使用Debian GNU/Linux（v2017.3版）为UltraZed配置FPGA

1 年 ago

新, 韵

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首先

在下面的文章中，我構建了適用於 UltraZed 的 Debian GNU/Linux (v2017.3 版)。

「UltraZed 向け Debian GNU/Linux (v2017.3版) の構築(Debian9 Root File System編)」@Qiita

另外，在下一篇文章中，我們將介紹上一篇文章中建立的系統的概念。

「UltraZed 向け Debian GNU/Linux (v2017.3版) ブートイメージの提供」@Qiita

在本文中，我们将使用上一篇文章中构建的系统来展示一个从Linux配置FPGA的实例。本文介绍的FPGA设计和程序已经在以下网址上公开。

https://github.com/ikwzm/ZynqMP-FPGA-Linux-Example-0-UltraZed

示例 FPGA 设计

这次 FPG 进行配置的电路将使用在下一篇文章中进行解释的那个。

「UltraZed 向け Debian GNU/Linux (v2017.3版) の構築(Sample FPGA Design編)」@Qiita

设计的框图如下所示。

图1：ZynqMP样例设计

准备梁祝電影的拍攝工作

准备UltraZed

请根据以下文章的参考步骤，将 Debian GNU/Linux (v2017.3 版) 安装到 UltraZed 设备上。

「UltraZed 向け Debian GNU/Linux (v2017.3版) ブートイメージの提供」@Qiita

用FPGA登录

当Linux启动后，我们使用用户名为fpga进行登录。密码设置为fpga。

debian-fpga login: fpga
Password:
fpga@debian-fpga:~$

下载存储库

从下面的URL下载样本FPGA设计和程序。

https://github.com/ikwzm/ZynqMP-FPGA-Linux-Example-0-UltraZed

在这里，我们将 v2017.3 版本下载为 examples/gpio。

fpga@debian-fpga:~$ mkdir examples
fpga@debian-fpga:~$ cd examples
fpga@debian-fpga:~/examples$ git clone -b v2017.3 https://github.com/ikwzm/ZynqMP-FPGA-Linux-Example-0-UltraZed gpio
fpga@debian-fpga:~/examples$ cd gpio
fpga@debian-fpga:~/examples/gpio$ git checkout v2017.3

FPGA的配置

将文件转换为二进制文件

本次構建的Debian GNU/Linux中已经集成了FPGA Reagion。不幸的是，根据下一篇文章的内容，FPGA Regsion和FPGA Manager的组合无法直接读取Xilinx的位流。因此，首先需要将位流文件进行转换。

「Linux の FPGA Manager で Xilinx のビットストリームファイルを扱う方法」@Qiita

fpga@debian-fpga:~/examples/gpio$ python3 fpga-bit-to-bin.py -f design_1_wrapper.bit design_1_wrapper.bin
Design name: b'design_1_wrapper;UserID=0XFFFFFFFF;Version=2017.2.1\x00'
Full bitstream
Partname b'xczu3eg-sfva625-1-i\x00'
Date b'2017/12/24\x00'
Time b'10:39:58\x00'
Found binary data: 5568668
Flipping data...
Writing data...

将二进制文件复制到/lib/firmware目录下。

在FPGA区域中，需要将配置文件放置在/lib/firmware文件夹中进行配置。

fpga@debian-fpga:~/examples/gpio$ sudo cp design_1_wrapper.bin /lib/firmware

通过设备树覆盖进行 FPGA 配置。

FPGA区域使用设备树来配置FPGA。因此，需要准备以下用于设备树叠加的源文件。

/dts-v1/;
/ {
    fragment@0 {
        target-path = "/fpga-full";
        __overlay__ {
            firmware-name = "design_1_wrapper.bin";
        };
    };
};

请注意目标路径是 “/fpga-full”。这是根据在Linux启动时加载的设备树中指定的fpga-region符号名。

以下是使用Device Tree Overlay进行FPGA配置的步骤：

将第1步创建的dtb写入第2步创建的目录中的dtbo文件中。

如果看到以下类似的内核消息，那么 FPGA 的配置就成功了。

fpga@debian-fpga:~/examples/gpio$ dtc -I dts -O dtb -o fpga-load.dtb fpga-load.dts
fpga@debian-fpga:~/examples/gpio$ sudo mkdir /config/device-tree/overlays/fpga
fpga@debian-fpga:~/examples/gpio$ sudo cp fpga-load.dtb /config/device-tree/overlays/fpga/dtbo
[ 1462.560122] fpga_manager fpga0: writing design_1_wrapper.bin to Xilinx ZynqMP FPGA Manager

FPGA 的时钟设置

只是配置 FPGAs 并不能使 FPGA 上的电路工作。因为时钟供应至 FPGA 的设置还未完成。

在这里，我们使用 fclkcfg 来设置时钟。fclkcfg 是作者开发的设备驱动程序，并在以下网址中公开。

https://github.com/ikwzm/fclkcfg

如果已经安装了适用于UltraZed的Debian GNU/Linux引导映像，则fclkcfg已经被集成进去了。

要设置时钟，需要准备以下用于Device Tree Overlay的源文件。

/dts-v1/;/plugin/;
/ {
    fragment@0 {
        target-path = "/amba";
        __overlay__ {
            fclk0 {
                compatible    = "ikwzm,fclkcfg-0.10.a";
                clocks        = <&clkc 0x47>;
                insert-rate   = "100000000";
                insert-enable = <1>;
                remove-rate   = "1000000";
                remove-enable = <0>;
            };
        };
    };
};

在这里，我们使用 clocks 来指定 ZynqMP的PL CLOCK[0]。&clkc是时钟控制驱动程序的符号名称，0x47是PL CLOCK[0]的索引号。当插入该设备树时，PL CLOCK[0]被设置为输出100MHz频率的时钟。

请按照以下步骤使用设备树叠加来设置时钟。

将第1步生成的dtb写入到第2步创建的目录下的dtbo文件中。

如果看到以下这样的内核消息，则FPGA 时钟设置成功。

fpga@debian-fpga:~/examples/gpio$ dtc -I dts -O dtb -o fclk0-zynqmp.dtb fclk0-zynqmp.dts
fpga@debian-fpga:~/examples/gpio$ sudo mkdir /config/device-tree/overlays/fclk0
fpga@debian-fpga:~/examples/gpio$ sudo cp fclk0-zynqmp.dtb /config/device-tree/overlays/fclk0/dtbo
[ 1830.238976] fclkcfg amba:fclk0: driver installed.
[ 1830.243617] fclkcfg amba:fclk0: device name    : fclk0
[ 1830.248737] fclkcfg amba:fclk0: clock  name    : pl0
[ 1830.253678] fclkcfg amba:fclk0: clock  rate    : 99999999
[ 1830.259085] fclkcfg amba:fclk0: clock  enabled : 1
[ 1830.263833] fclkcfg amba:fclk0: remove rate    : 1000000
[ 1830.269125] fclkcfg amba:fclk0: remove enable  : 0

Uio的准备。

要访问通过FPGA配置的电路，需要使用UIO。为了使用UIO，需要准备下面这样的设备树覆盖源文件。

/dts-v1/;
/ {
    fragment@0 {
        target-path = "/amba_pl@0";
        #address-cells = <2>;
        #size-cells = <2>;

        __overlay__ {
            #address-cells = <2>;
            #size-cells = <2>;

            uio0: uio@80000000 {
                compatible = "generic-uio";
                reg = <0x0 0x80000000 0x0 0x10000>;
                    };
            uio1: uio@80010000 {
                compatible = "generic-uio";
                reg = <0x0 0x80010000 0x0 0x10000>;
                    };
            uio2: uio@80020000 {
                compatible = "generic-uio";
                reg = <0x0 0x80020000 0x0 0x10000>;
                    };
                };
    } ;
} ;

与Zynq不同，有一些注意事项。

地址单元和大小单元都为2。这是因为ZynqMp地址的位宽为64位。因此，在reg中以<地址的高32位地址的低32位大小的高32位大小的低32位>的形式进行指定。

使用Device Tree Overlay按以下步骤配置Uio。

将步骤2中创建的目录下的dtbo文件中写入步骤1中创建的dtb文件。

如果能够得到以下结果：/dev/uio0、/dev/uio1、/dev/uio2，则表示成功。

fpga@debian-fpga:~/examples/gpio$ dtc -I dts -O dtb -o uio.dtb uio.dts
fpga@debian-fpga:~/examples/gpio$ sudo mkdir /config/device-tree/overlays/uio
fpga@debian-fpga:~/examples/gpio$ sudo cp uio.dtb /config/device-tree/overlays/uio/dtbo
fpga@debian-fpga:~/examples/gpio$ ls -la /dev/uio*
crw------- 1 root root 245, 0 Dec 31 10:20 /dev/uio0
crw------- 1 root root 245, 1 Dec 31 10:20 /dev/uio1
crw------- 1 root root 245, 2 Dec 31 10:20 /dev/uio2

尝试让LED灯闪烁

我准备了一个如下的Python程序。

from uio     import Uio
import numpy as np
import time
import signal

class  LED:
    def __init__(self):
        self.uio  = Uio('uio1')
        self.regs = self.uio.regs()
        self.regs.write_word(4, 0)
        self.pattern = [0x01, 0x02, 0x04, 0x08, 0x10, 0x20, 0x40, 0x80, 0x40, 0x20, 0x10, 0x08, 0x04, 0x02]
        self.index   = 0

    def run(self):
        self.regs.write_word(0, self.pattern[self.index])
        if self.index < len(self.pattern)-1:
            self.index = self.index + 1
        else:
            self.index = 0;

if __name__ == '__main__':
    led  = LED()

    for i in range(100):
        led.run()
        time.sleep(0.1)

在这里导入的uio.py是在下面的文章中介绍过的。

「Python と Numpy で UIO を制御」@Qiita

如果运行上面的程序，并且 LED 在几秒钟内左右闪烁，那么就是成功的。

fpga@debian-fpga:~/examples/gpio$ sudo python3 led_on.py

解決問題的過程

遊戲結束後，按照後來添加的順序，使用Device Tree Overlay來刪除添加的設備樹。

fpga@debian-fpga:~/examples/gpio$ sudo rmdir /config/device-tree/overlays/uio
fpga@debian-fpga:~/examples/gpio$ sudo rmdir /config/device-tree/overlays/fclk0
[ 2149.037235] fclkcfg amba:fclk0: change rate    : 992064
[ 2149.042497] fclkcfg amba:fclk0: change enable  : 0
[ 2149.047353] fclkcfg amba:fclk0: driver unloaded
fpga@debian-fpga:~/examples/gpio$ sudo rmdir /config/device-tree/overlays/fpga

请提供下列资料中的一项翻译，需要纯正的中文版本：

https://github.com/ikwzm/fclkcfg