前 言

本文主要介紹i.MX 8M Mini基于FlexSPI、PCIe與FPGA的高速通信案例。

本文檔適用開發環境：

Windows開發環境：Windows 7 64bit、Windows 10 64bit

虛擬機：VMware15.1.0

Linux開發環境：Ubuntu18.04.4 64bit

U-Boot：U-Boot-2020.04

Kernel：Linux-5.4.70

Linux SDK：5.4.70_2.3.0

*測試硬件平臺：TLIMX8－EVM評估板（NXP i.MX 8M Mini）

案例一：主要演示ARM Cortex-A53通過FlexSPI接口讀取FPGA（Spartan-6采集卡TL-HSAD-LX）發送的模擬數據，并進行校驗，通過串口打印相關信息。實測速率為114.89MB/s。

案例二：主要演示ARM Cortex-A53通過PCIe接口與FPGA進行通信，實現對CameraLink相機圖像的采集、編碼和顯示。實測傳輸幀率為60fps。

1 flexspi_read案例

1.1 案例說明

本案例主要演示ARM Cortex-A53通過FlexSPI接口讀取FPGA（Spartan-6采集卡TL-HSAD-LX）發送的模擬數據，并進行校驗，通過串口打印相關信息。

(1) 驅動默認配置FlexSPI為DDR模式（雙邊沿），配置FlexSPI的時鐘源為400MHz，分頻系數pre_divider和post_divider分別為2和5，此時FlexSPI的ROOT CLK時鐘為400MHz/2/5 = 40MHz，DDR模式的傳輸時鐘SCLK= ROOT SCLK/2 = 20MHz，數據位寬為8bit，即理論傳輸速率為40MB/s，實測速率為37.56MB/s。

(2) 驅動如配置FlexSPI為DDR模式（雙邊沿），配置FlexSPI的時鐘源為400MHz，分頻系數pre_divider和post_divider分別為1和3，此時FlexSPI的ROOT SCLK時鐘為400MHz/1/3 = 133MHz，DDR模式的傳輸時鐘SCLK = ROOT SCLK/2 = 66.5MHz，數據位寬為8bit，即理論傳輸速率為133MB/s，實測速率為114.89MB/s。

FPGA端：發送從0x00遞增至0xFF的數據。

ARM端：讀取數據并進行校驗，打印誤碼率、讀取速率和讀取到的數據。

程序流程圖如下：

圖 2

1.2 案例測試

圖 3

請按照上圖進行硬件連接，并將案例bin目錄下的可執行文件flexspi_read、“driver\bin\”目錄下驅動文件flexspi_imx8.ko、“dts\image\”目錄下的設備樹文件tlimx8-evm-flexspi.dtb拷貝至評估板文件系統。采集卡TL-HSAD-LX加載或固化“data_to_flexspi\bin\”目錄下的.bit或.mcs文件。在評估板文件系統flexspi_read文件所在路徑下，執行如下命令查詢程序參數說明。

Target# ls

Target# ./flexspi_read -h

圖 4

執行如下命令將默認使用的設備樹tlimx8-evm.dtb進行備份，然后把tlimx8-evm-flexspi.dtb拷貝至“/run/media/mmcblk1p1/”目錄并重命名為tlimx8-evm.dtb。

Target# cp
/run/media/mmcblk1p1/tlimx8-evm.dtb linux-tlimx8-evm.dtb//備份默認的tlimx8-evm.dtb，新文件名為linux-tlimx8-evm.dtb

Target# cp tlimx8-evm-flexspi.dtb /run/media/mmcblk1p1/tlimx8-evm.dtb

備注：更換設備樹后，需重啟評估板方可使設備樹生效。

圖 5

1.2.1 功能測試

執行如下命令加載FlexSPI驅動。

Target# insmod flexspi_imx8.ko

圖 6

執行如下命令進行測試。

Target# ./flexspi_read -a 0x08000000 -s 4096

圖 7

本次測試速率為37.56MB/s，誤碼率為0，與理論速率40MB/s接近。

備注：受限于測試板卡的硬件連接形式的影響，37.56MB/s是零誤碼率時的最高實測速率。

若讀取小于或等于2048Byte的數據時，每次讀完需清空FlexSPI的RX Buffer，否則下次讀取的數據是緩存在Buffer中的舊數據。

Target# devmem2 0x30bb0000 w 0xFFFF7031

圖 8

1.2.2 性能測試

執行如下命令卸載flexspi驅動，并重新加載驅動。同時采集卡TL-HSAD-LX重新加載或固化FPGA程序。

Target# rmmod flexspi_imx8

Target# insmod flexspi_imx8.ko pre_divider=1 post_divider=3

備注：pre_divider和post_divider為分頻系數，詳細說明請查閱驅動說明章節。

圖 9

執行如下命令進行測試。

Target# ./flexspi_read -a 0x08000000 -s 4096

圖 10

可以看到本次測試速率為114.89MB/s，與理論速率133MB/s接近。

備注：受限于測試板卡的硬件連接形式的影響，此速率下的誤碼率為99.8%。

1.3 案例關鍵代碼

（1） main函數

圖 11

（2） 地址映射。

圖 12

（3） 讀取數據。

圖 13

（4） 校驗數據。

圖 14

（5） 打印數據。

圖 15

1.4 FPGA工程關鍵代碼

（1） 端口IO定義

flexspi_sclk和flexspi_ss0_n為輸入信號，flexspi_data和flexspi_data為輸出信號。

圖 16

（2） 時鐘輸入信號flexspi_sclk設置為2倍頻

圖 17

（3） 數據發送

圖 18

圖 19

2 gst_pcie_enc案例

2.1 案例說明

本案例主要演示ARM Cortex-A53通過PCIe接口與FPGA進行通信，實現對CameraLink相機圖像的采集、編碼和顯示。其中ARM端獲取到的原始圖像通過dma-buf機制，在采集、硬件編碼和顯示輸出等功能中進行共享，可實現高效的圖像數據“零拷貝”的錄播方案。

FPGA端：

（1） 采集CameraLink相機圖像；

（2） 通過XDMA IP實現為PCIe EP設備，RC端可通過PCIe接口訪問FPGA端DDR以及對VDMA IP的寄存器進行配置。

ARM端：

（1） 作為PCIe RC設備，配置VDMA IP將圖像存儲到FPGA DDR指定位置、將圖像從FPGA DDR通過XDMA搬運到ARM端DDR；

（2） 調用協處理器VPU進行H264硬件編碼，并將編碼后的數據存儲到文件；

（3） 編碼的同時，通過HDMI顯示實時圖像。

程序工作流程框圖如下所示：

圖 20

2.2 案例測試

請參考下圖，將創龍科技的TLCamerLinkF模塊連接至TLK7-EVM評估板的FMC2接口，TLK7-EVM評估板J1跳線帽選擇1.8V檔位，以配置FMC IO的BANK電壓為1.8V。將CameraLink相機的CL0通過數據線連接至TLCameraLinkF模塊的CameraLink1接口。再將TLK7-EVM評估板的PCIe插到TLIMX8-EVM評估板的PCIe插槽上，使用HDMI線纜連接TLIMX8-EVM評估板的HDMI OUT接口至HDMI顯示屏。

圖 21

將該案例bin目錄下的驅動文件xdma-video.ko拷貝至TLIMX8-EVM評估板文件系統中，并將案例bin目錄下的.bit或.bin文件加載或固化到TLK7-EVM評估板。

評估板上電，可執行lspci命令檢查PCIe連接是否正常。如不能獲取到如下信息，請檢查硬件連接和FPGA端是否正常運行。

Target# lspci

圖 22

Target# insmod xdma-video.ko debug=1

備注：“debug=1”表示打印幀率信息，可根據實際需求選擇是否配置。若需修改分辨率和幀率，可執行命令“insmod xdma-video.ko width=1280 height=1024 fps=60”，具體的分辨率和幀率大小，請以相機實際可支持范圍為準，分辨率參數需和相機分辨率參數匹配，幀率參數僅作用于軟件上相機參數，不影響實際的相機幀率。

圖 23

執行如下命令進行圖像的采集、編碼和顯示，編碼后的test.264文件將保存在當前目錄下。

Target# gst-launch-1.0 -v -e v4l2src device=/dev/video1 ! "video/x-raw, format=(string)NV12, width=(int)1280, height=(int)1024" ! tee name=t ! queue ! vpuenc_h264 ! h264parse ! filesink location=test.264 t. ! queue ! waylandsink

其中"/dev/video1"為設備節點，請以實際節點為準，1280和1024為圖像的寬和高。

圖 24

執行成功后可觀察到如下輸出，串口不停打印幀率，并在HDMI顯示器上觀看到實時圖像。

備注：幀率顯示為61fps，是由于CameraLink相機輸出的并不是標準的60fps圖像。

圖 25

圖 26

按下“Ctrl+C”停止錄制后，將在當前目錄生成test.264文件，并可觀察到實際幀率為59.954fps。

圖 27

執行如下命令播放編碼后的視頻，HDMI顯示器顯示對應圖像。

Target# gst-play-1.0 test.264

圖 28

圖 29

播放結束后，將打印視頻時長、幀率信息。

圖 30

備注：由于碼流文件中不包含播放幀率信息，因此在執行“gst-play-1.0 test.264”時未能按60fps進行播放。從串口打印信息可知，實際是以30fps進行播放，并且播放時長為錄制時長的兩倍。在錄制時，將H264碼流封裝成MP4格式可解決此問題，因為封裝成MP4格式時，播放幀率信息將被記錄在MP4文件中。

執行如下命令，可將H264碼流保存成MP4文件。

Target# gst-launch-1.0 -v -e v4l2src device=/dev/video1 ! "video/x-raw, format=(string)NV12, width=(int)1280, height=(int)1024" ! tee name=t ! queue ! vpuenc_h264 ! h264parse ! qtmux ! filesink location=test.mp4 t. ! queue ! waylandsink

圖 31

圖 32

注意：H264碼流保存成MP4文件，程序可正常工作，錄制的視頻文件播放幀率正常，但系統會出現概率性的丟幀。為了避免這種情況，在實際的應用編程中，建議將MP4的保存功能另外建立一個pipeline進行，或改用其它開源MP4庫進行開發。