喬霖 李永紅 岳鳳英

摘 要：以Freescale公司LMX6系列的ARM處理器及Xilinx公司的Kintex_7系列FPGA為核心的硬件平臺，介紹了一種通過EIM總線接口傳輸?shù)腁RM與FPGA之間的數(shù)據(jù)通信設計實現(xiàn)方法。文中簡單概述了EIM總線數(shù)據(jù)通信的功能特點及異步通信的基本原理，基于Linux嵌入式操作設計完成EIM總線接口驅(qū)動代碼開發(fā)，通過VHDL硬件語言配置數(shù)據(jù)通信邏輯，結合測試代碼通過EIM接口對FPGA的相關寄存器進行讀寫測試，通過ChipScope設置信號觸發(fā)，完成通信數(shù)據(jù)采集與驗證。通過該通信接口的研究設計，實現(xiàn)ARM系統(tǒng)與FPGA之間的高速數(shù)據(jù)互聯(lián)通信，實時性強，傳輸速率高。該技術已成功運用于某型多功能總線數(shù)據(jù)采集板卡設計。

關鍵詞：通信接口;EIM總線;異步通信;通信邏輯;讀寫測試;通信驗證

中圖分類號：TN913-34;TP274

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X（ 2019） 24-0092-04

0 引言

隨著高速數(shù)字信號處理技術的發(fā)展，ARM嵌入式設備外設控制要求不斷增加，單一的ARM嵌入式處理設備應用開發(fā)越來越難以滿足日趨復雜產(chǎn)品的應用需求，而伴隨著可編程邏輯器件FPAG的廣泛拓展應用，為ARM嵌入式設備功能擴展研發(fā)提供了一種有效的解決辦法。作為嵌入式技術發(fā)展的重要方向，兩者之間數(shù)據(jù)交互通信，為復雜的高速數(shù)字信號處理業(yè)務提供了完善的硬件解決方案[1-3]。作為該平臺設計方案的核心，如何實現(xiàn)兩者之間的高速通信配置是該方案設計的技術難點。

I.MX6系列多媒體應用處理器是Freescale公司面向解決多媒體和顯示應用的最靈活設計開發(fā)平臺，具有多核可擴展和低功耗、性能和完備的集成度等優(yōu)勢?；贏RM9rM，ARM Cortex-A9等內(nèi)核處理器技術，為快速增長的消費電子、汽車和工業(yè)市場應用提供較好的需求解決方案[4]。EIM總線是Freescale公司I.MX6系列芯片的重要并行數(shù)據(jù)總線接口，主要用于同外設芯片或外部存儲器進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)異步訪問帶SRAM接口的外設器件或者同步訪問帶NOR FLASH或PSRAM等接口的外設器件[5]。本文采用Freescale公司的I.MX6Q處理器及Xilinx公司的Kintex_7系列FPGA為核心的硬件設計平臺，連接EIM總線接口設計實現(xiàn)ARM Cortex-A9處理器與FPGA之間的高速數(shù)據(jù)通信。該技術方法實現(xiàn)從Linux操作系統(tǒng)應用到FPGA的底層數(shù)據(jù)鏈路通信，可作為相關高速數(shù)字信號采集與處理的平臺設計研發(fā)關鍵性技術參考，有效地降低了相關項目開發(fā)難度，縮短了研發(fā)周期。

1 EIM總線概述

EIM總線是I.MX6Q處理器與外部片外和存儲器設備之間數(shù)據(jù)通信的重要并行總線接口，可為其提供片選、時鐘和讀、寫邏輯控制等功能。作為I.MX6Q與外設芯片之間重要的并行通信總線接口，EIM總線接口通信具有數(shù)據(jù)傳輸實時性強、誤碼率低、外設可擴展等優(yōu)點，它具有以下幾方面技術特點：

1）可同時支持多達4個片選信號，靈活的地址空間配置，每個片選分區(qū)空間可通過VIA端口自由分配;

2）支持自由選擇和定義分區(qū)尋址空間，最高可同時滿足6個尋址空間獨立定義和配置;默認每個獨立片區(qū)支持128 MB尋址空間;

3）每個獨立片選具備可選的寫保護引腳，支持16 bit/32 bit復用地址/數(shù)據(jù)模式;

4）支持X8，X16和X32的數(shù)據(jù)位大小配置，每個片選空間讀/寫通道具有獨立的等待狀態(tài)控制信號;

5）異步訪問模式支持可編程的控制信號保持和建立時序，可編程的自由或固定的讀、寫潛伏期時序配置，支持異步頁面訪問模式;

6）支持同步內(nèi)存突發(fā)讀/寫模式訪問NOR-FLASH和PSRAM等存儲設備;

7）支持大/小端點訪問操作模式，RDY-INT信號設置外部中斷功能和定義外部啟動信號等;

8）通過AXI總線協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信，支持直接存儲訪問（ Direct Memory Access，DMA）數(shù)據(jù)傳輸技術。

EIM總線通過配置控制寄存器MUM，SRD，SWR等模式控制位，支持異步訪問模式、異步頁面模式、多路復用地址數(shù)據(jù)模式、突發(fā)時鐘模式、低功耗模式及啟動模式等工作模式[6]。這些工作模式下，根據(jù)DSZ位可改變支持8 bit，16 bit或32 bit數(shù)據(jù)位大小。

2 系統(tǒng)設計

數(shù)據(jù)通信接口模塊設計通過EIM接口實現(xiàn)ARM與FPGA之間的數(shù)據(jù)鏈路通信，通信模塊連接結構如圖1所示。Freescale公司I.MX6Q系列處理器芯片支持擴展4個ARM Cortex_A9內(nèi)核，運行頻率最高可達1.2 GHz，支持USB 2.0，IEEE 1588以太網(wǎng)，SD/MMC，SPI，MIPl-HIS等豐富的外設擴展端口[7-8]。處理器內(nèi)部特殊的哈佛指令和數(shù)據(jù)分離結構，即實現(xiàn)系統(tǒng)運行性能最優(yōu)化，又充分地利用了系統(tǒng)存儲資源空間。Kintex_7系列FPGA是Xilinx公司性價比最高的新型現(xiàn)場可編程門陣列器件，該系列FPGA芯片串行帶寬達800 Gb/s、478 KB邏輯處理單元、34 Mbit分布塊RAM，高性能選擇1/0技術支持最高1 866 Mb/s的DDR3接口，內(nèi)置DSP模塊25x18乘法器、48位累加器和高性能濾波預加器，峰值性能可達2 845 GMAC/s，高速串行收發(fā)器最高可支持到12.5 Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率[9]。

3 EIM驅(qū)動開發(fā)

EIM總線驅(qū)動開發(fā)是完成從FPGA數(shù)據(jù)采集與ARM應用層數(shù)據(jù)通信的關鍵，為底層硬件與應用APP之間通信提供標準的Linux驅(qū)動接口[10-11]。EIM總線接口設計配置EIM_CSnGCR1控制寄存器支持如圖2所示的幾種地址/數(shù)據(jù)復用配置模式，本設計采用MUM=1和DSZ=O01復用16 bit地址/數(shù)據(jù)模式，地址線和數(shù)據(jù)線復用EIM_DA[15：0]引腳，節(jié)約引腳數(shù)量，減少對其他外設模塊影響，地址空間范圍為Ox08000000- Ox0800FFFF。由于EIM總線存在端口功能復用，根據(jù)配置要求修改端口MUX模式，修改Linux內(nèi)核board - mx6q_sabreauto.h文件。

EIM總線配置寄存器用于控制通信時序信息、數(shù)據(jù)/地址接口數(shù)據(jù)寬度、片選分區(qū)尋址空間設置等，通用寄存器配置完成EIM總線接口初始化，定義接口數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂菩詤?shù)，EIM總線配置通信時序如圖3所示。根據(jù)硬件平臺設計要求CSnGCR1通用控制寄存器配置操作模式，MUM=1開啟地址/數(shù)字總線復用模式，SRD=SWR=1，配置數(shù)據(jù)讀、寫傳輸為異步模式，設置突發(fā)長度BL為4個數(shù)據(jù)字節(jié)，設置數(shù)據(jù)為DS2[2：0]=001，DATA[15：0]對應16 bit數(shù)據(jù)位，設置EIM讀和寫配置寄存器CSORCRi和CSOWCRI定義BE，CS，WE，OD及ADV等控制信號建立和保持時鐘時序等信息。

void mx6q_setup_weimcs （ void ）

{

unsigned int reg;

void _ iomem *eim_reg = oremap （WEIM_BASE_ADDR，Ox20） ;

void _ iomem *ccm_reg = ioremap （CCM_BASE_ADDR，Ox80） ;

if（ ！eim_reg） {printk （ "error iomem eim_reg＼n" ） ; }

if（ ！ccm_reg） {printk（ "error iomem ccm_reg＼n" ） ; }

/* For CCM Serial Clock Multiplexer Register *l

/*CCM_CSCMRI ： Divicer for aclk_eim_slow *l

reg = readl（ccm_reg + OxIC） ;

reg&=-（Ox60000000）;

reg b Ox00380000;

writel（reg， ccm_reg+ OxlC）;

/*For CCM Clock Gating Register 6*/

/*CLKCTL_CCGR6： Set emi_slow_clock to be on in allmodes*/

reg= readl（ ccm_reg+ Ox80）;

reg I= OxOOOOOCOO;

writel（reg， ccm_reg+ Ox80）;

/*For EIM General Configuration registers.*/

writel（ Ox07f13089， eim_reg）;

writel（ Ox00000001， eim_reg+ Ox00000004）;

/* For EIM Read Configuration registers. CSORCRI，CSORCR2;e/

writel（ Ox18022072， eim_reg+ Ox00000008）;

writel（ OxOOOOb068， eim_reg+ OxOOOOOOOC）;

/* For EIM Write Configuration registers. CSOWCRl，CSOWCR2 */，

writel（ Oxd863ffe6， eim_reg+ Ox00000010）;

writel（ Ox00000000， eim_reg+ Ox00000014）：

printk（”WEIM init end. CSOGCRl_is%x＼n”， readl（ eim_reg））;

iounmap（ eim_reg）;

iounmap（ ccm_reg）;

）

在系統(tǒng)內(nèi)核文件board-mx6q_sabreauto.c中，為完成EIM接口與FPGA之間通信，添加數(shù)據(jù)通信各類操作函數(shù)，如：imx6_baseboard_init/exit函數(shù)提供EIM總線初始化配置和資源卸載;eim_request_irq配置FPGA數(shù)據(jù)中斷請求;eim_write/read_datl6提供基于CSO尋址空間的讀、寫數(shù)據(jù)，地址接口映射等。通過修改imx6q-sabreau-to_gpmi-weim.dts文件中參數(shù)，注冊使能weim-nor驅(qū)動程序，完成接口驅(qū)動加載配置[12]。

4 邏輯實現(xiàn)

為保證EIM總線通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，邏輯讀寫時序參數(shù)需與I.MX6Q驅(qū)動寄存器配置保持一致，邏輯設計采用VHDL硬件語言編寫，采用模塊化編碼思想，充分考慮代碼功能復用。邏輯程序按照功能可劃分為FIFO存儲單元、數(shù)據(jù)采集單元和讀/寫控制邏輯單元。讀操作周期中，數(shù)據(jù)采集單元將數(shù)據(jù)緩存至FIFO存儲器空間，等待EIM接口數(shù)據(jù)傳輸讀操作控制。將待讀寄存器地址寫入EIM地址總線Addr[15：0]，通過EIM—LBA信號提示FPGA鎖存地址，對應邏輯預設FIFO存儲器地址，拉低片選CSO信號后，使能FPGA讀設備;拉低OE輸出使能，同時釋放地址線，將對應FIFO存儲器數(shù)據(jù)寫人EIM數(shù)據(jù)總線Data[15：0];經(jīng)過Tr時間拉高OE使能信號，讀取總線數(shù)據(jù)，完成EIM總線讀操作周期。除OE，BE讀/寫控制信號外，讀寫操作邏輯程序基本類似，讀/寫邏輯數(shù)據(jù)控制流程如圖4所示。5測試

FPGA根據(jù)驅(qū)動時序編寫測試程序，初始化內(nèi)部寄存器值為Ox0000。通過ARM應用驅(qū)動讀寫函數(shù)，對EIM總線數(shù)據(jù)接口模塊進行寄存器讀寫通信測試。寫入FPGA內(nèi)部定義地址寄存器OxOAOO-OxOAOF依次寫入數(shù)據(jù)位OxOOO01-OxOOOF，然后再通過EIM接口，讀對應位寫人數(shù)據(jù)，結合FPGA軟件集成環(huán)境ChipScope設置信號LBA下降沿觸發(fā)，捕捉數(shù)據(jù)波形，驗證通信數(shù)據(jù)采集正確性。采集測試讀寫操作時序如圖5、圖6所示，根據(jù)測試數(shù)據(jù)分析表明，通過EIM總線數(shù)據(jù)通信接口設計實現(xiàn)基本數(shù)據(jù)傳輸功能，滿足處理器之間數(shù)據(jù)通信功能要求。

6 結論

本文根據(jù)多功能數(shù)據(jù)總線采集與處理應用項目需求，基于Freescale公司I.MX6Q處理器及Xilinx公司Kin-tex_7系列FPGA為核心的硬件平臺，研究實現(xiàn)了一種通過EIM總線接口傳輸?shù)腁RM與FPGA之間的數(shù)據(jù)通信方法。通過系統(tǒng)地分析EIM接口通信特點，重點介紹了EIM接口設計軟件驅(qū)動程序開發(fā)和邏輯控制的具體實現(xiàn)，通過系統(tǒng)互聯(lián)通信測試，驗證了接口數(shù)據(jù)通信的正確性，該設計滿足接口數(shù)據(jù)通信需求。結果表明，該技術方法適用于其他類似相關處理器平臺通信設備應用場合，具有一定的設計參考價值。

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作者簡介：喬霖（1993-），男，山西臨汾人，碩士，研究方向為動態(tài)測試與智能儀器。

李永紅（1967-），男，山西臨汾人，碩士生導師，教授，研究方向為衛(wèi)星/微慣性組合導航技術、飛行器彈載數(shù)據(jù)記錄儀、

常規(guī)彈藥制導與控制。

岳鳳英（1977-），女，山西忻州人，碩士生導師，副教授，研究方向為導航、制導與控制，檢測技術與自動化裝置。