國產RK3568J基于FSPI的ARM+FPGA通信方案分享

近年來，隨著中國新基建、中國制造 2025 規劃的持續推進，單 ARM 處理器越來越難勝任工業現場的功能要求，特別是如今能源電力、工業控制、智慧醫療等行業，往往更需要 ARM + FPGA 架構的處理器平臺來實現例如多路 / 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特定功能，因此 ARM + FPGA 架構處理器平臺愈發受市場歡迎。

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。

ARM + FPGA 常見的通信方式有 PCIe、FSPI、I2C、SDIO、CSI 等，今天主要介紹基于 FSPI 的 ARM + FPGA 通信方式。

FSPI 總線特點介紹

FSPI(Flexible Serial Peripheral Interface) 是一種高速、全雙工、同步的串行通信總線，在 RK3568 處理器中就有 ESPI 控制器，可用來連接 FSPI 設備。它具備如下特點：

-支持串行 NOR FLASH、串行 NAND FLASH

-支持 SDR 模式

-支持一線、二線以及四線模式

相比 PCIe 而言，FSPI 可較好實現 “小數據 - 低時延”、“大數據 - 高帶寬” 要求。另外，在與 FPGA 通信的時候，用戶往往更喜歡選用 FSPI 接口還有如下原因：

-使用低成本 FPGA即可實現高速通信，而具備 PCIe 接口的 FPGA 成本則成倍增長。

-具備 PCIe 接口的 FPGA 功耗往往較大，而低成本 FPGA功耗較小。一般而言，低功耗器件的使用壽命也將更長。

基于 FSPI 的 ARM + FPGA 通信實測數據分享

硬件方案一：創龍科技 TL3568F-EVM 評估板 (RK3568J + Logos-2)。

實測數據：寫速率 20MB/s+，最高 24MB/s，誤碼率 0%；讀速率 26MB/s+，最高 30MB/s，誤碼率 0%。

TL3568F-EVM 評估板簡介：

創龍科技 TL3568F-EVM 是一款基于瑞芯微 RK3568J/RK3568B2 四核 ARM Cortex-A55 處理器 + 紫光同創 Logos-2 PG2L50H/PG2L100H FPGA 設計的異構多核國產工業評估板，由核心板和評估底板組成，ARM Cortex-A55 處理單元主頻高達 1.8GHz/2.0GHz。核心板 ARM、FPGA、ROM、RAM、電源、晶振、連接器等所有元器件均采用國產工業級方案，國產化率 100%。同時，評估底板大部分元器件亦采用國產工業級方案。

硬件方案二：創龍科技 TL3568-EVM 評估板 (RK3568) + TLA7-EVM 評估板 (Artix-7)

實測數據：寫速率 52.563MB/s，讀速率 67.387MB/s，誤碼率高。

備注：由于該測試受限于飛線連接方式，因此在 150MHz 通信時鐘頻率下測得誤碼率過高，測試結果僅供參考。

基于 FSPI 的 ARM + FPGA 通信案例詳解

下文主要介紹基于瑞芯微 RK3568J（硬件平臺：創龍科技 TL3568-EVM 評估板）與 Xilinx Artix-7（硬件平臺：創龍科技 TLA7-EVM 評估板）的 FSPI 通信案例，按照創龍科技提供的案例用戶手冊進行操作得出測試結果。

同時基于Linux和Linux-RT系統進行測試，得到 “小數據 - 低時延”、“大數據 - 高帶寬” 的測試數據。

spi_rw 案例

（1）案例說明

案例功能：ARM 端運行Linux 系統，基于 FSPI 總線對 FPGA BRAM 進行讀寫測試。

ARM 端實現 SPI Master 功能，原理說明如下：

a) 打開 SPI 設備節點，如：/dev/spidev4.0。

b) 使用 ioctl 配置 FSPI 總線，如 FSPI 總線極性和相位、通信速率、數據長度等。

c) 選擇模式為單線模式、雙線模式或四線模式。當設置 FSPI 總線為雙線模式時，發送數據為單線模式，接收數據為雙線模式；當設置 FSPI 為四線模式時，發送數據為四線模式，接收數據為四線模式。

d) 發送數據至 FSPI 總線，以及從 FSPI 總線讀取數據。

e) 校驗數據，然后打印讀寫速率、誤碼率。

FPGA 端實現 SPI Slave 功能，原理說明如下：

a) FPGA 將 SPI Master 發送的數據保存至 BRAM。

b) SPI Master 發起讀數據時，FPGA 從 BRAM 讀取數據通過 FSPI 總線傳輸至 SPI Master。

圖 2ARM 端程序流程圖

（2）測試結果

ARM 通過 FSPI 總線（四線模式）寫入 4Byte 隨機數據至 FPGA BRAM，然后讀出數據、進行數據校驗，同時打印 FSPI 總線讀寫速率和誤碼率。

最終，本次測試設置 FSPI 總線通信時鐘頻率為 24MHz，則四線模式的理論通信速率為：(24000000 / 1024 / 1024 / 8 x 4)MB/s ≈ 11.44MB/s，從下圖可知，本次實測寫速率為 0.048MB/s，讀速率為 0.182MB/s，誤碼率為 0%。

圖 3

備注：以上案例硬件采用飛線方式進行連接，需將 FSPI 總線通信時鐘頻率設置為較低的 24MHz，并且需設置較小的測試數據量（會導致實測速率偏低），否則會產生誤碼現象。如使用創龍科技 TL3568F-EVM 評估板 (RK3568J + Logos-2) 硬件平臺進行測試，則無誤碼的通信速率將大幅提升。

若設置 FSPI 總線通信時鐘頻率為 150MHz，ARM 通過 FSPI 總線寫入 1MByte 隨機數據至 FPGA BRAM，然后讀出數據，循環 100 次，不做數據檢驗，最后打印 FSPI 總線讀寫速率和誤碼率。

最終，本次測試設置 FSPI 總線通信時鐘頻率為 150MHz，則 FSPI 四線模式理論通信速率為：(150000000 / 1024 / 1024 / 8 x 4) MB/s ≈ 71.53MB/s。從下圖可知，本次實測寫速率為 52.563MB/s，讀速率為 67.387MB/s，比較接近理論通信速率。

圖 4

備注：由于本次測試受限于飛線連接方式，因此在 150MHz 通信時鐘頻率下測得誤碼率過高，測試結果僅供參考。

rt_spi_rw 案例

（1）案例說明

案例功能：ARM 端運行Linux-RT 系統，基于 FSPI 總線對 FPGA BRAM 進行讀寫測試。

ARM 端實現 SPI Master 功能，原理說明如下：

a) 打開 SPI 設備節點，如：/dev/spidev4.0。

b) 使用 ioctl 配置 FSPI 總線，如 FSPI 總線極性和相位、通信速率、數據長度等。

c) 選擇模式為單線模式、雙線模式或四線模式。當設置 FSPI 總線為雙線模式時，發送數據為單線模式，接收數據為雙線模式；當設置 FSPI 為四線模式時，發送數據為四線模式，接收數據為四線模式。

d) 發送數據至 FSPI 總線，以及從 FSPI 總線讀取數據。

e) 校驗數據，然后打印讀寫速率、誤碼率。

FPGA 端實現 SPI Slave 功能，原理說明如下：

a) 將 SPI Master 發送的數據保存至 BRAM。

SPI Master 發起讀數據時，FPGA 從 BRAM 讀取數據通過 FSPI 總線傳輸至 SPI Master。

圖 5ARM 端程序流程圖

（2）測試結果

ARM 通過 FSPI 總線寫入 4Byte 隨機數據至 FPGA BRAM，然后讀出數據、進行數據校驗，同時打印 FSPI 總線讀寫速率和誤碼率。最終，本次測試設置 FSPI 總線通信時鐘頻率為 24MHz，則 SPI 四線模式理論通信速率為：(24000000 / 1024 / 1024 / 8 x 4)MB/s ≈ 11.44MB/s。

從下圖可知，本次實測寫速率為 0.179MB/s，發送最大耗時為 46us，最小耗時為 20us，平均耗時為 20us，誤碼率為 0%；讀速率為 0.187MB/s，發送最大耗時為 46us，最小耗時為 19us，平均耗時為 40s，誤碼率為 0%。

圖 6

備注：以上案例硬件采用飛線方式進行連接，需將 FSPI 總線通信時鐘頻率設置為較低的 24MHz，并且需設置較小的測試數據量（會導致實測速率偏低），否則會產生誤碼現象。如使用創龍科技 TL3568F-EVM 評估板 (RK3568J + Logos-2) 硬件平臺進行測試，則無誤碼的通信速率將大幅提升。

審核編輯 黃宇