作者： Alex He （何曄），賽靈思高級(jí)嵌入式應(yīng)用工程師

這里的 UIO 即 Userspace I/O，本文中 UIO 泛指 UIO 設(shè)備和 UIO 驅(qū)動(dòng)。它在 Linux kernel 的世界里比較小眾，主要是一些定制設(shè)備和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)。UIO內(nèi)核驅(qū)動(dòng)指負(fù)責(zé)將中斷和設(shè)備內(nèi)存暴露給用戶空間，再由UIO用戶態(tài)驅(qū)動(dòng)（Application）來(lái)實(shí)現(xiàn)具體的業(yè)務(wù)，隨心所欲的玩。學(xué)術(shù)點(diǎn)叫做高度定制化，柔性設(shè)計(jì)。

那怎么和 FPGA 扯上了關(guān)系呢？是的，F(xiàn)PGA在硬件世界里也是隨心所欲的玩，這一硬一軟還真是登對(duì)，在一起啊在一起。

本實(shí)驗(yàn)工程將介紹如何利在賽靈思異構(gòu)多處理器產(chǎn)品系列 Zynq UtralScale+ MPSoC ZCU102 嵌入式評(píng)估板上實(shí)現(xiàn)多個(gè) UIO，同時(shí)借助賽靈思的工具完成硬件工程和 linux BSP 的開(kāi)發(fā)，最后通過(guò)測(cè)試應(yīng)用程序完成測(cè)試。

ZCU102上的 MPSoC 集成固化了四核 ARM Cortex-A53，雙核Cortex-R5 以及 Mali-400 MP2 GPU，這部分官方稱為PS（Processing System）。另外一部分就是FPGA，即 PL(Programmable Logic)。PS端實(shí)現(xiàn)控制，PL用來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用加速，兩者通過(guò)AXI連接。跑這個(gè)小實(shí)驗(yàn)，呵呵，大材小用。只是本人手頭正好有這個(gè)板子不得不裝。筒子們可以去買(mǎi)了個(gè)Zybo 或者ZedBoard 開(kāi)發(fā)板， 在板子試試身手。

實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告

實(shí)驗(yàn)人員：本人

實(shí)驗(yàn)材料：

硬件設(shè)計(jì)

建立Vivado工程，適配 ZCU102 EVB。通過(guò) IP Integrator 加入PS,在 PL 側(cè)加入5個(gè)UIO輸入，其中1個(gè)是GPIO模塊（包含中斷輸出和設(shè)備內(nèi)存），另外4個(gè)是PIN連接到ZCU102 EVB上的DIP開(kāi)關(guān)，作為中斷輸入通過(guò)一個(gè)concat IP連接到PS的ps_pl_irq管腳。板級(jí)細(xì)節(jié)請(qǐng)參考[1] UG1182，芯片資料參考[2] UG1085

添加PIN約束文件，

set_property PACKAGE_PIN AN13 [get_ports pl_irq_ll]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports pl_irq_ll]

set_property PACKAGE_PIN AM14 [get_ports pl_irq_lh]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports pl_irq_lh]

set_property PACKAGE_PIN AP14 [get_ports pl_irq_ef]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports pl_irq_ef]

set_property PACKAGE_PIN AN14 [get_ports pl_irq_er]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports pl_irq_er]

Vivado的圖形化的模塊設(shè)計(jì)，豐富的IP庫(kù)，加上可以上天的智能連接。有點(diǎn)數(shù)字電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，很快就能完成這個(gè)小設(shè)計(jì)。整個(gè)設(shè)計(jì)如下圖。

軟件設(shè)計(jì)

這里用到 Xilinx 針對(duì) Linux BSP 開(kāi)發(fā)的 Petalinux。它基于Yocto，加入Xilinx的Layers實(shí)現(xiàn)硬件工程的導(dǎo)入，將復(fù)雜的Yocto的設(shè)計(jì)流程打包簡(jiǎn)化，支持一定的用戶自定義功能，如QEMU仿真運(yùn)行，增加 out-of-tree 的驅(qū)動(dòng)，Device tree 修改，應(yīng)用程序編譯打包，等等。具體信息請(qǐng)移步 https://china.xilinx.com/products/design-tools/embedded-software/petalinux-sdk.html

這里簡(jiǎn)單展示一下具體的命令過(guò)程。

$petalinux-create -t project --template zynqMP -n zcu102-pl2ps_irq

$cd ./ zcu102-pl2ps_irq

$petalinux-config --get-hw-description

$petalinux-config -c kernel

Enable UIO_PDRV_GENIRQ driver

CONFIG_UIO=y

# CONFIG_UIO_CIF is not set

CONFIG_UIO_PDRV_GENIRQ=y

$petalinux-build -c device-tree

PL側(cè)的dtsi文件生成與./components/plnx_workspace/device-tree-generation/pl.dtsi

這里只有GPIO UIO。 PIN UIO因?yàn)椴皇荌P，所以相關(guān)信息無(wú)法由工具自動(dòng)生成。所以要做如下修改：

1. 修改GPIO UIO設(shè)備端點(diǎn)

1） 將中斷號(hào)改為93

2） 將compatible改成“generic-uio” //我們后面要用 Linux 自帶的 UIO_PDRV_GENIRQ 驅(qū)動(dòng)

2. 增加 DIP UIO 端點(diǎn)

1） 將compatible改成“generic-uio”

2） 依次設(shè)置中斷值89到93

3） 按照每個(gè) DIP PIN 的 interrupt trigger type 設(shè)置屬性值

*DTS里的中斷號(hào)與硬件中斷號(hào)有32的 offset。

Petalinux 提供了自定義DTS文件./project-spec/meta-user/recipes-bsp/device-tree/files/system-user.dtsi，將以上修改定義到system-user.dtsi.

有兩個(gè)方法來(lái)適配UIO端點(diǎn)和 UIO_PDRV_GENIRQ 驅(qū)動(dòng)

1. bootargs use “uio_pdrv_genirq.of_id=generic-uio”，可以通過(guò)DTS定義。

2. insmod uio_pdrv_genirq.ko of_id=generic-uio when install the driver

修改完后，編譯出Image.

$petalinu-build

$cd ./images/linux

$petalinux-package --boot --fsbl zynqmp_fsbl.elf --fpga --atf --pmufw --u-boot --force

將生成的BOOT.bin（bootloader）和image.ub(FIT uImage)拷貝到SD卡用于啟動(dòng)。

測(cè)試

這里引用下關(guān)于uio_pdrv_genirq驅(qū)動(dòng)的介紹

https://01.org/linuxgraphics/gfx-docs/drm/driver-api/uio-howto.html

結(jié)合驅(qū)動(dòng)代碼./drviver/uio/uio_pdrv_genirq.c)可知，每個(gè)UIO設(shè)備會(huì)有對(duì)應(yīng)的/dev/uioX的設(shè)備節(jié)點(diǎn)。用戶態(tài)驅(qū)動(dòng)程序的讀操作會(huì)阻塞直到UIO硬件中斷發(fā)生。UIO的中斷處理程序uio_pdrv_denirq_handler()會(huì)關(guān)閉該硬件中斷。用戶態(tài)驅(qū)動(dòng)程序需要通過(guò)write函數(shù)來(lái)觸發(fā)uio_pdrv_genirq_irqcontrol()以完成中斷的使能和關(guān)閉。代碼如下,

啟動(dòng)內(nèi)核及加載uio_pdrv_genirq驅(qū)動(dòng)

檢查/proc/interrupts

細(xì)心的你一定發(fā)現(xiàn)了一個(gè)坑，少了2個(gè)UIO中斷（IRQ122和IRQ124），原來(lái)是硬件不支持Edge falling和Level Low的觸發(fā)模式。kernel log如下。

測(cè)試DIP UIO方法一

通過(guò)撥動(dòng)2個(gè)DIP，觀察到

2個(gè)DIP中斷發(fā)生了，可是不論怎么再撥動(dòng)DIP開(kāi)關(guān)，始終是1。前文鋪墊過(guò)，這個(gè)中斷在驅(qū)動(dòng)的中斷處理程序里會(huì)被關(guān)掉，需要通過(guò)應(yīng)用程序調(diào)用write（）來(lái)打開(kāi)。這里有個(gè)easy way，使用萬(wàn)能的echo命令“echo 0x1 > /dev/uioX”，再配合DIP可以觸發(fā)多次中斷。

測(cè)試DIP UIO方法二

前面的方法比較low，這里有稍微高級(jí)的享受。寫(xiě)個(gè)簡(jiǎn)單的用戶態(tài)驅(qū)動(dòng)程序，上代碼。

借助petalinux提供的交叉編譯工具編譯出bin文件，拷貝到啟動(dòng)SD卡。

運(yùn)行測(cè)試程序并配合DIP開(kāi)關(guān)測(cè)試。（為了更好的體現(xiàn)測(cè)試運(yùn)行情況，在UIO內(nèi)核驅(qū)動(dòng)里增加了irqcontrol的調(diào)用打印）

測(cè)試GPIO UIO

UIO驅(qū)動(dòng)會(huì)將設(shè)備內(nèi)存（寄存器）空間枚舉出來(lái)，由用戶態(tài)驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)mmap導(dǎo)出進(jìn)行讀寫(xiě)控制。參見(jiàn)AXI_GPIO IP的文檔pg144-axi-gpio.pdf，其寄存器如下。

測(cè)試應(yīng)用程序會(huì)通過(guò)設(shè)置GIER和IP_IER來(lái)使能中斷。上代碼。

測(cè)試過(guò)程

或許你覺(jué)得這么貼圖代碼不厚道而不能施展復(fù)制黏貼大法，可不知我拙與WORD，沒(méi)try出好排版。莫急莫急，這里有GIT，https://gitenterprise.xilinx.com/AlexHe/UIO_Linux_Demo

硬件資源文件和Image，測(cè)試代碼一個(gè)都不能少，統(tǒng)統(tǒng)獻(xiàn)上。酸爽否？

實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 論

UIO這種可高度自定義的設(shè)備結(jié)合Xilinx的MPSoC可以實(shí)現(xiàn)非常靈活的應(yīng)用。Xilinx提供的完備的工具集，給用戶帶來(lái)了高效的開(kāi)發(fā)體驗(yàn)。本例雖然簡(jiǎn)單，但Xilinx所推崇的All Programmable的概念和實(shí)際的FPGA加速應(yīng)用的的確確是建立在這些軟硬件協(xié)同技術(shù)之上。忘周知！

參考文獻(xiàn)

The Userspace I/O HOWTO https://01.org/linuxgraphics/gfx-docs/drm/driver-api/uio-howto.html

[Xilinx Document]

[1] UG1182 - ZCU102 評(píng)估板用戶指南

[2] UG1085 - Zynq UltraScale+ MPSoC 技術(shù)參考手冊(cè)

[3] UG1144 - PetaLinux 工具文檔：參考指南

[4] UG940 - Vivado Design Suite 培訓(xùn): 嵌入式處理器硬件設(shè)計(jì)

[5] PG144 - AXI GPIO v2.0 產(chǎn)品指南