国产！全志T113-i 双核Cortex-A7@1.2GHz 工业开发板—ARM + FPGA通信案例

前  言

本文主要介绍基于全志科技T113与FPGA的核间通信案例，适用开发环境如下。

Windows开发环境：Windows 7 64bit、Windows 10 64bit

虚拟机：VMware15.5.5

Linux开发环境：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)

无特殊说明情况下，默认基于NAND FLASH配置评估板进行演示，使用USB TO UART0作为调试串口，通过Linux系统启动卡（Micro SD方式）启动系统。

本文档对应案例的测试结果说明如下表所示。

spi_rw案例

案例说明

案例功能：主要演示T113(ARM Cortex-A7)与Spartan-6(FPGA)处理器之间的SPI通信。案例源码位于“4-软件资料\Demo\base-demos\spi_rw\”目录下，具体目录结构说明如下。

1. ARM端实现SPI Master功能，具体如下：
2. 打开SPI设备节点，如：/dev/spidev1.0。
3. 使用ioctl配置SPI总线，如SPI总线极性和相位、通信速率、数据字长度等。
4. 选择模式为单线模式或双线模式。当SPI总线为双线模式时，发送数据是单线模式，接收数据是双线模式。
5. 发送数据至SPI总线，并从SPI总线读取数据。
6. 打印发送和接收速率。
7. 校验读写数据，然后打印误码率。
8. FPGA端实现SPI Slave功能，具体如下：
9. FPGA将SPI Master发送的数据保存至BRAM。
10. SPI Master发起读数据时，FPGA从BRAM读取数据通过SPI总线传输给SPI Master。
11. 当SPI总线为双线模式，接收数据支持双线模式，而发送数据不支持双线模式。

图 1 ARM端程序流程图

1. 本案例使用的设备树源文件为"driver\dts\nand\board.dts"。该设备树源文件基于LinuxSDK开发包内核源码中的board.dts设备树进行修改，具体修改内容如下。
2. 屏蔽reg_usb0_vbus节点GPIO配置，避免引脚复用冲突。
3. 关闭UART1节点，避免引脚复用冲突。
4. 新增SPI总线和spidev驱动配置。生成/dev/spidev1.0节点，为应用层提供SPI的配置和读写数据的接口。

图 2

图 3

图 4

图 5

案例测试

硬件连接

由于评估底板拓展接口未预留SPI总线引脚，因此需参考如下方法进行飞线连接，并且应尽可能使用短线连接。

图 6

1.请根据评估底板丝印将SPI1的测试点TP25(SPI1 MISO)、TP26(SPI1 MOSI)、TP27(SPI1 CLK)、TP28(SPI1 CS)通过飞线引出。

图 7

图 8

2.将飞线引出的引脚与创龙科技TL-HSAD-LX采集卡的拓展接口(KJ2)按照下表对应关系进行连接。

表 3

3.将评估底板LVDS LCD接口的第26引脚(GND)连接至TL-HSAD-LX采集卡拓展接口(KJ13)的第1引脚，进行共地连接。

图 9

案例测试

将案例bin目录下的可执行文件spi_rw、"driver\kernel\nand\"目录下的boot.fex镜像文件拷贝至评估板文件系统任意目录下。

评估板上电启动，在评估板文件系统boot.fex文件所在路径下，执行如下命令替换原来的固件，并重启评估板。

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

Target# sync

Target# reboot

图 10

评估板重启后，执行如下命令查看新生成的spidev设备节点。

Target# ls /dev/spidev1.0

图 11

执行如下命令查询程序命令参数。

Target# ./spi_rw -h

图 12

1.单线模式

TL-HSAD-LX采集卡上电启动，加载运行案例"bram_spi\bin\"目录下的程序可执行文件，bram_spi程序支持SPI单线模式。

2.功能测试

执行如下命令运行程序，ARM通过SPI总线写入2KByte随机数据至FPGA BRAM，然后读出数据、进行数据校验，同时打印SPI总线读写速率和误码率，如下图所示。

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

参数解析：

-d：设置设备节点；

-s：设置通信时钟频率(Hz)；

-O：时钟极性反转(CPOL=1)；

-H：下降沿采集数据(CPHA=1)；

-m：选择模式传输模式（1表示单线模式。2表示双线模式）；

-S：设置传输数据大小，单位为Byte；

-c：循环传输数据包的次数。

图 13

本次测试指定SPI总线通信时钟频率为5MHz，则SPI单线模式理论通信速率为：(5000000/1024/1024/8)MB/s ≈ 0.596MB/s。从上图可知，本次实测SPI单线模式写速率为0.559MB/s，读速率为0.559MB/s，误码率为0.0%。

备注：由于本案例硬件采用飞线方式进行连接，因此若设置SPI总线通信时钟频率超过10MHz，可能会出现误码现象。

1.性能测试

执行如下命令运行程序，测试SPI单线模式的最高通信带宽。ARM通过SPI总线写入随机数据至FPGA BRAM，然后读出数据、进行数据校验，循环100次，同时打印SPI总线读写速率和误码率，如下图所示。

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

图 14

根据官方数据手册（如下图），SPI总线通信时钟频率理论值最大为100MHz。本次测试设置SPI总线通信时钟频率为最大值100MHz，则SPI单线模式理论速率为：(100000000/1024/1024/8)MB/s ≈ 11.92MB/s。从上图可知，在100MHz下实测SPI单线模式写速率为：11.371MB/s，SPI单线模式读速率为：11.371MB/s。

备注：由于本次测试受限于飞线连接方式，因此在100MHz通信时钟频率下测得误码率过高，测试结果仅供参考。

图 15

同时测得CPU的占用率约为4.6%，如下图所示。

图 16

2.双线模式

TL-HSAD-LX采集卡上电启动，加载运行案例"bram_spi_dual\bin\"目录下的程序可执行文件，bram_spi_dual程序支持SPI双线模式。

3.功能测试

执行如下命令运行程序，ARM通过SPI总线写入2KByte随机数据至FPGA BRAM，然后读出数据、进行数据校验，同时打印SPI总线读写速率和误码率，如下图所示。

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

参数解析：

-d：设置设备节点；

-s：设置通信时钟频率(Hz)；

-O：时钟极性反转(CPOL=1)；

-H：下降沿采集数据(CPHA=1)；

-m：选择模式传输模式（1表示单线模式。2表示双线模式）；

-S：设置传输数据大小，单位为Byte；

-c：循环传输数据包的次数。

图 17

本次测试指定SPI总线通信时钟频率为5MHz，则SPI双线模式理论通信速率为：(5000000/1024/1024/4)MB/s ≈ 1.192MB/s。从上图可知，本次实测SPI双线模式写速率为0.559MB/s，读速率为1.104MB/s，误码率为0.0%。

备注：由于本案例硬件采用飞线方式进行连接，因此若设置SPI总线通信时钟频率超过10MHz，可能会出现误码现象。

4.性能测试

执行如下命令运行程序，测试SPI双线模式的最高通信带宽。ARM通过SPI总线写入随机数据至FPGA BRAM，然后读出数据、进行数据校验，循环100次，同时打印SPI总线读写速率和误码率，如下图所示。

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

图 18

根据官方数据手册（如下图），SPI总线通信时钟频率理论值最大为100MHz。本次测试设置SPI总线通信时钟频率为最大值100MHz，则SPI双线模式理论速率为：(100000000/1024/1024/4)MB/s ≈ 23.84MB/s。从上图可知，在100MHz下实测SPI双线模式写速率为：11.676MB/s，SPI双线模式读速率为：22.591MB/s。

备注：由于本次测试受限于飞线连接方式，因此在100MHz通信时钟频率下测得误码率过高，测试结果仅供参考。

图 19

同时测得CPU的占用率约为5.3%，如下图所示。

图 20

案例编译

ARM端设备树编译

将案例"driver\dts\nand\"目录下board.dts设备树拷贝至LinuxSDK开发包内核源码"device/config/chips/t113_i/configs/tlt113-evm-nand/linux-5.4/"目录下。

图 21

请按照《Linux系统使用手册》文档编译Linux内核、设备树等，并重新执行"./build.sh pack"命令，将会在"tools/pack/out/"目录下生成新的boot.fex镜像文件。将其拷贝至评估板文件系统进行固化，评估板重启后将会加载新的设备树文件，生成"/dev/spidev1.0"设备节点。

图 22

ARM端程序编译

将案例src源码目录拷贝至Ubuntu工作目录下，进入源码目录，执行如下命令修改Makefile配置文件，LICHEE_DIR路径修改为LinuxSDK开发包实际路径，将LICHEE_OUT_SYS路径修改为buildroot实际路径。

Host# vi Makefile

图 23

修改内容如下：

LICHEE_DIR  := /home/tronlong/T113/tina5.0_v1.0 //指定LinuxSDK包安装路径

LICHEE_OUT_SYS = $(LICHEE_DIR)/out/t113_i/tlt113-evm-nand/buildroot/buildroot //指定buildroot实际路径

备注：若为eMMC配置评估板，请将路径"tlt113-evm-nand"修改为"tlt113-evm-emmc"。

图 24

修改完成，继续执行如下命令，使用LinuxSDK开发包目录下的编译器进行案例编译，编译完成将会在同一个目录下生成可执行程序。

Host# make clean

Host# make

图 25

ARM端程序关键代码

1.打开SPI设备，分配读写缓冲区。

图 26

2.配置SPI总线。

图 27

3.SPI读写速率测试功能实现。

图 28

1. 单线模式。

图 29