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)
0 L2 x( j; h: W( L/ C p8 j; ?% L& v/ `# f8 \7 a
图 1 TLIMX8-EVM评估板
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。
3 A% y) ]5 Z% u: u: P
想要获取案例详细说明、源码的朋友请于评论区留言~
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：
' @4 t6 a. I% R7 F& }3 W b5 D9 g2 ]6 m9 d. P
图 2
1.2 案例测试
& n% L' b: a$ y. n+ k: k' y3 e% ?* h3 E
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
" I! W' {7 \. v6 J: @
% O& O4 q# i; z
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。
; n& J% i* ~5 e# n& ~" m ~- Q
2 B! \* T9 D' f( f. a8 k) t
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
; |# }# `' {7 @, ^+ o/ }# s x( V$ P h
图 6
执行如下命令进行测试。
Target# ./flexspi_read -a 0x08000000 -s 4096
1 C) H- }. c% Z, X6 V) p& ^
5 I4 q+ I: p$ X6 u F; f' x4 g9 h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
* S$ ?/ E; _ c4 P2 \7 Z
) e8 |- P, w' i5 D7 ?! Y( A$ W
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。
P0 l* C Y3 q& ]3 \* }
% H- \/ T/ z& d% b& ]6 U6 h图 9
执行如下命令进行测试。
Target# ./flexspi_read -a 0x08000000 -s 4096
' v0 y3 M8 [3 w! I1 h; B5 G. Q) b! P1 x( A0 n/ ^8 o
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
% q) h2 q* K1 ~; I
2 z3 h, H% |8 \+ {2 h9 r# i' Y* S
图 11
(2) 地址映射。
) v/ U: G2 G; H( W) w
! x8 X$ K( L+ z6 x- i
图 12
(3) 读取数据。
# b4 l! [7 [3 V8 N, Y) k3 i0 f- I6 }0 R. J! J; m! ^* l* r
图 13
(4) 校验数据。
. k6 V y; X. L/ C: P% k% }, q# O+ W- t% E- l% R
图 14
(5) 打印数据。
+ @ C6 c- K" Y7 M% j8 o; @
# q6 {* d/ |. ~& Z5 n
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。
% ]( W+ z% Q7 T* H6 Z0 X0 c: ~7 Z: @0 I$ n
图 16
(2) 时钟输入信号flexspi_sclk设置为2倍频
* N M" ?3 J! D4 q& t$ c/ {" q- P9 C& D* n* _8 t$ `- j0 N
图 17
(3) 数据发送
+ c$ ? @: Q& J. h4 }) v( ~
c: b8 d1 [( E! c! S4 D图 18
/ c- W# e- Y) ?- v
6 k' d- l4 C" j t0 p2 w7 Z
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：
; I+ Q/ N; N ]; C2 _; L0 f" }# a" D( b: p u
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。
, S& O( T6 j4 v+ S+ _0 r! `! `1 J8 ]1 O* t/ P2 Z6 [4 Q! }* s8 f
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
; W3 h9 B }( f/ c( z& Q* w5 N( Y& K
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。
}/ O% f3 V0 Y
l5 G7 F) C- O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。
; T& A7 m) e, q% K& H; @
/ i( R9 X# r) Z4 g7 `: g4 s" p# }( Z
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。
! k8 v$ n& N4 G, A7 Y `' p1 d3 Z& @: p9 O* e+ V1 {! K( L s6 R4 P$ h
图 25
" f# z3 E" m- ]
9 t6 Q* [& @/ ?, f- @! X# E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。
8 w' g) [) C% s( b
- c B5 D4 e1 ?2 B1 @9 w
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
' C9 B# b: K3 x+ t
! `- u$ E9 U' A# p% M
图 28
" E, h. Q$ R# z1 k+ \
( B( N5 T5 V. c$ {1 D( f
图 29
播放结束后，将打印视频时长、帧率信息。
* R4 k8 z& K2 P3 f
" R+ r5 H J# _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
% g! U. `2 K& A6 v9 {! t
- m& ]2 y. X0 g
图 31
9 U" F5 Y5 c3 i' D' _+ @# K
7 M9 u% n2 i7 Y, W7 W* p5 a图 32
0 h/ R6 t2 }/ {5 _' j% o3 R; l, Q: W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。
/1 
发表于 2021-9-2 14:28
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