AM5728通過GPMC接口與FPGA高速數據通信實現

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硬件：AM5728開發板；Artix-7開發板
軟件：Linux am57xx-evm 4.4.19；Vivado 2015.2
作者：Imapla
郵箱：hihuanglong@foxmail.com

AM5728外設接口豐富，有V-PORT接口、PCIe、GPMC、USB、UART等等，通常與FPGA之間高速數據通信可以選擇V-PORT、PCIe、GPMC，這里以實現起來最簡單的GPMC為例，實現了從FPGA到AM5728的高速數據搬運。

AM5728的ARM端運行Linux 4.4內核操作系統，通過GPMC接口采用DMA的方式讀取FPGA端的數據，讀取32KB數據大概用了540us，即60MB/s左右的速度，實際上通過配置GPMC接口的時間參數和工作模式，速度還可以更快。

GPMC接口介紹

GPMC的全稱是 General-Purpose Memory Controller，即通用存儲控制器，是TI的Sitara 系列處理器AM5728用來與外部存儲設備例如NOR FLASH、NAND FLASH、SRAM等等通信的一個接口。這個接口並不是AM5728特有的，在BeagleBone Black、AM33XX等芯片上也有類似接口。

1.1 硬件連接方式

參考SPRUHZ6I 15.4.6.1.2 在AM5728中把GPMC接口配置為異步模式並設置NOR FLASH、非地址數據線復用的模式與FPGA通信，但只用16位數據線，不用地址線，即采用類似於FIFO的方式與FPGA通信。目前實際只使用到了如下I/O口，信號方向如下圖所示。

GPMC_D[15:0]： 16位數據線

GPMC_nCS：片選信號

GPMC_nOE：輸出使能時鍾

FPGA_nRST：用於通知FPGA讀寫指針復位

FPGA_nIRQ：用於通知ARM讀取一塊數據

1.2 硬件接口協議

采用異步方式讀取，即不使用GPMC_CLK，FPGA端在GPMC_nOE的下降沿把數據送出去。

目前這種工作模式下的GPMC接口，我們只需要關心以下幾個時間：

即CS有效時間，OE有效時間，GPMC讀取數據時間，GPMC單個讀取周期。

Linux驅動實現

Linux 4.4 版本內核采用設備樹dts的方法編寫驅動，與2.6版本時候有較大區別，4.4版本內核中關於GPMC接口的API幾乎沒有導出，通過API來操作不可行，必須使用編寫設備樹方法。關於設備樹的編譯請參考創龍的用戶手冊。

AM5728的dts文件路徑：linux-4.4.19-g5e4091a-v1.3\arch\arm\boot\dts

內核實現的gpmc驅動在：linux-4.4.19-g5e4091a-v1.3\drivers\memory\omap-gpmc.c

關於 dts 的編程方法可以參考：

https://learn.adafruit.com/introduction-to-the-beaglebone-black-device-tree/overview

以及閱讀Linux內核目錄下的文檔：

Documentation\devicetree\bindings\mtd\gpmc-nor.txt

配置方面主要包括與GPMC相關的7個配置寄存器CONFIG1-CONFIG7，GPMC端口初始化等等。

（1）首先確保在文件dra7.dtsi中引入了GPMC控制器，如下：

（2）接着在 am57xx-beagle-x15-common.dtsi 加入 GPMC 管腳初始化配置

（3）最后在實現一個自己的GPMC設備節點，其中關鍵的時序參數如下，在這里我們設置GPMC的片選CS6地址為0x10000000，大小為16MB，GPMC的單個讀取周期為30ns。

采用DMA傳輸

AM5728帶有System DMA和Enhanced DMA，Linux 4.4 之后內核中 EDMA 相關的API不對外導出，因此暫時只能采用通用的DMA API操作，實現DMA搬運。

需要注意的是，DMA中配置的地址都為物理地址，即DMA傳送到源端為外設的地址即GPMC的物理地址，目的地端為你申請的內存空間物理地址。

實驗驗證

（1）使用memread讀取GPMC端口數據

memread中使用mmap方法把GPMC的物理地址0x10000000映射到用戶空間。在用戶空間通過CPU讀取GPMC端口數據，抓取CS6n和OEn的波形如下，目前沒有用到DMA傳送，只是在Linux循環讀取，可以看見每個周期里片選信號CS6n都會維持很長一段高電平的時間，GPMC一次的讀取周期大概為200ns。

通道1為片選信號CS6n，通道2為輸出使能信號OEn

這樣的速率大概只有 16bit / 200ns = 10MB/s

（2）使用DMA傳輸

編譯並使用insmod工具加載DMA驅動edmatest.ko，抓取CS6n和OEn的波形如下，使用DMA傳送，這下讀周期就小了很多了，大概只有30ns，和GPMC參數里設置的完全一致。讀取32KB數據大概用了540us，即60MB/s左右的速度。實際上通過配置GPMC接口的時間參數和工作模式，速度還可以更快。