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逸珺 · 2020年11月16日

【ZYNQ实战】利用AXI Quad SPI快速打通Linux至PL端SPI从设备

嵌入式系统
首发：嵌入式客栈
作者：逸珺

[导读] 前面写过篇介绍ZYNQ基本情况的文章，今天来肝一篇实战文章介绍AXI quad SPI 使用方法，如果你正使用ZYNQ的这个IP，希望对你有所帮助。

初识AXI quad SPI

image.png

自《PG153 AXI Quad SPI v3.2》

支持：

  • Legacy Mode
  • standard mode: 准SPI通常就称SPI，它是一种串行外设接口规范，有4根通信脚：SCK （时钟）, CS（片选）, MOSI（主出从入）, MISO（主入从出）。
  • Dual/Quad SPI Mode:

image.png

AXI Quad SPI 模式
在标准模式下，支持高达32个从站，这是非常灵活的指标。本文对于手册中的详细技术细节不做过多阐述，有兴趣的自行深入阅读研究。

该SPI IP能干神马呢？

完成如下这样一个应用场景：

image.png
本文实现用例描述

  • 利用AXI quad SPI 实现SPI外设控制器
  • 实现SPI外设控制器驱动
  • 实现多SPI从设备挂载在SPI总线
  • 实现用户空间访问多从SPI物理从设备

从软件分层的视角来看，上述的需求需要实现下面的访问层级：

image.png

PS/PL软硬件层次架构图
为什么要研究这个呢？实际用ZYNQ芯片做产品时，很有可能外部有多个SPI从设备芯片需要利用Linux访问，你或许会说ZYNQ的PS端不是自带了两个SPI控制器吗？但有时候项目中这两个SPI对应的引脚可能用做其他用途了，而一个复杂的项目中又不得不使用多个SPI从设备芯片时，本文所讨论的话题就能很好的解决这样的需求场景了。通过本文，你会发现，原来ZYNQ的SPI IP是如此灵活好用！
本文目的实战描述，如何一步一步从PL端设计：

  • block design
  • 约束
  • 综合
  • 导出

乃至PS端：

  • SPI驱动配置
  • 设备树修改
  • 系统编译部署
  • 设备驱动测试

按照这个流程，那么第一步需要设计PL端与PS端的配置，且看：

AXI Quad SPI 之配置

从IP catalog中按下图从ip库中添加如下IP：

  • ZYNQ7 processing System
  • AXI interconnect
  • AXI Quad SPI(可根据需要添加多个)
  • Processing System Reset（添加ZYNQ7 processing System 点自动连线会自动添加，当然也可以手动添加）
  • Concat

image.png
PL Fabric clocks设置
使能M AXI GP0接口如下：

image.png

AXI interconnect设置
双击axi\_quad\_spi\_0设置如下，设置4个从设备（最多可支持32个从设备，PS端内置的SPI控制器1个最多支持3个从设备，从这一点可看出该IP的灵活性）
image.png
axi\_quad\_spi设置
同样将axi\_quad\_spi\_1设置为2个从设备接口。
然后按照前面的连线图，将各块连接好，做过硬件的盆友会比较适应，这就像画原理图一样，就将各IP建立了逻辑连接关系了。除此之外，对于一个ZYNQ的板子而言，你还需要做如下的PS端设置：

  • DDR RAM设置，根据自身的板子的内存芯片以及内存大小进行设置
  • Peripheral IO外设设置，比如SD卡，UART,QUAD SPI Flash,erthernet等
  • clock时钟系统设置，根据板子的情况进行设置CPU、DDR时钟频率、IO时钟等
  • ......

至于这些怎么配置，比较常见这里就不赘述了。
对于AXI quad SPI外设还有一个很重要的配置，就是其地址范围：

image.png
AXI quad SPI地址设置
该地址最终将导出到设备树描述文件，用于SPI控制器驱动访问，从而让SPI控制器驱动得以与该IP通过AXI总线进行通信。

导出硬件文件

点击open elaborated design ，然后打开io ports进行管脚分配，这需要根据各自的硬件实际情况进行设置，比如我是这样设置的：

image.png

管脚约束设置

  • 电平标准
  • 是否上拉
  • 驱动能力
  • .....

然后点击Run synthesis进行综合，成功之后点击生成bit stream。再点击export hardware,得到.hdf文件，这个文件用于构建内核。

image.png
导出硬件描述文件
将得到的硬件描述hdf文件以及bitstream文件拷贝至内核编译文件夹下：

image.png

硬件描述及bit文件

配置编译内核

运行命令读取硬件描述文件：

`petalinux-config --get-hw-description ../base.sdk
`

注：这里将hdf文件以及.bit文件放置在petalinux编译路径的上级目录的base.sdk，根据习惯可自行设置，只有上述命令传入的路径正确即可。
等待一段时间后，可得到一个配置界面，用于配置内核源、u-boot源、Image 等配置。

image.png
petalinux-config
根据实际情况配置好后，退出配置并保存配置。使用过的会比较熟悉，这里不赘述了。

配置设备树

编辑用户设备树文件，用户设备树文件在下面路径中：

`./project-spec/meta-user/recipes-bsp/device-tree/files/system-user.dtsi
`

配置设备树如下：

`/include/ "system-conf.dtsi"
/ {

};

&axi_quad_spi_0 {
    status = "okay";
    clock-names = "axi_clk", "axi4_clk", "spi_clk";
    clocks = <&clkc 15>, <&clkc 15>, <&clkc 15>; 
    spi0_dev_0@0 {
        compatible = "spidev";
        reg = <0>;
        spi-max-frequency = <500000>;
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <1>;
    };

    spi0_dev_1@1 {
        compatible = "spidev";
        reg = <1>;
        spi-max-frequency = <500000>;
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <1>;
    };
    spi0_dev_2@2 {
        compatible = "spidev";
        reg = <2>;
        spi-max-frequency = <500000>;
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <1>;
    };
    spi0_dev_3@3 {
        compatible = "spidev";
        reg = <3>;
        spi-max-frequency = <500000>;
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <1>;
    };        
}; 

&axi_quad_spi_1 {
    status = "okay";
    clock-names = "axi_clk", "axi4_clk", "spi_clk";
    clocks = <&clkc 15>, <&clkc 15>, <&clkc 15>; 
    spi1_dev_0@0 {
        compatible = "spidev";
        reg = <0>;
        spi-max-frequency = <500000>;
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <1>;
    };
    
    spi1_dev_1@1 {
        compatible = "spidev";
        reg = <1>;
        spi-max-frequency = <500000>;
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <1>;
    }; 
}; 
`

这里直接使用内置spidev兼容从设备驱动，当然如果需要自己定义一个SPI设备驱动也是非常容易的，但是对于大部分普通的SPI从芯片而言直接使用spidev设备驱动即可，只需要在读写时按照芯片手册协议进行访问即可。

配置内核

运行下面命令进行内核配置：

`petalinux-config -c kernel  
`

image.png

内核配置

对于本应用而言，需要配置SPI驱动：

`Device Drivers  --->
     +-SPI support--->     
`

配置如下：
image.png
SPI控制器及设备驱动配置
这里调试中遇到一个奇怪的问题,CONFIG\_SUSPEND需要禁止，否则控制器驱动加载不成功，目前还没有深入研究为什么不成功，猜想可能是主控制器驱动关于SUSPEND功能还不支持或者有bug，如果有哪位大神知道怎么解决请求留言指点。

`Power management options  --->
     Suspend to RAM and standby`

image.png

功能管理配置

退出并保存配置，然后运行下面命令编译系统：

`petalinux-build
`

等待编译成功后，运行下面命令将bitstream文件包进BOOT.bin中。

`petalipackage --boot --fsbl ./images/linux/zynq_fsbl.elf --fpga ../base.sdk/design_1_wrapper.bit --u-boot    --force
`

将得到下面的输出信息，表示操作成功：

`INFO: File in BOOT BIN: "/home/zynq/ALINX/spi_ip/ax_peta/images/linux/zynq_fsbl.elf"
INFO: File in BOOT BIN: "/home/zynq/ALINX/spi_ip/base.sdk/design_1_wrapper.bit"
INFO: File in BOOT BIN: "/home/zynq/ALINX/spi_ip/ax_peta/images/linux/u-boot.elf"
INFO: Generating zynq binary package BOOT.BIN...
INFO: Binary is ready.
WARNING: Unable to access the TFTPBOOT folder /tftpboot!!!
WARNING: Skip file copy to TFTPBOOT folder!!!
`

注：/home/zynq/ALINX/spi\_ip/ax\_peta 是本文工程的目录

测试SPI从设备

编写驱动测试程序，代码如下：

`#include <stdio.h>

include <string.h>

include <unistd.h>

include <fcntl.h>

int main(int argc, char **argv)
{
    int fd;
    int len;
    unsigned char buf[10];
    unsigned char tmp;

    / 验证输入参数个数 /
    if(3 != argc)
    {
        printf("none para\n");
        return -1;
    }

    / 打开输入的设备文件, 获取文件句柄 /
    fd = open(argv[1], O_RDWR);
    if(fd < 0)
    {
        / 打开文件失败 /
        printf("Can't open file %s\r\n", argv[1]);
        return -1;
    }

    int i = 0;
    int j = 0;
    len =strlen(argv[2]);
    for(i=0;i<len;i++)
    {
        if(argv2>='0' && argv2<='9')
        {
            tmp = argv2 - '0';
        }
        else if(argv2>='a' && argv2<='f')
        {
            tmp = argv2 - 'a'+10;
        }
        else if(argv2>='A' && argv2<='F')
        {
            tmp = argv2 - 'A'+10;
        }
        else
        {
            printf("Invalid input parameters \r\n");
            return -1;
        }
        if(i%2==0)
           buf[j] = tmp<<4;
        else
        {
            buf[j] += tmp;
            j++;
        }
    }
    len = j;
    printf("Test wr:");
    for(i=0;i<len;i++)
        printf(" %x",buf[i]);
    
    write(fd, &buf[0], 1);
    printf("\n");
    / 操作结束后关闭文件 /
    close(fd);
    return 0;
}
`

编译：

`arm-linux-gnueabihf-gcc test.c -o test
`

将编译所得的BOOT.BIN以及image.ub文件拷贝至制作好的SD的BOOT区，test文件拷贝至/home下。然后插上SD卡上电运行电路板：
登录控制台后，运行ls /dev查看spidev设备是否加载成功：

image.png
spidev设备挂载情况
可见spedev1.0、spidev1.1以及spidev2.0--spidev2.3加载成功，与预期一样。
然后运行测试程序：

`root@ax_peta:/run/media/mmcblk0p2/home#./test /dev/spidev1.0 78aa
Test wr: 78 aa
`

用示波器或者逻辑分析仪观察对应引脚，将出现正确的SPI通信波形。

总结一下

至此，就基本实现了从PS端Linux用户空间访问PL端的SPI从设备了。当然实际项目中还有很多细节需要进一步研究：

  • CPOL/CPHA 组合四种模式设置
  • SPI通信速率设置
  • 从设备应用协议程序编写
  • AXI Quad SPI FIFO特性的深入应用
  • AXI Quad SPI 其他模式及细节研究等

对于这些更细节的内容，相信在将基本框架搭建成功后，只要深入细致研究都不会有太大的难度。从本文可看出，ZYNQ之所以如此灵活好用，是其厂家或者第三方提供了大量成熟可供使用的IP以及配套的驱动程序。如有兴趣尝试用来开发项目，相信你会很快喜欢上这个体系的芯片，真的可以做到片上即可实现系统这一目标！

—_END_—

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