个后台守护进程。

六、驱动设计的两种方案对比