基于國產ARM與低成本FPGA高速通信的3種方案

前 言

近年來，隨著中國新基建、中國制造2025的持續推進，單ARM處理器越來越難勝任工業現場的功能要求，特別是能源電力、工業控制、智慧醫療等行業通常需要ARM+FPGA架構的處理器平臺來實現特定的功能，例如多路/高速AD采集、多路網口、多路串口、多路/高速并行DI/DO、高速數據并行處理等。

那ARM+FPGA架構有什么優勢？

ARM：接口資源豐富、功耗低，擅長多媒體顯示、邏輯控制等。

FPGA：擅長多通道或高速AD采集、接口拓展、高速信號傳輸、高速數據并行處理等。

因此，ARM+FPGA架構能帶來性能、成本、功耗等綜合比較優勢，ARM與FPGA既可各司其職，各自發揮原本架構的獨特優勢，亦可相互協作處理更復雜的問題。

對于成本不敏感且通信速率要求的較高分立式ARM+FPGA場合，一般使用PCIe通信接口。但對成本敏感的分立式ARM+FPGA場合，PCIe通信接口則令FPGA芯片成本高居不下。

對于能源電力、工業控制等眾多工業領域，真正需要的是性能與成本均具有競爭力的方案，既要求能做到ARM與FPGA的高速通信，又要做到成本最優，并且最好能基于國產方案。

在這種需求背景下，創龍科技提供了基于國產ARM與低成本FPGA高速通信的3種方案。

* 硬件平臺介紹（全志科技T3/A40i）

創龍科技TLT3-EVM/TLA40i-EVM是一款基于全志科技T3/A40i處理器設計的4核ARM Cortex-A7國產工業評估板，每核主頻高達1.2GHz，由核心板和評估底板組成。T3與A40i兩者pin to pin兼容。

評估板接口資源豐富，引出雙路網口、雙路CAN、雙路USB、雙路RS485等通信接口，板載Bluetooth、WIFI、4G（選配）模塊，同時引出MIPI LCD、LVDS LCD、TFT LCD、HDMI OUT、CVBS OUT、CAMERA、LINE IN、H/P OUT等音視頻多媒體接口，支持雙屏異顯、Mali400 MP2 GPU，1080P@45fps H.264視頻硬件編碼、1080P@60fps H.264視頻硬件解碼，并支持SATA大容量存儲接口。

核心板采用100%國產元器件方案，并經過專業的PCB Layout和高低溫測試驗證，穩定可靠，可滿足各種工業應用環境。評估底板大部分元器件均采用國產方案，方便用戶快速進行產品方案評估與技術預研。

本文主要介紹全志科技T3/A40i與紫光同創PGL25G/Xilinx Spartan-6基于SPI、SDIO、CSI的3種高速通信方案，最高通信速率可達到55.1MB/s。

備注：目前，創龍科技已推出T3/A40i+PGL25G全國產一體化工業核心板方案，國產化率100%（連接器亦為國產）。

1 spi_rw案例

1.1 案例說明

案例功能：主要演示T3/A40i（ARM Cortex-A7）與PGL25G/Spartan-6（FPGA）處理器之間的SPI通信。

ARM端實現SPI Master功能

a.打開SPI設備節點，如：/dev/spidev0.0。

b.使用ioctl配置SPI總線，如SPI總線極性和相位、通信速率、數據字長度等。

c.選擇模式為單線模式或雙線模式。當SPI總線為雙線模式時，發送數據是單線模式，接收數據是雙線模式。

d.發送數據至SPI總線，并從SPI總線讀取數據。（備注：如單次傳輸數據大于64Byte，驅動程序將會自動啟用DMA傳輸功能。）

e.打印發送和接收速率。

f.校驗讀寫數據，然后打印誤碼率。

FPGA端實現SPI Slave功能

a.FPGA將SPI Master發送的2KByte數據保存至BRAM。

b.SPI Master發起讀數據時，FPGA從BRAM讀取2KByte通過SPI總線傳輸給SPI Master。

c.當SPI總線為雙線模式，接收數據支持雙線模式，而發送數據不支持雙線模式。

圖 4 ARM端程序流程圖

測試結果

（1） SPI單線模式

根據官方數據手冊，SPI總線通信時鐘頻率理論值最大為100MHz。本次測試指定SPI總線通信時鐘頻率為最大值100MHz，則SPI單線模式理論速率為：（100000000/1024/1024/8）MB/s ≈ 11.92MB/s。實測SPI單線模式寫速率為：10.924MB/s，SPI單線模式讀速率為：10.924MB/s。

（2） SPI雙線模式

根據官方數據手冊，SPI總線通信時鐘頻率理論值最大為100MHz。本次測試指定SPI總線通信時鐘頻率為最大值100MHz，則SPI單線模式理論速率為：（100000000/1024/1024/8）MB/s ≈ 11.92MB/s；則SPI雙線模式理論速率為：（100000000/1024/1024/4）MB/s ≈ 23.84MB/s。本次實測SPI單線模式寫速率為11.631MB/s，SPI雙線模式讀速率為17.807MB/s。

2 rt_spi_rw案例

2.1 案例說明

案例功能：基于Linux-RT系統，演示T3/A40i（ARM Cortex-A7）與PGL25G/Spartan-6（FPGA）處理器之間的SPI通信（單線模式）。

ARM端實現SPI Master功能

a.打開SPI設備節點。如：/dev/spidev0.0。

b.使用ioctl配置SPI總線。如SPI總線極性和相位、通信速率、數據字長度等。

c.創建實時線程。

d.發送數據至SPI總線，以及從SPI總線讀取數據。

e.打印發送、接收的速率和傳輸耗時。

f.校驗讀寫數據，然后打印誤碼率。

FPGA端實現SPI Slave功能

a.FPGA將SPI Master發送的2KByte數據保存至BRAM。

b.SPI Master發起讀數據時，FPGA從BRAM讀取2KByte通過SPI總線傳輸給SPI Master。

圖 5 ARM端程序流程圖

測試結果

（1） 非輪詢方式

根據官方數據手冊可知，SPI總線通信時鐘頻率理論值最大為100MHz。本次測試指定SPI總線通信時鐘頻率為最大值100MHz，則理論速率為：（100000000/1024/1024/8）MB/s ≈ 11.92MB/s。實測傳輸4Byte數據的最小耗時為49us，最大耗時為662us，平均耗時為227us；寫速率為0.017MB/s，讀速率為0.017MB/s。

（2） 輪詢方式

根據官方數據手冊可知，SPI總線通信時鐘頻率理論值最大為100MHz。本次測試指定SPI總線通信時鐘頻率為最大值100MHz，則理論速率為：（100000000/1024/1024/8）MB/s ≈ 11.92MB/s。實測傳輸4Byte數據的最小耗時為14us，最大耗時為59us，平均耗時為14us；寫速率為0.239MB/s，讀速率為0.239MB/s。

3 sdio_test案例

3.1 案例說明

案例功能：演示T3/A40i（ARM Cortex-A7）與PGL25G/Spartan-6（FPGA）處理器之間的SDIO通信。

ARM端實現SDIO Master功能

a.打開SDIO設備節點，如：/dev/generic_sdio0。

b.發送數據至SDIO總線，以及從SDIO總線讀取數據。

c.打印發送和接收速率。

d.校驗讀寫數據，然后打印誤碼率。

FPGA端實現SDIO Slave功能

a.FPGA將SDIO Master發送的2KByte數據保存至BRAM。

b.SDIO Master發起讀數據時，FPGA從BRAM讀取2KByte通過SDIO總線傳輸給SDIO Master。

圖 6 ARM端程序流程圖

測試結果

本次測試指定SDIO總線通信時鐘頻率為25MHz（最高50MHz），則理論通信速率為：（25 x 4 / 8）MB/s = 12.5MB/s。實測寫速率為5.113MB/s，讀速率為5.440MB/s，誤碼率為0.0%。

4 csi_test案例

4.1 案例說明

案例功能：演示T3/A40i（ARM Cortex-A7）與PGL25G/Spartan-6（FPGA）處理器之間的CSI通信案例。

ARM端功能

a）基于Linux子系統V4L2。

b）通過CSI總線，采集指定幀數數據。

c）計算總耗時。

d）打印平均采集速率，并校驗最后一幀圖像的數據。

FPGA端功能

a）將測試數據（0x00 ~ 0xFF）寫入FIFO。

b）從FIFO讀出數據，按行與幀的方式、1024 x 512的分辨率，通過CSI總線發送至ARM端。

使用的CSI總線為CSI0，最高支持分辨率為1080P30，數據位寬為8bit。功能框圖與程序流程圖，如下圖所示。

圖 7 功能框圖

圖 8 ARM端程序流程圖

測試結果

FPGA端將CSI_PCLK設置為65MHz，測試數據寫入FIFO的時鐘FIFO_WR_CLK設置為59MHz。由于FPGA端需將數據寫入FIFO再從FIFO讀出后發送，每一行與每一幀之間的間隔時間會受FIFO寫入的速率影響，因此CSI通信的實際理論傳輸帶寬應為：（59MHz x 8bit / 8）MB/s = 59MB/s。實測傳輸速率為55.1MB/s，誤碼率為0.0%。

審核編輯 ：李倩