【ZYNQ实战】利用AXI Quad SPI快速打通Linux至PL端SPI从设备
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[导读] 前面写过篇介绍ZYNQ基本情况的文章，今天来肝一篇实战文章介绍AXI quad SPI 使用方法，如果你正使用ZYNQ的这个IP，希望对你有所帮助。
初识AXI quad SPI
自《PG153 AXI Quad SPI v3.2》
支持：
Legacy Mode
standard mode: 准SPI通常就称SPI，它是一种串行外设接口规范，有4根通信脚：SCK （时钟）, CS（片选）, MOSI（主出从入）, MISO（主入从出）。
Dual/Quad SPI Mode:
在标准模式下，支持高达32个从站，这是非常灵活的指标。本文对于手册中的详细技术细节不做过多阐述，有兴趣的自行深入阅读研究。
该SPI IP能干神马呢？
完成如下这样一个应用场景：
所需要实现的需求用例为：
本文实现用例描述
利用AXI quad SPI 实现SPI外设控制器
实现SPI外设控制器驱动
实现多SPI从设备挂载在SPI总线
实现用户空间访问多从SPI物理从设备
从软件分层的视角来看，上述的需求需要实现下面的访问层级：
为什么要研究这个呢？实际用ZYNQ芯片做产品时，很有可能外部有多个SPI从设备芯片需要利用Linux访问，你或许会说ZYNQ的PS端不是自带了两个SPI控制器吗？但有时候项目中这两个SPI对应的引脚可能用做其他用途了，而一个复杂的项目中又不得不使用多个SPI从设备芯片时，本文所讨论的话题就能很好的解决这样的需求场景了。通过本文，你会发现，原来ZYNQ的SPI IP是如此灵活好用！
本文目的实战描述，如何一步一步从PL端设计：
block design
约束
综合
导出
乃至PS端：
SPI驱动配置
设备树修改
系统编译部署
设备驱动测试
按照这个流程，那么第一步需要设计PL端与PS端的配置，且看：
AXI Quad SPI 之配置
从IP catalog中按下图从ip库中添加如下IP：
ZYNQ7 processing System
AXI interconnect
AXI Quad SPI(可根据需要添加多个)
Processing System Reset（添加ZYNQ7 processing System 点自动连线会自动添加，当然也可以手动添加）
Concat
Block设计图
使能ZYNQ7 processing System的时钟PL Fabric clocks,用以驱动PL端的IP：
PL Fabric clocks设置
使能M AXI GP0接口如下：
双击AXI interconnect，设置2主1从：
双击axi_quad_spi_0设置如下，设置4个从设备（最多可支持32个从设备，PS端内置的SPI控制器1个最多支持3个从设备，从这一点可看出该IP的灵活性）
同样将axi_quad_spi_1设置为2个从设备接口。
然后按照前面的连线图，将各块连接好，做过硬件的盆友会比较适应，这就像画原理图一样，就将各IP建立了逻辑连接关系了。除此之外，对于一个ZYNQ的板子而言，你还需要做如下的PS端设置：
DDR RAM设置，根据自身的板子的内存芯片以及内存大小进行设置
Peripheral IO外设设置，比如SD卡，UART,QUAD SPI Flash,erthernet等
clock时钟系统设置，根据板子的情况进行设置CPU、DDR时钟频率、IO时钟等
......
至于这些怎么配置，比较常见这里就不赘述了。
对于AXI quad SPI外设还有一个很重要的配置，就是其地址范围：
该地址最终将导出到设备树描述文件，用于SPI控制器驱动访问，从而让SPI控制器驱动得以与该IP通过AXI总线进行通信。
导出硬件文件
点击open elaborated design ，然后打开io ports进行管脚分配，这需要根据各自的硬件实际情况进行设置，比如我是这样设置的：
电平标准
是否上拉
驱动能力
.....
然后点击Run synthesis进行综合，成功之后点击生成bit stream。再点击export hardware,得到.hdf文件，这个文件用于构建内核。
将得到的硬件描述hdf文件以及bitstream文件拷贝至内核编译文件夹下：
配置编译内核
运行命令读取硬件描述文件：
petalinux-config --get-hw-description ../base.sdk
注：这里将hdf文件以及.bit文件放置在petalinux编译路径的上级目录的base.sdk，根据习惯可自行设置，只有上述命令传入的路径正确即可。
等待一段时间后，可得到一个配置界面，用于配置内核源、u-boot源、Image 等配置。
petalinux-config
根据实际情况配置好后，退出配置并保存配置。使用过的会比较熟悉，这里不赘述了。
配置设备树
编辑用户设备树文件，用户设备树文件在下面路径中：
./project-spec/meta-user/recipes-bsp/device-tree/files/system-user.dtsi
配置设备树如下：
/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>;
};
};
这里直接使用内置spidev兼容从设备驱动，当然如果需要自己定义一个SPI设备驱动也是非常容易的，但是对于大部分普通的SPI从芯片而言直接使用spidev设备驱动即可，只需要在读写时按照芯片手册协议进行访问即可。
配置内核
运行下面命令进行内核配置：
petalinux-config -c kernel
内核配置
对于本应用而言，需要配置SPI驱动：
Device Drivers --->
+-SPI support--->
配置如下：
SPI控制器及设备驱动配置
这里调试中遇到一个奇怪的问题,CONFIG_SUSPEND需要禁止，否则控制器驱动加载不成功，目前还没有深入研究为什么不成功，猜想可能是主控制器驱动关于SUSPEND功能还不支持或者有bug，如果有哪位大神知道怎么解决请求留言指点。
Power management options --->
Suspend to RAM and standby功能管理配置
退出并保存配置，然后运行下面命令编译系统：
petalinux-build
等待编译成功后，运行下面命令将bitstream文件包进BOOT.bin中。
petalipackage --boot --fsbl ./images/linux/zynq_fsbl.elf --fpga ../base.sdk/design_1_wrapper.bit --u-boot --force
将得到下面的输出信息，表示操作成功：
INFO: File in BOOT BIN: "/home/zynq/ALINX/spi_ip/ax_peta/images/linux/zynq_fsbl.elf"
INFO: File in BOOT BIN: "/home/zynq/ALINX/spi_ip/base.sdk/design_1_wrapper.bit"
INFO: File in BOOT BIN: "/home/zynq/ALINX/spi_ip/ax_peta/images/linux/u-boot.elf"
INFO: Generating zynq binary package BOOT.BIN...
INFO: Binary is ready.
WARNING: Unable to access the TFTPBOOT folder /tftpboot!!!
WARNING: Skip file copy to TFTPBOOT folder!!!
注：/home/zynq/ALINX/spi_ip/ax_peta 是本文工程的目录
测试SPI从设备
编写驱动测试程序，代码如下：
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int main(int argc, char **argv)
{
int fd;
int len;
unsigned char buf[10];
unsigned char tmp;
/* 验证输入参数个数 */
if(3 != argc)
{
printf("none para\n");
return -1;
}
/* 打开输入的设备文件, 获取文件句柄 */
fd = open(argv[1], O_RDWR);
if(fd < 0)
{
/* 打开文件失败 */
printf("Can't open file %s\r\n", argv[1]);
return -1;
}
int i = 0;
int j = 0;
len =strlen(argv[2]);
for(i=0;i<len;i++)
{
if(argv[2][i]>='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 \r\n");
return -1;
}
if(i%2==0)
buf[j] = tmp<<4;
else
{
buf[j] += tmp;
j++;
}
}
len = j;
printf("Test wr:");
for(i=0;i<len;i++)
printf(" %x",buf[i]);
write(fd, &buf[0], len);
printf("\n");
/* 操作结束后关闭文件 */
close(fd);
return 0;
}
编译：
arm-linux-gnueabihf-gcc test.c -o test
将编译所得的BOOT.BIN以及image.ub文件拷贝至制作好的SD的BOOT区，test文件拷贝至/home下。然后插上SD卡上电运行电路板：
登录控制台后，运行ls /dev查看spidev设备是否加载成功：
spidev设备挂载情况
可见spedev1.0、spidev1.1以及spidev2.0--spidev2.3加载成功，与预期一样。
然后运行测试程序：
root@ax_peta:/run/media/mmcblk0p2/home#./test /dev/spidev1.0 78aa
Test wr: 78 aa
用示波器或者逻辑分析仪观察对应引脚，将出现正确的SPI通信波形。
总结一下
至此，就基本实现了从PS端Linux用户空间访问PL端的SPI从设备了。当然实际项目中还有很多细节需要进一步研究：
CPOL/CPHA 组合四种模式设置
SPI通信速率设置
从设备应用协议程序编写
AXI Quad SPI FIFO特性的深入应用
AXI Quad SPI 其他模式及细节研究等
对于这些更细节的内容，相信在将基本框架搭建成功后，只要深入细致研究都不会有太大的难度。从本文可看出，ZYNQ之所以如此灵活好用，是其厂家或者第三方提供了大量成熟可供使用的IP以及配套的驱动程序。如有兴趣尝试用来开发项目，相信你会很快喜欢上这个体系的芯片，真的可以做到片上即可实现系统这一目标！
—END—
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