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【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。
image.png

  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:
    image.png

    • 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:
image.png

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:
image.png

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
}
  1. 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。
image.png

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:

image.png

-- 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';
image.png

  1. 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。
    image.png

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:
image.png

  • library IEEE;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。
  1. 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。
  2. 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

我在本论坛内的试读经验 :

《电子工程师必备——九大系统电路识图宝典》+附录2化整为零和集零为整电路分析方法

《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

《Android Runtime源码解析》+深入体会第六章ART的执行(4)

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

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