【含案例源码】IMX8基于FlexSPI、PCIe与FPGA的高速通信开发详解！

前 言

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

本文档适用开发环境：

Windows开发环境：Windows 7 64bit、Windows 10 64bit

虚拟机：VMware15.1.0

Linux开发环境：Ubuntu18.04.4 64bit

U-Boot：U-Boot-2020.04

Kernel：Linux-5.4.70

Linux SDK：5.4.70_2.3.0

*测试硬件平台：TLIMX8－EVM评估板（NXP i.MX 8M Mini）

案例一：主要演示ARM Cortex-A53通过FlexSPI接口读取FPGA（Spartan-6采集卡TL-HSAD-LX）发送的模拟数据，并进行校验，通过串口打印相关信息。实测速率为114.89MB/s。

案例二：主要演示ARM Cortex-A53通过PCIe接口与FPGA进行通信，实现对CameraLink相机图像的采集、编码和显示。实测传输帧率为60fps。

1 flexspi_read案例

1.1 案例说明

本案例主要演示ARM Cortex-A53通过FlexSPI接口读取FPGA（Spartan-6采集卡TL-HSAD-LX）发送的模拟数据，并进行校验，通过串口打印相关信息。

(1) 驱动默认配置FlexSPI为DDR模式（双边沿），配置FlexSPI的时钟源为400MHz，分频系数pre_divider和post_divider分别为2和5，此时FlexSPI的ROOT CLK时钟为400MHz/2/5 = 40MHz，DDR模式的传输时钟SCLK= ROOT SCLK/2 = 20MHz，数据位宽为8bit，即理论传输速率为40MB/s，实测速率为37.56MB/s。

(2) 驱动如配置FlexSPI为DDR模式（双边沿），配置FlexSPI的时钟源为400MHz，分频系数pre_divider和post_divider分别为1和3，此时FlexSPI的ROOT SCLK时钟为400MHz/1/3 = 133MHz，DDR模式的传输时钟SCLK = ROOT SCLK/2 = 66.5MHz，数据位宽为8bit，即理论传输速率为133MB/s，实测速率为114.89MB/s。

FPGA端：发送从0x00递增至0xFF的数据。

ARM端：读取数据并进行校验，打印误码率、读取速率和读取到的数据。

程序流程图如下：

图 2

1.2 案例测试

图 3

请按照上图进行硬件连接，并将案例bin目录下的可执行文件flexspi_read、“driver\bin\”目录下驱动文件flexspi_imx8.ko、“dts\image\”目录下的设备树文件tlimx8-evm-flexspi.dtb拷贝至评估板文件系统。采集卡TL-HSAD-LX加载或固化“data_to_flexspi\bin\”目录下的.bit或.mcs文件。在评估板文件系统flexspi_read文件所在路径下，执行如下命令查询程序参数说明。

Target# ls

Target# ./flexspi_read -h

图 4

执行如下命令将默认使用的设备树tlimx8-evm.dtb进行备份，然后把tlimx8-evm-flexspi.dtb拷贝至“/run/media/mmcblk1p1/”目录并重命名为tlimx8-evm.dtb。

Target# cp
/run/media/mmcblk1p1/tlimx8-evm.dtb linux-tlimx8-evm.dtb//备份默认的tlimx8-evm.dtb，新文件名为linux-tlimx8-evm.dtb

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

备注：更换设备树后，需重启评估板方可使设备树生效。

图 5

1.2.1 功能测试

执行如下命令加载FlexSPI驱动。

Target# insmod flexspi_imx8.ko

图 6

执行如下命令进行测试。

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

图 7

本次测试速率为37.56MB/s，误码率为0，与理论速率40MB/s接近。

备注：受限于测试板卡的硬件连接形式的影响，37.56MB/s是零误码率时的最高实测速率。

若读取小于或等于2048Byte的数据时，每次读完需清空FlexSPI的RX Buffer，否则下次读取的数据是缓存在Buffer中的旧数据。

Target# devmem2 0x30bb0000 w 0xFFFF7031

图 8

1.2.2 性能测试

执行如下命令卸载flexspi驱动，并重新加载驱动。同时采集卡TL-HSAD-LX重新加载或固化FPGA程序。

Target# rmmod flexspi_imx8

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

备注：pre_divider和post_divider为分频系数，详细说明请查阅驱动说明章节。

图 9

执行如下命令进行测试。

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

图 10

可以看到本次测试速率为114.89MB/s，与理论速率133MB/s接近。

备注：受限于测试板卡的硬件连接形式的影响，此速率下的误码率为99.8%。

1.3 案例关键代码

（1） main函数

图 11

（2） 地址映射。

图 12

（3） 读取数据。

图 13

（4） 校验数据。

图 14

（5） 打印数据。

图 15

1.4 FPGA工程关键代码

（1） 端口IO定义

flexspi_sclk和flexspi_ss0_n为输入信号，flexspi_data和flexspi_data为输出信号。

图 16

（2） 时钟输入信号flexspi_sclk设置为2倍频

图 17

（3） 数据发送

图 18

图 19

2 gst_pcie_enc案例

2.1 案例说明

本案例主要演示ARM Cortex-A53通过PCIe接口与FPGA进行通信，实现对CameraLink相机图像的采集、编码和显示。其中ARM端获取到的原始图像通过dma-buf机制，在采集、硬件编码和显示输出等功能中进行共享，可实现高效的图像数据“零拷贝”的录播方案。

FPGA端：

（1） 采集CameraLink相机图像；

（2） 通过XDMA IP实现为PCIe EP设备，RC端可通过PCIe接口访问FPGA端DDR以及对VDMA IP的寄存器进行配置。

ARM端：

（1） 作为PCIe RC设备，配置VDMA IP将图像存储到FPGA DDR指定位置、将图像从FPGA DDR通过XDMA搬运到ARM端DDR；

（2） 调用协处理器VPU进行H264硬件编码，并将编码后的数据存储到文件；

（3） 编码的同时，通过HDMI显示实时图像。

程序工作流程框图如下所示：

图 20

2.2 案例测试

请参考下图，将创龙科技的TLCamerLinkF模块连接至TLK7-EVM评估板的FMC2接口，TLK7-EVM评估板J1跳线帽选择1.8V档位，以配置FMC IO的BANK电压为1.8V。将CameraLink相机的CL0通过数据线连接至TLCameraLinkF模块的CameraLink1接口。再将TLK7-EVM评估板的PCIe插到TLIMX8-EVM评估板的PCIe插槽上，使用HDMI线缆连接TLIMX8-EVM评估板的HDMI OUT接口至HDMI显示屏。

图 21

将该案例bin目录下的驱动文件xdma-video.ko拷贝至TLIMX8-EVM评估板文件系统中，并将案例bin目录下的.bit或.bin文件加载或固化到TLK7-EVM评估板。

评估板上电，可执行lspci命令检查PCIe连接是否正常。如不能获取到如下信息，请检查硬件连接和FPGA端是否正常运行。

Target# lspci

图 22

Target# insmod xdma-video.ko debug=1

备注：“debug=1”表示打印帧率信息，可根据实际需求选择是否配置。若需修改分辨率和帧率，可执行命令“insmod xdma-video.ko width=1280 height=1024 fps=60”，具体的分辨率和帧率大小，请以相机实际可支持范围为准，分辨率参数需和相机分辨率参数匹配，帧率参数仅作用于软件上相机参数，不影响实际的相机帧率。

图 23

执行如下命令进行图像的采集、编码和显示，编码后的test.264文件将保存在当前目录下。

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"为设备节点，请以实际节点为准，1280和1024为图像的宽和高。

图 24

执行成功后可观察到如下输出，串口不停打印帧率，并在HDMI显示器上观看到实时图像。

备注：帧率显示为61fps，是由于CameraLink相机输出的并不是标准的60fps图像。

图 25

图 26

按下“Ctrl+C”停止录制后，将在当前目录生成test.264文件，并可观察到实际帧率为59.954fps。

图 27

执行如下命令播放编码后的视频，HDMI显示器显示对应图像。

Target# gst-play-1.0 test.264

图 28

图 29

播放结束后，将打印视频时长、帧率信息。

图 30

备注：由于码流文件中不包含播放帧率信息，因此在执行“gst-play-1.0 test.264”时未能按60fps进行播放。从串口打印信息可知，实际是以30fps进行播放，并且播放时长为录制时长的两倍。在录制时，将H264码流封装成MP4格式可解决此问题，因为封装成MP4格式时，播放帧率信息将被记录在MP4文件中。

执行如下命令，可将H264码流保存成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

图 31

图 32

注意：H264码流保存成MP4文件，程序可正常工作，录制的视频文件播放帧率正常，但系统会出现概率性的丢帧。为了避免这种情况，在实际的应用编程中，建议将MP4的保存功能另外建立一个pipeline进行，或改用其它开源MP4库进行开发。