【国产FPGA+OMAPL138开发板体验】（原创）3.手把手玩转ARM与FPGA通信

嗨，亲爱的工程师、学生和爱好者们，我来啦！欢迎来到神秘的星嵌世界！如果你是一位FPGA工程师或者对嵌入式异构技术感兴趣，那么你来到的地方绝对没错！今天，我们将一起探索一个令人惊叹的星嵌基于TI OMAP-L138（定点/浮点DSP C674x+ARM9）+ FPGA处理器的开发板。编写TI OMAP-L138与FPGA之间的通信驱动涉及到多个复杂步骤。我将为大家提供一个简化的概述。

1. 通信协议设置:

   • 物理层: 确定使用的通信接口，如SPI、I2C、UART等。
   • 数据格式: 定义数据包的大小、数据格式（如起始位、停止位、校验位等）。
   • 通信速率: 确定传输速率。

2. 数据打包/解包:

   • 根据通信协议，定义数据打包和解包的方法。
   • 例如，您可能需要将多个数据元素打包成一个完整的传输单元。

3. 错误处理:
   

   • 实现错误检测机制，如奇偶校验、帧校验等。
   • 定义错误处理策略，如重传、丢弃数据包等。

4. OMAP-L138侧的驱动开发:

   • 使用C语言或相关的硬件编程语言为OMAP-L138编写驱动。
   • 初始化通信接口，如GPIO、SPI控制器等。
   • 实现数据打包/解包逻辑。
   • 实现错误处理逻辑。
   • 首先，让我们了解一下TI OMAP-L138和FPGA。OMAP-L138是一款基于ARM内核的处理器，而FPGA（现场可编程门阵列）是一种可以通过编程实现各种数字逻辑功能的芯片。两者之间的通信通常涉及硬件接口（如SPI、I2C、UART等）和相应的驱动程序。

以下是我写的一个简化的驱动程序，用于OMAP-L138与FPGA之间的SPI通信。

首先，我快速写一个包含必要的头文件和定义通信参数：

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/spi/spi.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_device.h>

#define SPI_DEVICE_NAME "omap_spi_fpga"
#define SPI_MAX_XFER_SIZE 1024

struct omap_spi_fpga_data {
    struct spi_device *spi;
    struct mutex lock;
    u8 buffer[SPI_MAX_XFER_SIZE];
};

接下来，我再写一个驱动程序的主要功能：

int omap_spi_fpga_transfer(struct omap_spi_fpga_data *data, const void *txbuf, void *rxbuf, size_t len)
{
    int ret;
    struct spi_transfer t = {
        .tx_buf = txbuf,
        .rx_buf = rxbuf,
        .len = len,
    };
    struct spi_message m;
    struct spi_device *spi = data->spi;

    spi_message_init(&m);
    spi_message_add_tail(&t, &m);
    ret = spi_sync(spi, &m);
    if (ret < 0) {
        dev_err(&spi->dev, "SPI transfer failed: %d\n", ret);
        return ret;
    }
    return 0;
}

然后，我再写一个驱动程序的初始化和清理函数：

static int omap_spi_fpga_probe(struct spi_device *spi)
{
    struct omap_spi_fpga_data *data;
    int ret;
    data = devm_kzalloc(&spi->dev, sizeof(*data), GFP_KERNEL);
    if (!data) {
        return -ENOMEM;
    }
    data->spi = spi;
    mutex_init(&data->lock);
    spi->mode = SPI_MODE_0; // 设置SPI模式，根据需要进行调整
    spi->bits_per_word = 8; // 设置SPI数据位，根据需要进行调整
    ret = spi_setup(spi); // 配置SPI参数，根据需要进行调整
    if (ret < 0) {
        return ret;
    }
    return 0; // 返回成功状态码，根据需要进行调整
}
static int omap_spi_fpga_remove(struct spi_device *spi)
{
    return 0; // 返回成功状态码，根据需要进行调整
}

5. FPGA侧的接口实现:

   • 根据通信协议，在FPGA侧实现相应的接收和发送逻辑。
   • 这可能涉及到硬件描述语言（如VHDL或Verilog）的编程。

我将为大家手写一个基于 VHDL 的 FPGA 端代码，该代码能够与 ARM处理器进行通信。假设我们使用的是 SPI 通信协议，以下是一个我写的简化的 VHDL 代码，用于实现 SPI 从设备（在此为 FPGA）的基本功能。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.NUMERIC_STD.ALL;

entity SPI_Slave is
    Port (
        CLK       : in  STD_LOGIC;              -- 时钟信号
        RST       : in  STD_LOGIC;              -- 复位信号
        SPI_CLK   : in  STD_LOGIC;              -- SPI 时钟信号
        SPI_MISO  : out STD_LOGIC;              -- SPI 主设备输入/从设备输出
        SPI_MOSI  : in  STD_LOGIC;              -- SPI 主设备输出/从设备输入
        SPI_SS    : in  STD_LOGIC               -- SPI 片选信号
    );
end SPI_Slave;

architecture Behavioral of SPI_Slave is
    type StateType is (Idle, Receive);
    signal currentState : StateType := Idle;
    signal shiftReg : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0) := (others => '0');
begin
    process(CLK, RST)
    begin
        if RST = '1' then
            currentState <= Idle;
            SPI_MISO <= '0';
        elsif rising_edge(CLK) then
            case currentState is
                when Idle =>
                    if SPI_SS = '0' then
                        currentState <= Receive;
                    end if;
                when Receive =>
                    if SPI_CLK'event and SPI_CLK = '0' then
                        shiftReg <= SPI_MOSI & shiftReg(7 downto 1);
                    end if;
                    if SPI_SS = '1' then
                        currentState <= Idle;
                    end if;
                    SPI_MISO <= shiftReg(7);
                when others =>
                    currentState <= Idle;
            end case;
        end if;
    end process;
end Behavioral;

现在，让我用简单易懂的语言逐行解释这段代码：

-- 导入必要的库，就像去餐厅前要先看看菜单一样。
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.NUMERIC_STD.ALL;

-- 定义一个叫做 SPI_Slave 的东西，它就像 FPGA 上的一个小门房，专门负责和 ARM 处理器通信。
entity SPI_Slave is
Port (
-- 这些端口就像门房的窗户和门，ARM 处理器通过这些端口和 FPGA 说话。
CLK : in STD_LOGIC; -- 时钟信号：告诉 FPGA 什么时候该动弹一下。
RST : in STD_LOGIC; -- 复位信号：FPGA 犯错了就按一下重启。
SPI_CLK : in STD_LOGIC; -- SPI 时钟信号：ARM 说“我准备好和你聊天了”。
SPI_MISO : out STD_LOGIC; -- SPI 主设备输入/从设备输出：FPGA 的嘴巴，用来回答 ARM。
SPI_MOSI : in STD_LOGIC; -- SPI 主设备输出/从设备输入：ARM 的嘴巴，用来给 FPGA 下命令。
SPI_SS : in STD_LOGIC -- SPI 片选信号：ARM 说“喂，我在和你说话呢”。
);
end SPI_Slave;

-- 这里是 FPGA 的小脑瓜，决定了门房如何响应 ARM 的呼唤。
architecture Behavioral of SPI_Slave is
-- 定义两种心情：空闲和接收中。
type StateType is (Idle, Receive);
-- 当前心情是什么？初始时是空闲的。
signal currentState : StateType := Idle;
-- 这是一个小本本，用来记下 ARM 说了什么。
signal shiftReg : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0) := (others => '0');

begin
-- 这是一个永远不停的工作流程，就像门房的值班日记。
process(CLK, RST)
begin
-- 如果按下了复位按钮，就回到初始状态，清空小本本，闭上嘴巴。
if RST = '1' then
currentState <= Idle;
SPI_MISO <= '0';

6. 测试与验证:

   • 在实际硬件上测试驱动的功能。
   • 确保数据正确传输，并处理所有预期的通信错误。

   以下是一个我写的简单的VHDL代码，用于在FPGA上实现与ARM Cortex-A8内核的通信测试与验证。这个代码中，FPGA会接收来自ARM的数据，并将其原样返回。
   

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity ARM_SPI_Bridge is
    Port (
        clk : in STD_LOGIC;
        reset : in STD_LOGIC;
        spi_select : in STD_LOGIC;
        spi_clk : in STD_LOGIC;
        spi_miso : in STD_LOGIC;
        spi_mosi : out STD_LOGIC;
        data_out : out STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0)
    );
end ARM_SPI_Bridge;

architecture Behavioral of ARM_SPI_Bridge is
begin
    process(clk, reset)
    begin
        if reset = '1' then
            spi_mosi <= '0';
            data_out <= "00000000";
        elsif rising_edge(clk) then
            if spi_select = '1' then
                data_out <= spi_miso;
                spi_mosi <= '1';
            else
                data_out <= "00000000";
                spi_mosi <= '0';
            end if;
        end if;
    end process;
end Behavioral;

现在，让我用简单易懂的语言逐行解释：

• library IEEE; 和 use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; 等行：这就像是在做饭前，先打开厨房的所有柜子，拿出需要的调料。这里我们打开“IEEE”这个大柜子，拿出了几个小调料瓶。
• entity ARM_SPI_Bridge is：定义了一个名为“ARM_SPI_Bridge”的实体。这就像你决定要做一道菜，然后写下需要的食材清单。
• Port (...)：列出了实体所有的输入输出端口。这些端口就像是你在做菜时需要用到的各种工具和食材。有“时钟”（翻炒的动作）、“复位”（重新开始）、“SPI选择”（选择哪个食材或工具）、“SPI时钟”（炒菜的速度）、“SPI MISO”（输入数据）和“SPI MOSI”（输出数据）。还有一个“数据输出”端口，用于将处理后的数据传出去。
• architecture Behavioral of ARM_SPI_Bridge is：开始构建实体的行为描述。这里我们就像是大厨开始动手做菜了！
• process(clk, reset)：定义了一个过程，它会在“时钟”和“复位”信号发生变化时运行。这就像是大厨时刻注意着炒菜的时间和需要添加的食材。
• if reset = '1' then ... end if：如果“复位”信号被激活（大厨打开了厨房门），那么就清空所有的食材和工具（将输出置为0），准备开始新的烹饪过程。
• elsif rising_edge(clk) then ... end if：如果“时钟”信号上升沿到来（大厨开始翻炒），那么就检查是否选择了某个食材或工具（检查SPI选择信号）。如果选择了，就将这个食材放入锅中（读取输入数据并输出），并用铲子翻炒一下（设置输出为高电平）。如果没有选择，就什么也不做（将输出置为0）。这样，大厨就可以一边翻炒，一边选择食材，同时还能保持锅中的食材不会乱七八糟。

7. 文档编写:

   • 为驱动编写详细的文档，包括通信协议、数据格式、错误处理策略等。

8. 优化与调试: 根据测试结果优化驱动性能和稳定性。

请注意，这个任务需要深入的硬件和软件知识，特别是对嵌入式系统和FPGA编程的理解。谢谢！

1. 接上两篇：

【国产FPGA+OMAPL138开发板体验】1.嵌入式异构技术

【国产FPGA+OMAPL138开发板体验】（原创）2.手把手玩转游戏机械臂

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《运算放大器参数解析与LTspice应用仿真》+学习心得4第三章专用放大器

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希望上面的经验能对您有所帮助！

谢谢！

还没吃饭中
2024年2月3日