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)
. f% p9 X' [9 P
* [, @% }, b% q) A3 D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。
& \5 C/ s N$ Y* l$ d4 T
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：
' d( S7 j: {; L3 j3 D% e" A
* T- p b5 W& H7 `1 A9 W图 2
1.2 案例测试
* K7 R3 L; }, O. U" t5 D
P1 P8 R; w0 M% r7 E1 Q! p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
: y2 z- \7 c1 G$ R& c& S o5 M, }
' @( s/ }; N7 o3 j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。
1 j+ Q4 s) E) F+ Y8 ?
% p; M. N$ U4 q7 n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
, K$ z6 t" C% y$ L1 U
9 Q& U/ h/ c! O! E图 6
执行如下命令进行测试。
Target# ./flexspi_read -a 0x08000000 -s 4096
' N' s# V0 R$ o2 F7 O
/ G6 `; O* g: D" C# l( U# w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
3 L# \ q* y9 i$ t6 ]( v, r
! ^, e# d& Z h. z# D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。
7 `% q9 D& M( Y* n& P" D3 p; G+ e( W4 ?$ m) |# ~, f+ [4 c& F/ e
图 9
执行如下命令进行测试。
Target# ./flexspi_read -a 0x08000000 -s 4096
5 D& K5 {6 q T) o% @2 r% s. [% x
) P& w" F$ x0 c" E% `2 V8 f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
5 n1 a' V7 k! `2 N8 I6 K9 ~& t i
图 11
(2) 地址映射。
% V* W! S3 |+ u$ D) u4 J% F
5 w8 b) E( W7 a' U图 12
(3) 读取数据。
" d/ A6 W0 P# c+ y& M& G
, |+ {# A4 E' v( `图 13
(4) 校验数据。
% {1 d( i2 c* }- @2 m; _) W
# Q+ @* O* _# c4 ~% G: b, s图 14
(5) 打印数据。
4 \, D: t9 Z: R; J- {& ~, g$ S$ c" [( `/ c4 J+ [; X
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。
8 f' a& `/ d$ W* {% ]8 K5 h
% R( a8 Z0 s. [. K9 Z$ w* m$ \+ t图 16
(2) 时钟输入信号flexspi_sclk设置为2倍频
( G7 L6 ?3 I' U* n. g: i* y
+ j# Y" A% S# z: n
图 17
(3) 数据发送
( j' Z) a5 f4 [& {$ A
+ A: ^( k, l. r2 q图 18
* ?4 q, V3 _, S2 Q, g# v$ Y
: i9 L; H0 w# `- l- M
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：
1 U$ q. I$ S7 \ J- x& I. l3 M/ e& T" T
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。
, `0 ^: @% e. N+ ]) `( c c" {' v; \5 s% M$ Q1 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
9 |6 I/ {% K( U7 i$ w
0 ]/ i0 ^; |: |3 D9 X- h! M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。
) ]; U2 p1 W. x5 \
6 P& j0 [' G( g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。
5 G" U4 Z5 F; s& e
" ?0 y3 ]" u1 `$ e6 ~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。
) C2 E" L, o5 i; p+ B) C% |
. ~- _) w5 ]5 ]
图 25
5 V1 \5 }5 }7 N, Q. {" p
; b8 T- k* e- @4 r4 g9 Y* q a9 \, y" K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。
0 n% b+ w" _, O6 G4 S# N$ O$ M- K# M3 [
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
* G- U' F; q9 L9 e. u
7 X! w9 Y+ k L8 g" [; S5 n图 28
3 X' Y5 N) s/ r3 R8 ?! o' |6 Q
2 N0 l. K: f- l
图 29
播放结束后，将打印视频时长、帧率信息。
7 g* [; \2 h/ N& i+ e% }; s) B z2 ]4 ?3 f4 c
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
! n5 }& A/ O+ P. W" P
7 V, X/ W0 l* j$ M1 E7 z
图 31
9 S2 D6 q. i; ~ A, H/ e+ f2 l6 h4 E J/ K
图 32
3 B) {. G* P5 E1 }( q* X4 m1 I# U0 R7 g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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