ZYNQ中的UIO驱动和中断程序学习【Xilinx-Petalinux学习】

(262) 2024-04-11 19:01:01

在网上看到了何晔老师写的一篇文章: 
当ZYNQ遇到Linux Userspace I/O(UIO)

本人一直都在做硬件、FPGA对驱动来说只会裸奔。。在Linux底下的驱动基本上完全不会。看了这篇文章感觉不错,就照着他的流程跑了一遍,问题还是遇到了一些,在这里记录一下。

0.测试环境

软件平台: 
Vivado 2017.1 
PetaLinux 2017.1 
i9 7900X 神机 
CentOS 7.3 虚拟机

硬件平台: 
ZCU102 (ZynqMP) 
ZedBoard (Zynq)

我在ZCU102和ZedBoard上都进行了测试,Zynq和ZynqMP两种都验证了一下。

1. vivado工程

常规操作我就不附带图片了。 
建立vivado 2017.1的工程,Default Part分别选择Zyqn UltraScale+ ZCU102 Evaluation Board和ZedBoard Zynq Evaluation and Development Kit。

新建block design,在其中添加Zynq硬核、5转1的Concat IP, 
然后直接添加板子的LED到一个新的AXI GPIO IP,如下图 
ZYNQ中的UIO驱动和中断程序学习【Xilinx-Petalinux学习】 (https://mushiming.com/)  第1张

打开生成的axi_gpio_0然后勾选Enable Interrupt。 
在concat的前四个输入上直接Create Port,第五个输入链接到axi_gpio_0的中断因脚上,中断命名分别为:

IRQ名称       中断类型        中断号ZynqMP/Zynq
pl_irq_er   上升沿中断   121 / 61
pl_irq_ef   下降沿中断   122 / 62
pl_irq_lh   高电平中断   123 / 63
pl_irq_ll   低电平中断   124 / 64
axi_gpio_0  N/A         125 / 65
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然后使用约束文件将前四个信号链接到开发板低四位的SW上。 
ZCU102 xdc

set_property PACKAGE_PIN AN13 [get_ports "pl_irq_ll"] ;# Bank  44 VCCO - VCC3V3   - IO_L2N_AD10N_44
set_property IOSTANDARD  LVCMOS33 [get_ports "pl_irq_ll"] ;# Bank  44 VCCO - VCC3V3   - IO_L2N_AD10N_44
set_property PACKAGE_PIN AM14 [get_ports "pl_irq_lh"] ;# Bank  44 VCCO - VCC3V3   - IO_L2P_AD10P_44
set_property IOSTANDARD  LVCMOS33 [get_ports "pl_irq_lh"] ;# Bank  44 VCCO - VCC3V3   - IO_L2P_AD10P_44
set_property PACKAGE_PIN AP14 [get_ports "pl_irq_ef"] ;# Bank  44 VCCO - VCC3V3   - IO_L1N_AD11N_44
set_property IOSTANDARD  LVCMOS33 [get_ports "pl_irq_ef"] ;# Bank  44 VCCO - VCC3V3   - IO_L1N_AD11N_44
set_property PACKAGE_PIN AN14 [get_ports "pl_irq_er"] ;# Bank  44 VCCO - VCC3V3   - IO_L1P_AD11P_44
set_property IOSTANDARD  LVCMOS33 [get_ports "pl_irq_er"] ;# Bank  44 VCCO - VCC3V3   - IO_L1P_AD11P_44
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ZedBoard

# ----------------------------------------------------------------------------
# User DIP Switches - Bank 35
# ---------------------------------------------------------------------------- 
set_property PACKAGE_PIN F22 [get_ports {pl_irq_er}];  # "SW0"
set_property PACKAGE_PIN G22 [get_ports {pl_irq_ef}];  # "SW1"
set_property PACKAGE_PIN H22 [get_ports {pl_irq_lh}];  # "SW2"
set_property PACKAGE_PIN F21 [get_ports {pl_irq_ll}];  # "SW3"
#set_property PACKAGE_PIN H19 [get_ports {SW4}];  # "SW4"
#set_property PACKAGE_PIN H18 [get_ports {SW5}];  # "SW5"
#set_property PACKAGE_PIN H17 [get_ports {SW6}];  # "SW6"
#set_property PACKAGE_PIN M15 [get_ports {SW7}];  # "SW7"

# Set the bank voltage for IO Bank 35 to 1.8V by default.
# set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports -of_objects [get_iobanks 35]];
set_property IOSTANDARD LVCMOS25 [get_ports -of_objects [get_iobanks 35]];
#set_property IOSTANDARD LVCMOS18 [get_ports -of_objects [get_iobanks 35]];
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在Diagram中点击下图中的Run Connection Automation,可以配置对应开发板默认的Zynq设置。 
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弹出界面后点击OK。 
vivado将自动创建reset、interconnector的IP并进行连接 
ZCU102 
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ZedBoard 
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不用太关心Zynq或ZynqMP的具体配置和连接方式,我们直接使用这个工程就好了。

然后进行常规的操作

Generate Output Products
Create HDL Wrapper
Generate Bitstream
File -> Export -> Export Hardware(Include bitstream)
File -> Launch SDK
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最终在工程目录下的*.sdk中生成了config_mpsoc_wrapper_hw_platform_0文件夹,里面包含了PetaLinux需要的hdf文件和FPGA配置的bit文件。

注意:到这里还没有结束,下面的步骤可以防止PetaLinux编译是的错误问题。 
错误描述是fsbl或pmu-firmware在PetaLinux编译时出错,我自己感觉这是软件的bug或者是我的电脑网络不太好的问题。

解决的方法自己在Xilinx SDK中独立编译fsbl和pmufw的可执行文件。(pmufw只针对ZynqMP)

在操作方式如下图,分别建立fsbl和pmufw工程,工程代码下一个界面中的templates里选择对应的即可 
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这样在.sdk/fsbl/Debug 和.sdk/pmufw/Debug中就分别得到了fsbl.elf和pmufw.elf两个可执行文件,我们在后面生成boot.bin时候需要使用到。

PetaLinux工程

将前面的config_mpsoc_wrapper_hw_platform_0文件夹复制到虚拟机中。 
创建PetaLinux工程

$ systemctl start tftp.socket
$ systemctl start tftp.service
$ source /opt/pkg/petalinux/settings.sh
$ petalinux-create -t project --template zynqMP -n zcu102-pl2ps_irq
$ cd zcu102-pl2ps_irq/
$ petalinux-config --get-hw-description ../config_mpsoc_wrapper_hw_platform_0/
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在petalinux-config中取消fsbl和pmufw的编译,取消它们的勾选 
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保存并退出petalinux-config。

配置kernel打开UIO中断的支持

$ petalinux-config -c kernel
    Device Drivers  --->
        Userspace I/O drivers  --->
            < > generic Hilscher CIF Card driver
            <M> Userspace I/O platform driver with generic IRQ handling
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ZYNQ中的UIO驱动和中断程序学习【Xilinx-Petalinux学习】 (https://mushiming.com/)  第8张

编译出设备树文件

$ petalinux-build -c device-tree
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中间有可能出现错误,一种情况是缺少libstdc++和glibc-devel,使用下面命令安装

yum install libstdc++.i686
yum install glibc-devel.i686 
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还有一种情况就是在上面Vivado工程中提到的我们需要自己生成fsbl和pmufw文件,否则有时候会错误。当然我们刚才在petalinux-config中已经取消了它们的编译,这里应该不会出现这种情况。

在文件./components/plnx_workspace/device-tree-generation/pl.dtsi 中可以查看PL侧的设备树信息,里面包含了axi_gpio_0的设备树,需要用到。

打开文件./project-spec/meta-user/recipes-bsp/device-tree/files/system-user.dtsi 
我们需要修改的设备树信息必须放在这个文件中才能有效,其他位置修改是不支持的。

注意: 
假如需要添加其他自定义设备树文件,如直接从Xilinx提供的开发板BSP中会有对应板子的dtsi文件,首先需要在system-user.dtsi中加入文本 
/include/ “board-conf.dtsi” 
其次需要修改./project-spec/meta-user/recipes-bsp/device-tree/device-tree-generation_%.bbappend 这个文件,加入文本 
file://board-user.dtsi \ 
两个必须同时修改了,才有效果,否则会出错说找不到文件。

下面我们来往system-conf.dtsi中加信息。 
ZCU102

/include/ "system-conf.dtsi"
/ {
    amba_pl@0 {
        #address-cells = <2>;
        #size-cells = <2>;
        compatible = "simple-bus";
        ranges ;
        gpio@a0000000 {
            #gpio-cells = <2>;
            #interrupt-cells = <2>;
            compatible = "generic-uio";
            gpio-controller ;
            interrupt-controller ;
            interrupt-parent = <&gic>;
            interrupts = <0 93 4>;
            reg = <0x0 0xa0000000 0x0 0x10000>;
            xlnx,all-inputs = <0x0>;
            xlnx,all-inputs-2 = <0x0>;
            xlnx,all-outputs = <0x1>;
            xlnx,all-outputs-2 = <0x0>;
            xlnx,dout-default = <0x00000000>;
            xlnx,dout-default-2 = <0x00000000>;
            xlnx,gpio-width = <0x8>;
            xlnx,gpio2-width = <0x20>;
            xlnx,interrupt-present = <0x1>;
            xlnx,is-dual = <0x0>;
            xlnx,tri-default = <0xFFFFFFFF>;
            xlnx,tri-default-2 = <0xFFFFFFFF>;
        };

        uio@0 {
            compatible = "generic-uio";
            status = "okay";
            interrupt-controller;
            interrupt-parent = <&gic>;
            interrupts = <0 89 1>;
        };

        uio@1 {
            compatible = "generic-uio";
            status = "okay";
            interrupt-controller;
            interrupt-parent = <&gic>;
            interrupts = <0 90 2>;
        };

        uio@2 {
            compatible = "generic-uio";
            status = "okay";
            interrupt-controller;
            interrupt-parent = <&gic>;
            interrupts = <0 91 4>;
        };

        uio@3 {
            compatible = "generic-uio";
            status = "okay";
            interrupt-controller;
            interrupt-parent = <&gic>;
            interrupts = <0 92 8>;
        };
    };

    chosen {        
        bootargs = "earlycon clk_ignore_unused uio_pdrv_genirq.of_id=generic-uio";
        stdout-path = "serial0:115200n8";
    };
};

&uart1
{
    status = "disabled";
};
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ZedBoard

/include/ "system-conf.dtsi"
/ {
    amba_pl {
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <1>;
        compatible = "simple-bus";
        ranges ;

        gpio@41200000 {
            #gpio-cells = <2>;
            #interrupt-cells = <2>;
            compatible = "generic-uio";
            gpio-controller ;
            interrupt-controller ;
            interrupt-parent = <&intc>;
            interrupts = <0 33 4>;
            reg = <0x41200000 0x10000>;
            xlnx,all-inputs = <0x0>;
            xlnx,all-inputs-2 = <0x0>;
            xlnx,all-outputs = <0x1>;
            xlnx,all-outputs-2 = <0x0>;
            xlnx,dout-default = <0x00000000>;
            xlnx,dout-default-2 = <0x00000000>;
            xlnx,gpio-width = <0x8>;
            xlnx,gpio2-width = <0x20>;
            xlnx,interrupt-present = <0x1>;
            xlnx,is-dual = <0x0>;
            xlnx,tri-default = <0xFFFFFFFF>;
            xlnx,tri-default-2 = <0xFFFFFFFF>;
        };

        uio@0 {
            compatible = "generic-uio";
            status = "okay";
            interrupt-controller;
            interrupt-parent = <&intc>;
            interrupts = <0 29 1>;
        };

        uio@1 {
            compatible = "generic-uio";
            status = "okay";
            interrupt-controller;
            interrupt-parent = <&intc>;
            interrupts = <0 30 2>;
        };

        uio@2 {
            compatible = "generic-uio";
            status = "okay";
            interrupt-controller;
            interrupt-parent = <&intc>;
            interrupts = <0 31 4>;
        };

        uio@3 {
            compatible = "generic-uio";
            status = "okay";
            interrupt-controller;
            interrupt-parent = <&intc>;
            interrupts = <0 32 8>;
        };
    };

    chosen {
        bootargs = "console=ttyPS0,115200 earlyprintk uio_pdrv_genirq.of_id=generic-uio";
        stdout-path = "serial0:115200n8";
    };

};
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两个板子的内容不太一样,跟ZynqMP和Zynq的区别有关系,在这里不用太去考虑。只考虑dtsi文件中相同的地方。

首先因为我们四个中断号都没有硬件IP,所以PetaLinux并没有在pl.dtsi中给他们生成设备树信息,所以我们需要受动添加,如

uio@0 {
    compatible = "generic-uio";
    status = "okay";
    interrupt-controller;
    interrupt-parent = <&intc>;
    interrupts = <0 29 1>;
};
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看interrupts = <0 29 1> 这个信息。 
29代表了中断号,这个中断号是系统硬件中断号减去32得到的,1代表中断类型为上升沿触发。具体的可以去网上查一下。

看amba_pl下gpio@**中,跟PL.dtsi不同,将compatible的”xlnx,xps-gpio-1.00.a”改为了”generic-uio”,这样就将此axi_gpio_0改为了UIO的驱动类型。

看chosen的bootargs中增加了”uio_pdrv_genirq.of_id=generic-uio”。

ZynqMP和Zynq的一个区别需要注意,ZynqMP的interrupt-parent指向的是&gic,而Zynq指向了&intc。其实可以再看看其他的dtsi文件,可以发现,intc其实也是指向了cpu的gic,所以说实际上是一样的,并没有使用PL侧的INTC IP核中断。

ZynqMP还需要将uart1的status设置为disabled,不进行这个配置的话,系统会卡死在下面的log处

[    0.008300] Console: colour dummy device 80x25
[    0.012558] console [tty0] enabled
[    0.015924] bootconsole [cdns0] disabled
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将uart1 disabled掉就可以正常启动了。具体原因不太清楚,在这里就先这样处理了。在ug1209中的说明也中关闭了uart1。

下面就可以进行编译了

$ petalinux-build
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系统生成了新的文件目录/images/linux,将之前使用Xilinx SDK生成的fsbl.elf和pmufw.elf复制到到这个文件夹中。 
生成boot.bin

//对于Zynq
$ petalinux-package --boot --fsbl=./images/linux/fsbl.elf --fpga --u-boot --force
//对于ZynqMP
$ petalinux-package --boot --fsbl=./images/linux/fsbl.elf --fpga --atf --pmufw --u-boot

//保存pre-built
$ petalinux-package --prebuilt --fpga ./images/linux/zed_video_wrapper.bit --force
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将/images/linux目录下的boot.bin和image.ub复制到SD卡上,插到ZCU102上,启动板子。

输入用户名root,密码root 
查看uio设备是否正常 
ZYNQ中的UIO驱动和中断程序学习【Xilinx-Petalinux学习】 (https://mushiming.com/)  第9张

发现少了两个uio 
看前面的系统log,发现下降沿触发和低电平触发中断不可用,SW1和SW3不能用 
ZYNQ中的UIO驱动和中断程序学习【Xilinx-Petalinux学习】 (https://mushiming.com/)  第10张

只有AXI GPIO,SW0,SW2的中断可用 
ZYNQ中的UIO驱动和中断程序学习【Xilinx-Petalinux学习】 (https://mushiming.com/)  第11张

向上拨动SW0和SW2 
ZYNQ中的UIO驱动和中断程序学习【Xilinx-Petalinux学习】 (https://mushiming.com/)  第12张

再次拨动开关不能计数 
是因为uio的终端处理函数被关闭了,需要调用write来重新打开

可以查看内核中的源码uio_pdrv_genirq.c和介绍https://01.org/linuxgraphics/gfx-docs/drm/driver-api/uio-howto.html 
ZYNQ中的UIO驱动和中断程序学习【Xilinx-Petalinux学习】 (https://mushiming.com/)  第13张

何晔老师写到

在结合驱动代码./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。

使用echo 0x1 > /dev/uio1来写入,重新开启uio中断。 
ZYNQ中的UIO驱动和中断程序学习【Xilinx-Petalinux学习】 (https://mushiming.com/)  第14张

从何老师那里拷贝过来了两个测试代码,pin-uio-test.c和gpio-uio-test.c。对gpio-uio-test.c进行了修改,看了看LED灯的测试。

pin-uio-test.c

/*
 * This application reads/writes GPIO devices with UIO.
 *
 */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>

void usage(void)
{
    printf("*argv[0] -d <UIO_DEV_FILE>\n");
    printf("    -d               UIO device file. e.g. /dev/uio0");
    return;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int c;
    int fd;
    char *uiod;
    unsigned i = 0;
    unsigned icount;
    int irq_on = 1;
    int err;

    printf("pin UIO test.\n");
    while((c = getopt(argc, argv, "d:io:h")) != -1) {
        switch(c) {
        case 'd':
            uiod=optarg;
            break;
        case 'h':
            usage();
            return 0;
        default:
            printf("invalid option: %c\n", (char)c);
            usage();
            return -1;
        }

    }

    /* Open the UIO device file */
    fd = open(uiod, O_RDWR);
    if (fd < 1) {
        perror(argv[0]);
        printf("Invalid UIO device file:%s.\n", uiod);
        usage();
        return -1;
    }

    for(i = 0; ; ++i) {
        /* Print out a message, for debugging. */
            if (i == 0)
                    fprintf(stderr, "Started uio test driver.\n");
            else
                    fprintf(stderr, "Interrupts: %d\n", icount);

        /* enable IRQ, trigger the irqcontrol of driver */
        write(fd, &irq_on, sizeof(irq_on));
            /* Here we got an interrupt from the
            device. Do something to it. */
        err = read(fd, &icount, 4);
        if (err != 4) {
            perror("uio read:");
            break;
        }
    }

    return 0;
}
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gpio-uio-test.c

/*
 * This application reads/writes GPIO devices with UIO.
 *
 */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>

#define IN 0
#define OUT 1

#define GPIO_MAP_SIZE 0x10000

#define GPIO_DATA_OFFSET 0x00
#define GPIO_TRI_OFFSET 0x04
#define GPIO2_DATA_OFFSET 0x08
#define GPIO2_TRI_OFFSET 0x0C

#define GIER 0x011C
#define IP_IER 0x0128
#define IP_ISR 0x0120

void usage(void)
{
    printf("*argv[0] -d <UIO_DEV_FILE> -i|-o <VALUE>\n");
    printf("    -d               UIO device file. e.g. /dev/uio0");
    printf("    -i               Input from GPIO\n");
    printf("    -o <VALUE>       Output to GPIO\n");
    return;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int c;
    int fd;
    int direction=IN;
    char *uiod;
    int value = 0;
    int valued = 0;
    int irq_on = 1;

    void *ptr;

    printf("GPIO UIO test.\n");
    while((c = getopt(argc, argv, "d:io:h")) != -1) {
        switch(c) {
        case 'd':
            uiod=optarg;
            break;
        case 'i':
            direction=IN;
            break;
        case 'o':
            direction=OUT;
            valued=atoi(optarg);
            break;
        case 'h':
            usage();
            return 0;
        default:
            printf("invalid option: %c\n", (char)c);
            usage();
            return -1;
        }

    }

    /* Open the UIO device file */
    fd = open(uiod, O_RDWR);
    if (fd < 1) {
        perror(argv[0]);
        printf("Invalid UIO device file:%s.\n", uiod);
        usage();
        return -1;
    }

    /* mmap the UIO device */
    ptr = mmap(NULL, GPIO_MAP_SIZE, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);

    /* Print Interrupt Registers */
    value = *((unsigned *) (ptr + GIER));
    printf("%s: GIER: %08x\n",argv[0], value);
    value = *((unsigned *) (ptr + IP_IER));
    printf("%s: IP_IER: %08x\n",argv[0], value);
    value = *((unsigned *) (ptr + IP_ISR));
    printf("%s: IP_ISR: %08x\n",argv[0], value);

    /* Enable All Interrupts */
    printf("%s: Enable All Interrupts in Regs\n", argv[0]);
    *((unsigned *)(ptr + GIER)) = 0x80000000;
    *((unsigned *)(ptr + IP_IER)) = 0x3;
    *((unsigned *)(ptr + IP_ISR)) = 0x3;

    /* Enable UIO interrupt */
    write(fd, &irq_on, sizeof(irq_on));

    if (direction == IN) {
    /* Read from GPIO */
        *((unsigned *)(ptr + GPIO_TRI_OFFSET)) = 255;
        value = *((unsigned *) (ptr + GPIO_DATA_OFFSET));
        printf("%s: input: %08x\n",argv[0], value);
    } else {
    /* Write to GPIO */
        *((unsigned *)(ptr + GPIO_TRI_OFFSET)) = 0;
        value = valued;
        *((unsigned *)(ptr + GPIO_DATA_OFFSET)) = value;
    }

    /* Print Interrupt Registers */
    value = *((unsigned *) (ptr + GIER));
    printf("%s: GIER: %08x\n",argv[0], value);
    value = *((unsigned *) (ptr + IP_IER));
    printf("%s: IP_IER: %08x\n",argv[0], value);
    value = *((unsigned *) (ptr + IP_ISR));
    printf("%s: IP_ISR: %08x\n",argv[0], value);

    munmap(ptr, GPIO_MAP_SIZE);

    return 0;
}
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在虚拟机中编译

$ aarch64-linux-gnu-gcc pin-uio-test.c -o pin-uio-test
$ aarch64-linux-gnu-gcc gpio-uio-test.c -o gpio-uio-test
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在ZCU102中测试,并拨开关和观察LED。 
ZYNQ中的UIO驱动和中断程序学习【Xilinx-Petalinux学习】 (https://mushiming.com/)  第15张

ZYNQ中的UIO驱动和中断程序学习【Xilinx-Petalinux学习】 (https://mushiming.com/)  第16张

因为开关没有滤波,容易震荡产生多次中断。

实验结论

参考何老师的例子,学习了UIO外设驱动和中断的操作,对Linux驱动有了一些了解。同时测试了ZynqMp和Zynq器件,还解决了一些bug问题。

之后准备将我裸机的代码使用UIO来进行移植,因为像VDMA,Video Frame Buffer Write/Read,Video Mixer这些IP在内核中的驱动太复杂了,我搞不明白,还是直接操作寄存器来的方便些。毕竟我的系统不是很复杂的,裸机程序使用UIO来移植到Linux中还是相对简单的。

THE END

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