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)
' m6 S: G& F U$ x
) l. P+ K& a' R$ s! K
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。
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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. n+ [5 H9 C& I3 L# M# S8 ?' S$ {4 ` m- k
图 2
1.2 案例测试
: ?. g5 k0 C- `6 b+ \) c& P* e6 k& U3 J
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
: J$ A. L* ?# k# O& w |2 \5 }$ ~4 q9 R- o6 S. {
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。
- y+ j1 R0 E' H# [
3 h* S/ [: c8 Z# k2 H5 x
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
1 `0 G1 Y. L6 G5 U, @
) y+ G! O+ i; {1 S图 6
执行如下命令进行测试。
Target# ./flexspi_read -a 0x08000000 -s 4096
# z* K y5 \7 T; k
1 @$ x1 k* M$ |. L3 L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
% k% _, ^. N* _) D0 Z
' S, k& |- d; Q9 _5 l$ z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。
0 j6 Y6 _3 x* I% u8 t: A8 b) G5 y
( k1 H6 B4 q; k! O9 s) k
图 9
执行如下命令进行测试。
Target# ./flexspi_read -a 0x08000000 -s 4096
5 o+ e9 {( F8 i, _1 t( i7 w' M
2 c) x W! S) C9 z0 S z. ~* P% C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
4 G1 l: T; ~$ j S
: t' T9 V I8 W图 11
(2) 地址映射。
& u ?, M) r8 h& q
* v$ p( ]2 D# P& t/ g
图 12
(3) 读取数据。
$ w6 h! J5 u+ Y" w% H7 b3 y
* b1 C0 Q! a# a. m4 r/ P图 13
(4) 校验数据。
) Q4 H6 [) q2 V& H8 [
! ^$ m. b/ M3 }( }
图 14
(5) 打印数据。
4 Q2 e( r. F( U( x7 T1 x- r6 u( J
# e; b/ G' a4 H" D6 @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 ^+ t/ [" d+ t7 _+ {2 p& H
% [4 k; u8 B. v% r; Q图 16
(2) 时钟输入信号flexspi_sclk设置为2倍频
. a; C8 i4 L" S5 G
/ k9 S" e& v, N2 z$ ^9 c" Q图 17
(3) 数据发送
4 O, U* }/ x7 D( y3 }- N
6 H2 y& o; O }) ], [1 a# V图 18
. F, Q% t# m$ g; |4 C4 ]0 Y3 |
% m8 O; ~1 T7 O) N7 n% |+ I
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：
8 E" [7 I5 Y r: A/ g6 w
: r8 c8 X" s4 b. K+ L
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。
# U2 K# V6 p Y2 f4 Z" ?4 e5 w* B! J
7 _4 c6 r6 O/ p: l9 e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
' l8 [ x- ^. ]7 q5 f/ U& V# W+ f9 t7 L& p7 `/ K/ G: n
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。
. T1 ? ?2 @% H$ |
* {# q# c4 o+ }5 a# o* X, p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。
, J6 G8 a+ D) U& `* g3 K5 A6 i3 x* m6 i/ I J
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。
3 C- @0 l7 c$ p4 S
2 R6 R% _& G! a3 o图 25
8 \3 s/ F" z1 u* M* j
# D& j, Z. E8 W! Y. d+ q/ 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。
# c v9 R- d6 E4 Z/ r; ~: {: b/ b; u
% Y1 _) n: @" \; d7 k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
8 t$ n$ P8 m8 m* d
9 e& ~! @ p, `! ~& r
图 28
, D2 B; q5 g6 T
+ ^6 C$ t+ S% T( [; \! _% @. o图 29
播放结束后，将打印视频时长、帧率信息。
9 ], o) y- a/ q* O$ _# G/ q9 a0 J* n
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
9 n+ q* Q. i2 g7 [" X- t# @* s% r5 x. H( m
图 31
9 H3 I1 N2 _9 ~; c% m
; Z8 C' g+ `, Y: |图 32
4 A; y2 u8 C+ `# [, j& Y
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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