基于AM437x的FPGA与ARM通信测试

1、FPGA与ARM基于I2C通信测试

表 1

开发板型号	是否支持本实验
TL437x-EVM	不支持
TL437x-EasyEVM	不支持
TL437x-IDK	不支持
TL437xF-EVM	支持

本测试程序将FPGA模拟成I2C设备，设备地址为0x2A，ARM使用I2C0总线对此I2C设备进行读写。

进入开发板文件系统的”/opt”目录，执行如下命令初始化FPGA程序加载功能的管脚。

Target# ./set_flash_fpga_pin.sh

执行如下命令启动FPGA程序加载功能，由ARM通过SPI总线加载.bit文件到FPGA中运行。打印信息中，如果FPGA_DONE的值为1，则表示.bit文件加载成功。

Target# ./flash_fpga.sh i2c_test.bit

图 1

此.bit文件主要实现FPGA和ARM的I2C通信功能，.bit文件、.mcs文件和源码位于FPGA光盘”Demo\app\IIC\”目录下。

执行如下命令查看挂载到I2C0总线的I2C设备地址，此处查询到的地址为0x2A。

Target# i2cdetect -r -y 0

图 2

执行如下命令对I2C设备0x00地址写0x55：

Target# i2cset -f -y 0 0x2a 0x00 0x55

执行如下命令读取I2C设备0x00地址的值：

Target# i2cget -f -y 0 0x2a 0x00

图 3

执行如下命令对I2C设备0x01地址写0xe0，开发板底板FPGA端LED5、LED6、LED7会被点亮。

Target# i2cset -f -y 0 0x2a 0x01 0xe0

执行如下命令对I2C设备0x01地址写0x00，开发板底板FPGA端LED5、LED6、LED7会被熄灭。

Target# i2cset -f -y 0 0x2a 0x01 0x00

图 4

FPGA端按键状态会保存在I2C设备0x02地址中。执行如下命令读取I2C设备0x02地址的值：

Target# i2cget -f -y 0 0x2a 0x02

图 5

分别长按开发板FPGA端按键KEY6、KEY7，并读取I2C设备0x02地址的值，分别为0xC0、0xA0。

图 6

2、FPGA与ARM基于GPMC通信测试

表 2

开发板型号	是否支持本实验
TL437x-EVM	不支持
TL437x-EasyEVM	不支持
TL437x-IDK	不支持
TL437xF-EVM	支持

本测试程序将FPGA模拟成GPMC内存设备，对 Linux系统而言，等效于外接内存。使用GMPC总线进行读写操作时，只需通过 mmap函数将物理地址映射为用户空间地址，就可以像对内存一样进行读写操作。

进入开发板文件系统的”/opt”目录，执行如下命令初始化FPGA程序加载功能的管脚。

Target# ./set_flash_fpga_pin.sh

执行如下命令启动FPGA程序加载功能，由ARM通过SPI总线加载.bit文件到FPGA中运行。打印信息中，如果FPGA_DONE的值为1，则表示.bit文件加载成功。

Target# ./flash_fpga.sh gpmc.bit

图 7

此.bit文件主要实现FPGA和ARM的GPMC通信功能，.bit文件、.mcs文件和源码位于FPGA光盘”Demo\app\GPMC\”目录下。

将ARM光盘"Demo\app\devmem2\bin"目录的内存读写工具可执行镜像文件devmem2拷贝到开发板文件系统任意路径。devmem2使用mmap将物理地址映射为进程的虚拟地址，然后对这个虚拟地址进行读写操作。

在devmem2文件所在路径，执行如下命令进行读写。

Target# ./devmem2 0x1000000 10000000 m 0x12

图 8

以上命令的作用是：向物理地址0x01000000中，写入长度为10000000字节数据0x12，然后将其读取出来，从而获得读写速度以及错误率。读写时，使用"memset/memcpy"函数。

FPGA连接到ARM的GPMC总线CS1的起始地址为0x1000000，GPMC数据线位宽为16bit，数据线地址线复用，已设置最大访问范围是16MB。

"error rate=0.0%"表示读取回来的数据与写入的数据一致，即GPMC通信正常。

devmem2工具使用说明

devmem2工具测试内存读写速率以及错误率，命令格式为：devmem2 phy_addr length type data，含义是向地址phy_addr中写入length字节的data，然后将其读取出来，从而获得读写的速度以及错误率。
每次读写的宽度根据type来确定，phy_addr表示物理地址，length表示读写的长度（以字节为单位），type可选b、h、w、m 或 d。

b：每次读写8位。

h：每次读写16位。

w：每次读写32位。

m：每次读写8位。调用memset进行写，调用memcpy进行读。

d：每次读写32位。

当type参数为b、h、w、m时，输出读写数据的大小、读写速度以及错误率。当type 参数为d时，输出写到指定内存和从中读取出来的值。

data表示将要写进内存的内容，为32位无符号整型数。但是在写时会根据每次读写的宽度进行截取。当type参数为b或者m时，将data截取前8位。当type参数为h时，将data截取前16位。当type参数为w时，不截取。

对同一个物理地址，根据不同的参数，读取的结果会有差异。经过测试，使用m选项进行读写时，可以获得较高的读写速率。另外，读写数据的长度length越大，测得的读写速度越准确。

3、AD8568数据采集显示综合例程

表 3

开发板型号	是否支持本实验
TL437x-EVM	不支持
TL437x-EasyEVM	不支持
TL437x-IDK	不支持
TL437xF-EVM	支持

本例程使用TL8568P/TL8568-B的AD采集模块进行测试。此模块基于TI公司的ADS8568芯片，8通道、双极性、16位、510KSPS，用于并行采集多路AD数据。

例程实现的功能是：FPGA控制AD8568进行数据采集，再将采集到的数据通过GPMC总线送到ARM端，ARM端使用运行Qt显示采集到的信号波形。整个过程的流程示意图大致如下：

进入内核源码，打开”arch/arm/boot/dts/”目录下的对应板型的设备树源文件。

NAND FLASH版本TL437xF-EVM开发板：am437x-gp-evm-fpga-nandflash.dts

eMMC版本TL437xF-EVM开发板：am437x-gp-evm-fpga-emmc.dts

在如下对应位置添加以下代码，注册按键事件来接收FPGA采集完成的中断，如下图所示：

button@2 {

label = "user-gpio5_7";

linux,code = <240>;

gpios = <&gpio5 7 GPIO_ACTIVE_LOW>;

gpio-key,wakeup;

debounce-interval=<0>;

};

图 9

在如下对应位置添加以下代码，设置中断管脚为输入模式，如下图所示：

0x25c (PIN_INPUT_PULLUP | MUX_MODE7) /*emu1.gpio5_7 */

图 10

修改完成后，重新编译设备树，使用“arch/arm/boot/dts”目录下新生成的.dtb设备树文件启动开发板文件系统。ARM光盘”Demo\qt\AD8568_GPMC\bin”目录下的am437x-gp-evm.dtb为验证通过的设备树文件。

ARM光盘”Demo\qt\AD8568_GPMC\bin”目录下的AD_Test为Qt程序可执行镜像。ARM光盘”Demo\qt\AD8568_GPMC\src\AD_Test”目录为工程源码。如果需要重新编译工程，请修改工程源码目录下的AD_Test.pro文件中的QWT组件的安装路径参数为实际安装路径。

将Qt程序可执行镜像AD_Test拷贝开发板文件系统任意路径下。将ARM光盘”Demo\qt\AD8568_GPMC\bin\lib”目录下的所有相关库文件拷贝到开发板文件系统“/usr/lib”目录下。

将FPGA光盘“Demo\app\AD8568_GPMC\bin”目录下的.bit文件ad8568_gpmc-0.bit/ad8568_gpmc-1.bit拷贝到开发板文件系统”/opt”目录。FPGA光盘“Demo\app\AD8568_GPMC\src”为FPGA工程源码。

开发板连接7寸LCD显示屏，将AD模块插入到开发板的FPGA ExPORT0/ExPORT1接口，并将模块对应通道连接信号源发生器的输入端，然后将模块AGND连接信号源发生器的地。模块量程为±10V。

执行如下命令终止Matrix程序：

Target# /etc/init.d/matrix-gui-2.0 stop

进入开发板文件系统的”/opt”目录，执行如下命令初始化FPGA程序加载功能的管脚。

Target# ./set_flash_fpga_pin.sh

执行如下命令启动FPGA程序加载功能，由ARM通过SPI总线加载.bit文件到FPGA中运行。打印信息中，如果FPGA_DONE的值为1，则表示.bit文件加载成功。

Target# ./flash_fpga.sh ad8568_gpmc-0.bit

图 11

此.bit文件主要实现FPGA端采集AD数据，并通过GPMC总线把数据送往ARM端。

在AD_Test所在路径下，执行如下命令运行Qt程序，显示AD数据波形。

Target# ./AD_Test -plugin Tslib

图 12

点击屏幕上的pause按钮后，波形暂停在某个状态，再点击start按钮，屏幕又开始显示动态的波形，点击Exit退出显示。

4、基于TL37xF-EVM的GPMC数据读取

表 4

开发板型号	是否支持本实验
TL437x-EVM	不支持
TL437x-EasyEVM	不支持
TL437x-IDK	不支持
TL437xF-EVM	支持

本实验使用TL437xF-EVM开发板，SOM-TL437xF核心板硬件链接上，AM437x已通过GPMC总线连接FPGA芯片，并配置为异步、地址数据线复用的通信模式。实际连接中只用16位数据线，不使用地址线。

本实验实现功能：ARM端通过GPMC读取FPGA端的数据，FPGA端实现每个nOE信号下降沿来的时候，把16bit的数据送到GPMC_DATA端口，并自加一次。

图 13

4.1设备树源码修改及编译

本实验需要按照如下方法配置设备树文件下的GPMC时序。为便于客户测试，我司提供经验证的dtb文件位于“光盘\Demo\app\gpmc_edma_read\bin”目录下。直接将其拷贝到开发板文件系统“/boot”目录即可。

打开Ubuntu，进入Linux内核源码顶层目录执行如下指令，打开TL437xF-EVM开发板对应的设备树源文件：

Host# vi arch/arm/boot/dts/am437x-gp-evm-fpga-nandflash.dts

图 14

按照下图方法，在打开的设备树源文件“nor@1,0”节点中配置GPMC的时序：

gpmc,mux-add-data = <0>; /* 1: address-address-data multiplexing mode, 2: address-data multiplexing mode. 配置为模式0表示不使用地址*/

gpmc,cs-on-ns = <0>;

gpmc,cs-rd-off-ns = <28>;

gpmc,cs-wr-off-ns = <5>;

gpmc,adv-on-ns = <0>;

gpmc,adv-rd-off-ns = <0>;

gpmc,adv-wr-off-ns = <0>;

gpmc,oe-on-ns = <10>;

gpmc,oe-off-ns = <10>;

gpmc,we-on-ns = <5>;

gpmc,we-off-ns = <5>;

gpmc,rd-cycle-ns = <28>;

gpmc,wr-cycle-ns = <10>;

gpmc,access-ns = <20>;

gpmc,page-burst-access-ns = <0>;

gpmc,wr-data-mux-bus-ns = <0>;

gpmc,wr-access-ns = <0>;

图 15

配置完成后保存退出，在内核源码顶层目录下执行如下指令编译生成“arch/arm/boot/dts/am437x-gp-evm-fpga-nandflash.dts”设备树文件。

Host# make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- am437x-gp-evm-fpga-nandflash.dtb

图 16

将编译生成的“am437x-gp-evm-fpga-nandflash.dtb”文件重命名为am437x-gp-evm.dtb，并替换掉SD系统启动卡rootfs分区“/boot”目录下原来的am437x-gp-evm.dtb文件。

4.2EDMA连续读取数据测试

将光盘“Demo\app\gpmc_edma_read\bin”目录下gpmc_edma_read.ko和gpmc_fifo.bit文件拷贝到开发板文件系统“/opt”目录下。

开发板上电启动，进入文件系统的“/opt”目录，执行如下命令初始化FPGA程序加载功能的管脚。

Target# ./set_flash_fpga_pin.sh

图 17

执行如下命令烧写FPGA端的gpmc_fifo.bit文件，打印信息中，如果FPGA_DONE的值为1，则表示.bit文件加载成功。

Target# ./flash_fpga.sh gpmc_fifo.bit

图 18

执行如下指令加载gpmc_edma_read.ko驱动模块，由下图可见使用EDMA连续读取到的数据从FFFF递减1到F000：

Target# insmod gpmc_edma_read.ko

图 19

本次传输数据大小为8 Kbytes，传输时间为169-35=134us，可以算出使用EDMA数据传输数率大小约为60MB/s。

4.3不使用EDMA连续读取数据测试

将光盘“Demo\app\gpmc_edma_read\bin”目录下的tl-devmem2_read文件拷贝到开发板文件系统“/opt”目录下。

开发板上电进入文件系统的“/opt”目录，依次执行如下命令初始化FPGA程序加载功能的管脚，并烧写FPGA端的gpmc_fifo.bit文件：

Target# ./set_flash_fpga_pin.sh

Target# ./flash_fpga.sh gpmc_fifo.bit

图 20

执行如下指令，不使用EDMA，在CPU控制下连续读取FPGA端的数据：

Target# ./tl-devmem2_read 0x1000000 2048 m 0x12

图 21

由上图可见，在这种模式下，数据传输速率为33.675MB/s，并且CPU的占用率会比较高。