怎么樣利用AXI Quad SPI快速打通Linux至PL端SPI從設(shè)備？

[導(dǎo)讀] 前面寫過篇介紹ZYNQ基本情況的文章，今天來肝一篇實戰(zhàn)文章介紹AXI quad SPI 使用方法，如果你正使用ZYNQ的這個IP，希望對你有所幫助。

初識AXI quad SPI

自《PG153 AXI Quad SPI v3.2》

支持：

Legacy Mode

standard mode: 準SPI通常就稱SPI，它是一種串行外設(shè)接口規(guī)范，有4根通信腳：SCK （時鐘）, CS（片選）, MOSI（主出從入）, MISO（主入從出）。

Dual/Quad SPI Mode:

AXI QuadSPI 模式

在標準模式下，支持高達32個從站，這是非常靈活的指標。本文對于手冊中的詳細技術(shù)細節(jié)不做過多闡述，有興趣的自行深入閱讀研究。

該SPI IP能干神馬呢？

完成如下這樣一個應(yīng)用場景：

SPI IP訪問多從SPI芯片

所需要實現(xiàn)的需求用例為：

本文實現(xiàn)用例描述

利用AXI quad SPI 實現(xiàn)SPI外設(shè)控制器

實現(xiàn)SPI外設(shè)控制器驅(qū)動

實現(xiàn)多SPI從設(shè)備掛載在SPI總線

實現(xiàn)用戶空間訪問多從SPI物理從設(shè)備

從軟件分層的視角來看，上述的需求需要實現(xiàn)下面的訪問層級：

PS/PL軟硬件層次架構(gòu)圖

為什么要研究這個呢？實際用ZYNQ芯片做產(chǎn)品時，很有可能外部有多個SPI從設(shè)備芯片需要利用Linux訪問，你或許會說ZYNQ的PS端不是自帶了兩個SPI控制器嗎？但有時候項目中這兩個SPI對應(yīng)的引腳可能用做其他用途了，而一個復(fù)雜的項目中又不得不使用多個SPI從設(shè)備芯片時，本文所討論的話題就能很好的解決這樣的需求場景了。通過本文，你會發(fā)現(xiàn)，原來ZYNQ的SPI IP是如此靈活好用！

本文目的實戰(zhàn)描述，如何一步一步從PL端設(shè)計：

block design

約束

綜合

導(dǎo)出

乃至PS端：

SPI驅(qū)動配置

設(shè)備樹修改

系統(tǒng)編譯部署

設(shè)備驅(qū)動測試

按照這個流程，那么第一步需要設(shè)計PL端與PS端的配置，且看：

AXI Quad SPI 之配置

從IP catalog中按下圖從ip庫中添加如下IP：

ZYNQ7 processing System

AXI interconnect

AXI Quad SPI(可根據(jù)需要添加多個)

Processing System Reset（添加ZYNQ7 processing System 點自動連線會自動添加，當然也可以手動添加）

Concat

Block設(shè)計圖

使能ZYNQ7 processing System的時鐘PL Fabric clocks,用以驅(qū)動PL端的IP：

PL Fabric clocks設(shè)置

使能M AXI GP0接口如下：

M AXI GP0設(shè)置

雙擊AXI interconnect，設(shè)置2主1從：

AXI interconnect設(shè)置

雙擊axi_quad_spi_0設(shè)置如下，設(shè)置4個從設(shè)備（最多可支持32個從設(shè)備，PS端內(nèi)置的SPI控制器1個最多支持3個從設(shè)備，從這一點可看出該IP的靈活性）

axi_quad_spi設(shè)置

同樣將axi_quad_spi_1設(shè)置為2個從設(shè)備接口。

然后按照前面的連線圖，將各塊連接好，做過硬件的盆友會比較適應(yīng)，這就像畫原理圖一樣，就將各IP建立了邏輯連接關(guān)系了。除此之外，對于一個ZYNQ的板子而言，你還需要做如下的PS端設(shè)置：

DDR RAM設(shè)置，根據(jù)自身的板子的內(nèi)存芯片以及內(nèi)存大小進行設(shè)置

Peripheral IO外設(shè)設(shè)置，比如SD卡，UART,QUAD SPI Flash,erthernet等

clock時鐘系統(tǒng)設(shè)置，根據(jù)板子的情況進行設(shè)置CPU、DDR時鐘頻率、IO時鐘等

......

至于這些怎么配置，比較常見這里就不贅述了。

對于AXI quad SPI外設(shè)還有一個很重要的配置，就是其地址范圍：

AXI quad SPI地址設(shè)置

該地址最終將導(dǎo)出到設(shè)備樹描述文件，用于SPI控制器驅(qū)動訪問，從而讓SPI控制器驅(qū)動得以與該IP通過AXI總線進行通信。

導(dǎo)出硬件文件

點擊open elaborated design ，然后打開io ports進行管腳分配，這需要根據(jù)各自的硬件實際情況進行設(shè)置，比如我是這樣設(shè)置的：

管腳約束設(shè)置

電平標準

是否上拉

驅(qū)動能力

.....

然后點擊Run synthesis進行綜合，成功之后點擊生成bit stream。再點擊export hardware,得到.hdf文件，這個文件用于構(gòu)建內(nèi)核。

導(dǎo)出硬件描述文件

將得到的硬件描述hdf文件以及bitstream文件拷貝至內(nèi)核編譯文件夾下：

硬件描述及bit文件

配置編譯內(nèi)核

運行命令讀取硬件描述文件：

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

注：這里將hdf文件以及.bit文件放置在petalinux編譯路徑的上級目錄的base.sdk，根據(jù)習(xí)慣可自行設(shè)置，只有上述命令傳入的路徑正確即可。

等待一段時間后，可得到一個配置界面，用于配置內(nèi)核源、u-boot源、Image 等配置。

petalinux-config

根據(jù)實際情況配置好后，退出配置并保存配置。使用過的會比較熟悉，這里不贅述了。

配置設(shè)備樹

編輯用戶設(shè)備樹文件，用戶設(shè)備樹文件在下面路徑中：

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

配置設(shè)備樹如下：

/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>; }; };

這里直接使用內(nèi)置spidev兼容從設(shè)備驅(qū)動，當然如果需要自己定義一個SPI設(shè)備驅(qū)動也是非常容易的，但是對于大部分普通的SPI從芯片而言直接使用spidev設(shè)備驅(qū)動即可，只需要在讀寫時按照芯片手冊協(xié)議進行訪問即可。

配置內(nèi)核

運行下面命令進行內(nèi)核配置：

petalinux-config-ckernel

內(nèi)核配置

對于本應(yīng)用而言，需要配置SPI驅(qū)動：

DeviceDrivers---> +-SPIsupport--->

配置如下：

SPI控制器及設(shè)備驅(qū)動配置

這里調(diào)試中遇到一個奇怪的問題,CONFIG_SUSPEND需要禁止，否則控制器驅(qū)動加載不成功，目前還沒有深入研究為什么不成功，猜想可能是主控制器驅(qū)動關(guān)于SUSPEND功能還不支持或者有bug，如果有哪位大神知道怎么解決請求留言指點。

Powermanagementoptions---> SuspendtoRAMandstandby

功能管理配置

退出并保存配置，然后運行下面命令編譯系統(tǒng)：

petalinux-build

等待編譯成功后，運行下面命令將bitstream文件包進BOOT.bin中。

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

將得到下面的輸出信息，表示操作成功：

INFO:FileinBOOTBIN:"/home/zynq/ALINX/spi_ip/ax_peta/images/linux/zynq_fsbl.elf" INFO:FileinBOOTBIN:"/home/zynq/ALINX/spi_ip/base.sdk/design_1_wrapper.bit" INFO:FileinBOOTBIN:"/home/zynq/ALINX/spi_ip/ax_peta/images/linux/u-boot.elf" INFO:GeneratingzynqbinarypackageBOOT.BIN... INFO:Binaryisready. WARNING:UnabletoaccesstheTFTPBOOTfolder/tftpboot!!! WARNING:SkipfilecopytoTFTPBOOTfolder!!!

注：/home/zynq/ALINX/spi_ip/ax_peta 是本文工程的目錄

測試SPI從設(shè)備

編寫驅(qū)動測試程序，代碼如下：

#include #include #include #include intmain(intargc,char**argv) { intfd; intlen; unsignedcharbuf[10]; unsignedchartmp; /*驗證輸入參數(shù)個數(shù)*/ if(3!=argc) { printf("nonepara "); return-1; } /*打開輸入的設(shè)備文件,獲取文件句柄*/ fd=open(argv[1],O_RDWR); if(fd='0'&&argv[2][i]<='9') ????????{ ????????????tmp?=?argv[2][i]?-?'0'; ????????} ????????else?if(argv[2][i]>='a'&&argv[2][i]<='f') ????????{ ????????????tmp?=?argv[2][i]?-?'a'+10; ????????} ????????else?if(argv[2][i]>='A'&&argv[2][i]<='F') ????????{ ????????????tmp?=?argv[2][i]?-?'A'+10; ????????} ????????else ????????{ ????????????printf("Invalid?input?parameters? "); ????????????return?-1; ????????} ????????if(i%2==0) ???????????buf[j]?=?tmp<<4; ????????else ????????{ ????????????buf[j]?+=?tmp; ????????????j++; ????????} ????} ????len?=?j; ????printf("Test?wr:"); ????for(i=0;i

編譯：arm-linux-gnueabihf-gcctest.c-otest

將編譯所得的BOOT.BIN以及image.ub文件拷貝至制作好的SD的BOOT區(qū)，test文件拷貝至/home下。然后插上SD卡上電運行電路板：

登錄控制臺后，運行l(wèi)s /dev查看spidev設(shè)備是否加載成功：

spidev設(shè)備掛載情況

可見spedev1.0、spidev1.1以及spidev2.0--spidev2.3加載成功，與預(yù)期一樣。

然后運行測試程序：

root@ax_peta:/run/media/mmcblk0p2/home#./test/dev/spidev1.078aa Testwr:78aa

用示波器或者邏輯分析儀觀察對應(yīng)引腳，將出現(xiàn)正確的SPI通信波形。

總結(jié)一下

至此，就基本實現(xiàn)了從PS端Linux用戶空間訪問PL端的SPI從設(shè)備了。當然實際項目中還有很多細節(jié)需要進一步研究：

CPOL/CPHA 組合四種模式設(shè)置

SPI通信速率設(shè)置

從設(shè)備應(yīng)用協(xié)議程序編寫

AXI Quad SPI FIFO特性的深入應(yīng)用

AXI Quad SPI 其他模式及細節(jié)研究等

對于這些更細節(jié)的內(nèi)容，相信在將基本框架搭建成功后，只要深入細致研究都不會有太大的難度。從本文可看出，ZYNQ之所以如此靈活好用，是其廠家或者第三方提供了大量成熟可供使用的IP以及配套的驅(qū)動程序。如有興趣嘗試用來開發(fā)項目，相信你會很快喜歡上這個體系的芯片，真的可以做到片上即可實現(xiàn)系統(tǒng)這一目標！

編輯：jq