Petalinux 下使用 UIO 实现 AXI GPIO & AXI Stream FIFO 驱动

前言

瑟如电子TDC的很多用户在standalone环境下使用TDC，但近来也有客户在问，能否在linux下使用。在绝大多数的中低速应用下，一般都推荐用户使用axi stream fifo IP 来获取TDC IP产生的时间戳数据。当然也可以使用AXI DMA，虽然有官方的linux驱动，但是AXI DMA占用面积较大,资源较多，中低速环境下太浪费了。对于Linux驱动，我也才是菜鸟级别，照着示例写过一点字符型驱动。不过一套流程走下来，略显繁琐，而且不便于日后维护。一番比较研究之后，发现使用UIO的框架来实现更为简洁，如果不用中断功能的话，几乎不用在kernel里写程序。因此定下方向：使用UIO实现axi stream fifo 的数据读取。

本文主要的两个参考来源如下：

何晔：当ZYNQ遇到Linux Userspace I/O
Vacajk: ZYNQ中的UIO驱动和中断程序学习【Xilinx-Petalinux学习】

Vivado 工程

功能定义

使用UIO驱动通过AXI GPIO控制PL端的LED。
使用UIO驱动读取AXI Stream FIFO（AXI-Lite）的缓存内容
此外为了便于调试还需要Zynq具有以下端口：Ethernet, SD,
UART。其中，Ethernet用于NFS，便于程序的远程运行与调试。

创建Vivado工程

工程基于黑金的AX7020开发板，FPGA型号设置如下图：

首先添加Zynq PS, 设置DDR、PS/PL MIO，
并使能PL到PS的中断端口。本示例外设的MIO设置如下图：

第二步，添加AXI GPIO IP，用于控制PL侧的LED。GPIO
IP位宽设为8位，低4位连接LED，高4位连接按键。并勾选Enable
Interrupt，添加中断输出端口。本示例只演示控制GPIO低4位的输出，以控制LED。按键输入及中断功能，如有兴趣可自行测试。

第三步，添加AXI Stream FIFO, 配置如下：

因为只用到接收功能，所以没有配置数据发送端口。数据接口格式设置为AXI4-Lite。

第四步，添加自定义IP，产生AXI Stream 数据，输出到AXI Stream
FIFO。在Vivado中点击Tools->Create and package New IP，选择创建AXI4外设：

为自定义IP选取数据端口：AXI Stream
Master。创建完成后，IP中已经包含了示例。该示例的功能为系统初始化后，等待一段时间然后对外发送32字节，也就是8个Word的数据，数据内容为0x01-0x08。可初步满足测试需求。

第五步，连接中断，并自动连接AXI端口。AXI GPIO 以及AXI Stream
FIFO的中断输出通过concate IP 连接到PS的中断接口。

最后，编写XDC文件，将GPIO的端口定义到对应的Led及Key上，并进行综合和实现，最终生成Bitstream。通过File->Export->
Export
Hardware，将硬件定义导出到指定的目录。记住这个目录，之后配置Petalinux的时候要用到。下图是Vivado
工程的Block Diagram。

Petalinux 配置

在这一节中，我们首先基于之前生成的Vivado工程，配置petalinux，使能UIO platform driver, 修改device tree，将AXI GPIO及AXI Stream FIFO的驱动改为generic-uio，最后生成用于从SD启动的镜像文件。

第一步，创建工程以及配置硬件描述文件：

source /opt/petalinux/settings.sh
petalinux-create -t project –-template zynq -n uio_test
cd uio_test
petalinux-config --get-hw-description ../xxxxxxx/

(…/xxxx是之前导出hardware的目录相对路径)

这一步没什么要修改的，保存，退出就可以。

第二步，配置内核：

petalinux-config -c kernel

Device Drivers —>Userspace I/O drivers —>

如上图勾选两个选项。

第三步，编译设备树：

petalinux-build -c device-tree

编译完成后，到petalinux 工程目录下.：

/components/plnx_workspace/device-tree-generation/pl.dtsi中可以看到系统自动识别出的PL侧的设备树信息。可以看到识别出来两个设备：分别为axi_fifo_mm_s_0 以及 axi_gpio_0。

/ {amba_pl: amba_pl {\#address-cells = \<1\>;\#size-cells = \<1\>;compatible = "simple-bus";ranges ;axi_fifo_mm_s_0: axi_fifo_mm_s\@43c00000 {compatible = "xlnx,axi-fifo-mm-s-4.1";interrupt-parent = \<\&intc\>;interrupts = \<0 30 4\>;reg = \<0x43c00000 0x10000\>;xlnx,axi-str-rxd-protocol = "XIL_AXI_STREAM_ETH_DATA";xlnx,axi-str-rxd-tdata-width = \<0x20\>;xlnx,axi-str-txc-protocol = "XIL_AXI_STREAM_ETH_CTRL";xlnx,axi-str-txc-tdata-width = \<0x20\>;xlnx,axi-str-txd-protocol = "XIL_AXI_STREAM_ETH_DATA";xlnx,axi-str-txd-tdata-width = \<0x20\>;xlnx,axis-tdest-width = \<0x4\>;xlnx,axis-tid-width = \<0x4\>;xlnx,axis-tuser-width = \<0x4\>;xlnx,data-interface-type = \<0x0\>;xlnx,has-axis-tdest = \<0x0\>;xlnx,has-axis-tid = \<0x0\>;xlnx,has-axis-tkeep = \<0x0\>;xlnx,has-axis-tstrb = \<0x0\>;xlnx,has-axis-tuser = \<0x0\>;xlnx,rx-fifo-depth = \<0x200\>;xlnx,rx-fifo-pe-threshold = \<0x2\>;xlnx,rx-fifo-pf-threshold = \<0x1fb\>;xlnx,s-axi-id-width = \<0x4\>;xlnx,s-axi4-data-width = \<0x20\>;xlnx,select-xpm = \<0x0\>;xlnx,tx-fifo-depth = \<0x200\>;xlnx,tx-fifo-pe-threshold = \<0x2\>;xlnx,tx-fifo-pf-threshold = \<0x1fb\>;xlnx,use-rx-cut-through = \<0x0\>;xlnx,use-rx-data = \<0x1\>;xlnx,use-tx-ctrl = \<0x0\>;xlnx,use-tx-cut-through = \<0x0\>;xlnx,use-tx-data = \<0x0\>;};axi_gpio_0: gpio\@41200000 {\#gpio-cells = \<2\>;\#interrupt-cells = \<2\>;compatible = "xlnx,xps-gpio-1.00.a";gpio-controller ;interrupt-controller ;interrupt-parent = \<\&intc\>;interrupts = \<0 29 4\>;reg = \<0x41200000 0x10000\>;xlnx,all-inputs = \<0x0\>;xlnx,all-inputs-2 = \<0x0\>;xlnx,all-outputs = \<0x0\>;xlnx,all-outputs-2 = \<0x0\>;xlnx,dout-default = \<0x00000000\>;xlnx,dout-default-2 = \<0x00000000\>;xlnx,gpio-width = \<0x8\>;xlnx,gpio2-width = \<0x20\>;xlnx,interrupt-present = \<0x1\>;xlnx,is-dual = \<0x0\>;xlnx,tri-default = \<0xFFFFFFFF\>;xlnx,tri-default-2 = \<0xFFFFFFFF\>;};};};

打开文件./project-spec/meta-user/recipes-bsp/device-tree/files/system-user.dtsi，
将pl.dtsi中的内容复制进去，并将两个设备的compatible都改为compatible =
“generic-uio”;并在两个设备后添加：

chosen {bootargs = "console=ttyPS0,115200 earlyprintk uio_pdrv_genirq.of_id=generic-uio";stdout-path = "serial0:115200n8";};

由于本示例没有用到中断，所以设备树里也没有添加中断的描述，如果需要用到，请参考参考资源（1）.

第四步就可以编译petalinux工程了。

petalinux-build

编译完成后，生成镜像文件：

petalinux-package --boot --fsbl=./images/linux/zynq_fsbl.elf --fpga --u-boot --force

之后将petalinux工程目录下/images/linux/中的boot.bin和image.ub拷贝到SD卡上，插入AX7020开发板，设置好从SD卡启动的跳线。

为了实现NFS，将开发板接入与上位主机位于同一网段的局域网，启动板子。

来到登录界面后，输入用户名root, 密码root，进入系统。

UIO GPIO 测试

首先查看UIO设备

ls /dev/uio*:

根据设备树中的顺序，uio0 为axi stream fifo, uio1 为axi gpio。

编写GPIO测试程序

从vacajk的博文中复制过来的gpio-uio-test.c代码：

/** This application reads/writes GPIO devices with UIO.**/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>#define IN 0
#define OUT 1#define GPIO_MAP_SIZE 0x10000#define GPIO_DATA_OFFSET 0x00
#define GPIO_TRI_OFFSET 0x04
#define GPIO2_DATA_OFFSET 0x08
#define GPIO2_TRI_OFFSET 0x0C#define GIER 0x011C
#define IP_IER 0x0128
#define IP_ISR 0x0120void usage(void)
{printf("*argv[0] -d <UIO_DEV_FILE> -i|-o <VALUE>\n");printf("    -d               UIO device file. e.g. /dev/uio0");printf("    -i               Input from GPIO\n");printf("    -o <VALUE>       Output to GPIO\n");return;
}int main(int argc, char *argv[])
{int c;int fd;int direction=IN;char *uiod;int value = 0;int valued = 0;int irq_on = 1;void *ptr;printf("GPIO UIO test.\n");while((c = getopt(argc, argv, "d:io:h")) != -1) {switch(c) {case 'd':uiod=optarg;break;case 'i':direction=IN;break;case 'o':direction=OUT;valued=atoi(optarg);break;case 'h':usage();return 0;default:printf("invalid option: %c\n", (char)c);usage();return -1;}}/* Open the UIO device file */fd = open(uiod, O_RDWR);if (fd < 1) {perror(argv[0]);printf("Invalid UIO device file:%s.\n", uiod);usage();return -1;}/* mmap the UIO device */ptr = mmap(NULL, GPIO_MAP_SIZE, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);/* Print Interrupt Registers */value = *((unsigned *) (ptr + GIER));printf("%s: GIER: %08x\n",argv[0], value);value = *((unsigned *) (ptr + IP_IER));printf("%s: IP_IER: %08x\n",argv[0], value);value = *((unsigned *) (ptr + IP_ISR));printf("%s: IP_ISR: %08x\n",argv[0], value);/* Enable All Interrupts */printf("%s: Enable All Interrupts in Regs\n", argv[0]);*((unsigned *)(ptr + GIER)) = 0x80000000;*((unsigned *)(ptr + IP_IER)) = 0x3;*((unsigned *)(ptr + IP_ISR)) = 0x3;/* Enable UIO interrupt */write(fd, &irq_on, sizeof(irq_on));if (direction == IN) {/* Read from GPIO */*((unsigned *)(ptr + GPIO_TRI_OFFSET)) = 255;value = *((unsigned *) (ptr + GPIO_DATA_OFFSET));printf("%s: input: %08x\n",argv[0], value);} else {/* Write to GPIO */*((unsigned *)(ptr + GPIO_TRI_OFFSET)) = 0;value = valued;*((unsigned *)(ptr + GPIO_DATA_OFFSET)) = value;}/* Print Interrupt Registers */value = *((unsigned *) (ptr + GIER));printf("%s: GIER: %08x\n",argv[0], value);value = *((unsigned *) (ptr + IP_IER));printf("%s: IP_IER: %08x\n",argv[0], value);value = *((unsigned *) (ptr + IP_ISR));printf("%s: IP_ISR: %08x\n",argv[0], value);munmap(ptr, GPIO_MAP_SIZE);return 0;
}

在编译之前，我们先简单分析一下源代码：

首先，对输入的参数进行解析：
参数d
定义了UIO设备的文件路径，之后所有对UIO设备的操作，都是以这个文件为接口的。在本示例中，/dev/uio1代表了AXI GPIO， /dev/uio0代表了axi stream fifo。

参数i/o
指定了对GPIO是输入还是输出操作。

之后打开设备文件，通过

ptr = mmap(NULL, GPIO_MAP_SIZE, PROT_READ\|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd,0);

将设备寄存器地址映射到用户空间的虚拟地址上。对该虚拟地址进行读写操作，就能直接对设备寄存器进行读写操作。

忽略中断的内容直接看这一段：

 if (direction == IN) {/* Read from GPIO */*((unsigned *)(ptr + GPIO_TRI_OFFSET)) = 255;value = *((unsigned *) (ptr + GPIO_DATA_OFFSET));printf("%s: input: %08x\n",argv[0], value);} else {/* Write to GPIO */*((unsigned *)(ptr + GPIO_TRI_OFFSET)) = 0;value = valued;*((unsigned *)(ptr + GPIO_DATA_OFFSET)) = value;}

可见，当对GPIO执行输出操作时，先将对应的三态寄存器写入0，将GPIO设置为输出状态，然后再写入对应的数据寄存器。

接下来在Linux上位机中进行编译：

source /xxxxx/settings.sh

(/xxxx是petalinux所在的绝对路径)

arm-linux-gnueabihf-gcc uio_test.c -o uio_test2

生成了针对目标器件在linux下可执行文件uio_test2

下面要把uio_test2复制到Linux主机下的NFS目录，并在AX7020上挂载目录，并运行程序。

挂载NFS文件夹：

mount -t nfs -o nolock 192.168.1.12:/xxxx/Work_NFS /mnt

（/xxxx/Work_NFS 是用户自己设置的NFS绝对路径。NFS的设置不在本文范围之内，需要注意的是，如果像我一样采用虚拟机运行Linux host的，需要将虚拟机的网卡设为桥接模式。）

将可执行程序uio_test2 复制到/xxxx /Work_NFS。在串口终端中进入/mnt,如果NFS没有问题，可以看到刚刚复制的uio_test2。

接着我们就要运行程序，控制LED。之前提到AXI GPIO的低四位接到了PL侧的LED。而查看AX7020的电路图可以发现，LED对应的pin为低时点亮，高时熄灭。

先熄灭第一个LED，点亮其余；（从左侧第3个LED起为PL LED）

在串口终端中运行如下命令

uio_test2 -d /dev/uio1 -o 1

熄灭第2、3个LED,点亮其余：

uio_test2 -d /dev/uio1 -o 6

AXI Stream FIFO IP UIO 驱动

有了用UIO 驱动GPIO的经验，写读取AXI Stream FIFO的UIO驱动也就更直观了。在用户空间程序中，我们只要打开axi stream fifo对应的设备文件，映射内存，然后操作对应的寄存器即可。非常有参考价值的两份资料：一是SDK自带的axi stream fifo bare-metal 示例；二是IP的说明文档AXI4-Streaem FIFO IP Product Guide (PG080)。SDK的示例可从bsp的system.mss找到。

点击Import Example:

闲话少说，直接上代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>#define GPIO_MAP_SIZE 0x10000#define XLLF_ISR_OFFSET  0x00000000  /**< Interrupt Status */
#define XLLF_IER_OFFSET  0x00000004  /**< Interrupt Enable */#define XLLF_TDFR_OFFSET 0x00000008  /**< Transmit Reset */
#define XLLF_TDFV_OFFSET 0x0000000c  /**< Transmit Vacancy */
#define XLLF_TDFD_OFFSET 0x00000010  /**< Transmit Data */
#define XLLF_AXI4_TDFD_OFFSET   0x00000000  /**< Axi4 Transmit Data */
#define XLLF_TLF_OFFSET  0x00000014  /**< Transmit Length */#define XLLF_RDFR_OFFSET 0x00000018  /**< Receive Reset */
#define XLLF_RDFO_OFFSET 0x0000001c  /**< Receive Occupancy */
#define XLLF_RDFD_OFFSET 0x00000020  /**< Receive Data */
#define XLLF_AXI4_RDFD_OFFSET   0x00001000  /**< Axi4 Receive Data */
#define XLLF_RLF_OFFSET  0x00000024  /**< Receive Length */
#define XLLF_LLR_OFFSET  0x00000028  /**< Local Link Reset */
#define XLLF_TDR_OFFSET  0x0000002C  /**< Transmit Destination  */
#define XLLF_RDR_OFFSET  0x00000030  /**< Receive Destination  */#define XLLF_INT_RPURE_MASK       0x80000000 /**< Receive under-read */
#define XLLF_INT_RPORE_MASK       0x40000000 /**< Receive over-read */
#define XLLF_INT_RPUE_MASK        0x20000000 /**< Receive underrun (empty) */
#define XLLF_INT_TPOE_MASK        0x10000000 /**< Transmit overrun */
#define XLLF_INT_TC_MASK          0x08000000 /**< Transmit complete */
#define XLLF_INT_RC_MASK          0x04000000 /**< Receive complete */
#define XLLF_INT_TSE_MASK         0x02000000 /**< Transmit length mismatch */
#define XLLF_INT_TRC_MASK         0x01000000 /**< Transmit reset complete */
#define XLLF_INT_RRC_MASK         0x00800000 /**< Receive reset complete */
#define XLLF_INT_TFPF_MASK        0x00400000 /**< Tx FIFO Programmable Full,* AXI FIFO MM2S Only */
#define XLLF_INT_TFPE_MASK        0x00200000 /**< Tx FIFO Programmable Empty* AXI FIFO MM2S Only */
#define XLLF_INT_RFPF_MASK        0x00100000 /**< Rx FIFO Programmable Full* AXI FIFO MM2S Only */
#define XLLF_INT_RFPE_MASK        0x00080000 /**< Rx FIFO Programmable Empty* AXI FIFO MM2S Only */
#define XLLF_INT_ALL_MASK         0xfff80000 /**< All the ints */
#define XLLF_INT_ERROR_MASK       0xf2000000 /**< Error status ints */
#define XLLF_INT_RXERROR_MASK     0xe0000000 /**< Receive Error status ints */
#define XLLF_INT_TXERROR_MASK     0x12000000 /**< Transmit Error status ints */
/*@}*//** @name Reset register values*  These bits are associated with the XLLF_TDFR_OFFSET and XLLF_RDFR_OFFSET*  reset registers.* @{*/
#define XLLF_RDFR_RESET_MASK        0x000000a5 /**< receive reset value */
#define XLLF_TDFR_RESET_MASK        0x000000a5 /**< Transmit reset value */
#define XLLF_LLR_RESET_MASK         0x000000a5 /**< Local Link reset value */
/*@}*/void XLlFifo_IntClear(void* baseaddr, unsigned Mask)
{*(unsigned*)(baseaddr + XLLF_ISR_OFFSET) = ((Mask) & XLLF_INT_ALL_MASK);
}int RxReceive (void* baseaddr, unsigned* DestinationAddr)
{int i;int Status;unsigned RxWord;static unsigned ReceiveLength;printf(" Receiving data ....\n\r");/* Read Recieve Length */int occp = *(unsigned*)(baseaddr + XLLF_RDFO_OFFSET);printf("occp is %d \n\r", occp);if( occp){ReceiveLength = (*((unsigned*)(baseaddr + XLLF_RLF_OFFSET)) )/4;printf("Data Length: is %u \n\r", ReceiveLength);/* Start Receiving */for ( i=0; i < ReceiveLength; i++){RxWord = 0;RxWord = *(unsigned*)(baseaddr + XLLF_RDFD_OFFSET);*(DestinationAddr+i) = RxWord;printf("Data %u is %u \n\r", i, RxWord);}}return 0;
}void XLlFifo_RxReset(void* baseaddr)
{*(unsigned*)(baseaddr + XLLF_RDFR_OFFSET) = XLLF_RDFR_RESET_MASK;
}static unsigned dest_buffer[200];int main(int argc, char *argv[])
{int c;int fd;char *uiod;int value = 0;int valued = 0;void *ptr;printf("AXI Stream UIO test.\n");while((c = getopt(argc, argv, "d:")) != -1) {switch(c) {case 'd':uiod=optarg;printf("uiod %s \n\r", uiod);break;case 'i':printf("option i \n\r");break;default:printf("invalid option: %c\n", (char)c);return -1;}}/* Open the UIO device file */fd = open(uiod, O_RDWR);if (fd < 1) {perror(argv[0]);printf("Invalid UIO device file:%s.\n", uiod);return -1;}/* mmap the UIO device */ptr = mmap(NULL, GPIO_MAP_SIZE, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);close(fd);printf("mmaped address is %x \n\r",ptr);//XLlFifo_RxReset(ptr);//*(unsigned*)(ptr + XLLF_LLR_OFFSET) = XLLF_RDFR_RESET_MASK;//usleep(100);XLlFifo_IntClear(ptr, 0xffffffff);printf("xllfifo is intcleared\n\r");RxReceive(ptr,dest_buffer);munmap(ptr, GPIO_MAP_SIZE);}

数据读取逻辑在函数 int RxReceive中实现，实现逻辑如下：

读取RDFO，检查 receive FIFO occupancy，如果非0，继续
读取RLR（RLF），得到receive length in bytes(待接收的字节数，除以4，得到32bit
word的个数)
循环读取RDFD，每次读取一个32bit word, 直到读完receive length in
bytes/4个word。

编译源文件：

arm-linux-gnueabihf-gcc axisfifo_test.c -o axisfifo_test

复制到NFS文件夹，在串口终端上运行，以下是串口终端的输出结果：

关于AXI Stream FIFO读取数据的补充

后续更加深入的测试表明，上述代码只能正常读取没有tlast信号的数据，当axis fifo 使能tlast信号后，每一次读取XLLF_RLF_OFFSET寄存器得到的数值表示一个数据包（用tlast信号区分）的字节数，而不是fifo中所有数据的字节长度。因此，需要将int RxReceive (void* baseaddr, unsigned* DestinationAddr)修改一下，见如下代码：

int RxReceive (void* baseaddr, u32* DestinationAddr)
{int i;int Status;unsigned RxWord;static u32 ReceiveLength;u32 totalLength = 0;//  printf(" Receiving data ....\n\r");/* Read Recieve Length */int occp = *(u32*)(baseaddr + XLLF_RDFO_OFFSET);while( occp){ReceiveLength = (*((u32*)(baseaddr + XLLF_RLF_OFFSET)) )/4;/* Start Receiving */for ( i=0; i < ReceiveLength; i++){RxWord = 0;RxWord = *(u32*)(baseaddr + XLLF_RDFD_OFFSET);*(DestinationAddr+totalLength) = RxWord;totalLength = totalLength + 1;}occp = *(u32*)(baseaddr + XLLF_RDFO_OFFSET);}return totalLength;
}

结论

简单的UIO驱动测试就结束了，接下来我会将TDC IP也放到设计中，实现通过UIO控制TDC IP以及时间戳数据的读取，敬请期待！

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