zynq+linux固化程序,如何在 Zynq UltraScale+ MPSoC 上实现 Linux UIO 设计

原标题：如何在 Zynq UltraScale+ MPSoC 上实现 Linux UIO 设计

简介

作者： Alex He (何晔)，赛灵思高级嵌入式应用工程师

这里的 UIO 即 Userspace I/O，本文中 UIO 泛指 UIO 设备和 UIO 驱动。它在 Linux kernel 的世界里比较小众，主要是一些定制设备和相应的驱动。UIO内核驱动指负责将中断和设备内存暴露给用户空间，再由UIO用户态驱动(Application)来实现具体的业务，随心所欲的玩。学术点叫做高度定制化，柔性设计。

那怎么和 FPGA 扯上了关系呢？是的，FPGA在硬件世界里也是随心所欲的玩，这一硬一软还真是登对，在一起啊在一起。

本实验工程将介绍如何利在赛灵思异构多处理器产品系列 Zynq UtralScale+ MPSoC ZCU102 嵌入式评估板上实现多个 UIO，同时借助赛灵思的工具完成硬件工程和 linux BSP 的开发，最后通过测试应用程序完成测试。

ZCU102上的 MPSoC 集成固化了四核 ARM Cortex-A53，双核Cortex-R5 以及 Mali-400 MP2 GPU，这部分官方称为PS(Processing System)。另外一部分就是FPGA，即 PL(Programmable Logic)。PS端实现控制，PL用来实现应用加速，两者通过AXI连接。跑这个小实验，呵呵，大材小用。只是本人手头正好有这个板子不得不装。筒子们可以去买了个Zybo 或者ZedBoard 开发板，在板子试试身手。

实验报告

实验人员：本人

实验材料：

硬件设计

建立Vivado工程，适配 ZCU102 EVB。通过 IP Integrator 加入PS,在 PL 侧加入5个UIO输入，其中1个是GPIO模块(包含中断输出和设备内存)，另外4个是PIN连接到ZCU102 EVB上的DIP开关，作为中断输入通过一个concat IP连接到PS的ps_pl_irq管脚。板级细节请参考[1] UG1182，芯片资料参考[2] UG1085

添加PIN约束文件，

set_property PACKAGE_PIN AN13 [get_ports pl_irq_ll]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports pl_irq_ll]

set_property PACKAGE_PIN AM14 [get_ports pl_irq_lh]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports pl_irq_lh]

set_property PACKAGE_PIN AP14 [get_ports pl_irq_ef]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports pl_irq_ef]

set_property PACKAGE_PIN AN14 [get_ports pl_irq_er]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports pl_irq_er]

Vivado的图形化的模块设计，丰富的IP库，加上可以上天的智能连接。有点数字电路设计的基础，很快就能完成这个小设计。整个设计如下图。

软件设计

这里用到 Xilinx 针对 Linux BSP 开发的 Petalinux。它基于Yocto，加入Xilinx的Layers实现硬件工程的导入，将复杂的Yocto的设计流程打包简化，支持一定的用户自定义功能，如QEMU仿真运行，增加 out-of-tree 的驱动，Device tree 修改，应用程序编译打包，等等。具体信息请移步 https://china.xilinx.com/products/design-tools/embedded-software/petalinux-sdk.html

这里简单展示一下具体的命令过程。

$petalinux-create -t project --template zynqMP -n zcu102-pl2ps_irq

$cd ./ zcu102-pl2ps_irq

$petalinux-config --get-hw-deion

$petalinux-config -c kernel

Enable UIO_PDRV_GENIRQ driver

CONFIG_UIO=y

# CONFIG_UIO_CIF is not set

CONFIG_UIO_PDRV_GENIRQ=y

$petalinux-build -c device-tree

PL侧的dtsi文件生成与./components/plnx_workspace/device-tree-generation/pl.dtsi

这里只有GPIO UIO。 PIN UIO因为不是IP，所以相关信息无法由工具自动生成。所以要做如下修改：

1. 修改GPIO UIO设备端点

1) 将中断号改为93

2) 将compatible改成“generic-uio” //我们后面要用 Linux 自带的 UIO_PDRV_GENIRQ 驱动

2. 增加 DIP UIO 端点

1) 将compatible改成“generic-uio”

2) 依次设置中断值89到93

3) 按照每个 DIP PIN 的 interrupt trigger type 设置属性值

*DTS里的中断号与硬件中断号有32的 offset。

Petalinux 提供了自定义DTS文件./project-spec/meta-user/recipes-bsp/device-tree/files/system-user.dtsi，将以上修改定义到system-user.dtsi.

有两个方法来适配UIO端点和 UIO_PDRV_GENIRQ 驱动

1. bootargs use “uio_pdrv_genirq.of_id=generic-uio”，可以通过DTS定义。

2. insmod uio_pdrv_genirq.ko of_id=generic-uio when install the driver

修改完后，编译出Image.

$petalinu-build

$cd ./images/linux

$petalinux-package --boot --fsbl zynqmp_fsbl.elf --fpga --atf --pmufw --u-boot --force

将生成的BOOT.bin(bootloader)和image.ub(FIT uImage)拷贝到SD卡用于启动。

测试

这里引用下关于uio_pdrv_genirq驱动的介绍

https://01.org/linuxgraphics/gfx-docs/drm/driver-api/uio-howto.html

结合驱动代码./drviver/uio/uio_pdrv_genirq.c)可知，每个UIO设备会有对应的/dev/uioX的设备节点。用户态驱动程序的读操作会阻塞直到UIO硬件中断发生。UIO的中断处理程序uio_pdrv_denirq_handler()会关闭该硬件中断。用户态驱动程序需要通过write函数来触发uio_pdrv_genirq_irqcontrol()以完成中断的使能和关闭。代码如下,