初识AXI quad SPI

自《PG153 AXI Quad SPI v3.2》

支持：

• Legacy Mode
• standard mode: 准SPI通常就称SPI，它是一种串行外设接口规范，有4根通信脚：SCK （时钟）, CS（片选）, MOSI（主出从入）, MISO（主入从出）。
• Dual/Quad SPI Mode:
  2 u, q! Y) a/ {

AXI Quad SPI 模式

在标准模式下，支持高达32个从站，这是非常灵活的指标。本文对于手册中的详细技术细节不做过多阐述，有兴趣的自行深入阅读研究。

该SPI IP能干神马呢？

完成如下这样一个应用场景：

SPI IP访问多从SPI芯片

所需要实现的需求用例为：

本文实现用例描述

• 利用AXI quad SPI 实现SPI外设控制器
• 实现SPI外设控制器驱动
• 实现多SPI从设备挂载在SPI总线
• 实现用户空间访问多从SPI物理从设备
  7 ~6 F. g; J5 A9 K6 e" q

从软件分层的视角来看，上述的需求需要实现下面的访问层级：

PS/PL软硬件层次架构图

为什么要研究这个呢？实际用ZYNQ芯片做产品时，很有可能外部有多个SPI从设备芯片需要利用Linux访问，你或许会说ZYNQ的PS端不是自带了两个SPI控制器吗？但有时候项目中这两个SPI对应的引脚可能用做其他用途了，而一个复杂的项目中又不得不使用多个SPI从设备芯片时，本文所讨论的话题就能很好的解决这样的需求场景了。通过本文，你会发现，原来ZYNQ的SPI IP是如此灵活好用！

本文目的实战描述，如何一步一步从PL端设计：

• block design
• 约束
• 综合
• 导出
  ) A+ `) O% I1 c1 i  I) J

乃至PS端：

• SPI驱动配置
• 设备树修改
• 系统编译部署
• 设备驱动测试
  

按照这个流程，那么第一步需要设计PL端与PS端的配置，且看：

AXI Quad SPI 之配置

从IP catalog中按下图从ip库中添加如下IP：

• ZYNQ7 processing System
• AXI interconnect
• AXI Quad SPI(可根据需要添加多个)
• Processing System Reset（添加ZYNQ7 processing System 点自动连线会自动添加，当然也可以手动添加）
• Concat
  

Block设计图

使能ZYNQ7 processing System的时钟PL Fabric clocks,用以驱动PL端的IP：

PL Fabric clocks设置

使能M AXI GP0接口如下：

M AXI GP0

设置

双击AXI interconnect，设置2主1从：

AXI interconnect

设置

双击axi_quad_spi_0设置如下，设置4个从设备（最多可支持32个从设备，PS端内置的SPI控制器1个最多支持3个从设备，从这一点可看出该IP的灵活性）

axi_quad_spi

设置

同样将axi_quad_spi_1设置为2个从设备接口。

然后按照前面的连线图，将各块连接好，做过硬件的盆友会比较适应，这就像画原理图一样，就将各IP建立了逻辑连接关系了。除此之外，对于一个ZYNQ的板子而言，你还需要做如下的PS端设置：

• DDR RAM设置，根据自身的板子的内存芯片以及内存大小进行设置
• Peripheral IO外设设置，比如SD卡，UART,QUAD SPI Flash,erthernet等
• clock时钟系统设置，根据板子的情况进行设置CPU、DDR时钟频率、IO时钟等
• ......
  5 g7 |  D. M4 `6 K% y- t3 R4 o3 L

至于这些怎么配置，比较常见这里就不赘述了。

对于AXI quad SPI外设还有一个很重要的配置，就是其地址范围：

AXI quad SPI

地址设置

该地址最终将导出到设备树描述文件，用于SPI控制器驱动访问，从而让SPI控制器驱动得以与该IP通过AXI总线进行通信。

导出硬件文件

点击open elaborated design ，然后打开io ports进行管脚分配，这需要根据各自的硬件实际情况进行设置，比如我是这样设置的：

管脚约束设置

• 电平标准
• 是否上拉
• 驱动能力
• .....
  5 b9 X. m5 ?6 V9 [1 H7 ?1 r

然后点击Run synthesis进行综合，成功之后点击生成bit stream。再点击export hardware,得到.hdf文件，这个文件用于构建内核。

导出硬件描述文件

将得到的硬件描述hdf文件以及bitstream文件拷贝至内核编译文件夹下：

硬件描述及bit文件配置编译内核

运行命令读取硬件描述文件：

petalinux-config --get-hw-description ../base.sdk
, x3 @" ?# {  L' y; V

注：这里将hdf文件以及.bit文件放置在petalinux编译路径的上级目录的base.sdk，根据习惯可自行设置，只有上述命令传入的路径正确即可。

等待一段时间后，可得到一个配置界面，用于配置内核源、u-boot源、Image 等配置。

petalinux-config

根据实际情况配置好后，退出配置并保存配置。使用过的会比较熟悉，这里不赘述了。

配置设备树

编辑用户设备树文件，用户设备树文件在下面路径中：

./project-spec/meta-user/recipes-bsp/device-tree/files/system-user.dtsi
  e7 e& \' p8 g  N# c

配置设备树如下：

/include/ "system-conf.dtsi"
/ {

  v( x5 W$ \1 I. K' `};
* z; m- l8 w7 s) k  F) Z
&axi_quad_spi_0 {
    status = "okay";
9 D0 K0 P3 _3 w' c  A# ?: M    clock-names = "axi_clk", "axi4_clk", "spi_clk";
8 k* q9 f8 q/ e! Z    clocks = <&clkc 15>, <&clkc 15>, <&clkc 15>;
, K) t- u9 Y' j9 o1 ]8 N- g    spi0_dev_0@0 {
        compatible = "spidev";
        reg = <0>;
, {; G2 P, w$ t+ V. L        spi-max-frequency = <500000>;
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <1>;
) ?, b. h; n9 r; B* d    };

. v2 X' Q2 K" O( c  \& C) H    spi0_dev_1@1 {
        compatible = "spidev";
% g5 h" a5 G; d' l$ e) Q        reg = <1>;
        spi-max-frequency = <500000>;
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <1>;
$ V; d1 @% ]5 C9 {0 w& O9 g1 p0 L8 w    };
    spi0_dev_2@2 {
' g  o& y2 P) v, J! B9 w8 d; u% ^        compatible = "spidev";
        reg = <2>;
        spi-max-frequency = <500000>;
4 J8 W3 H- Q3 q$ f, c        #address-cells = <1>;
. _9 R* p. e1 K2 p: y* k( v7 J: u        #size-cells = <1>;
    };
    spi0_dev_3@3 {
3 O2 Q6 t8 s; A- k+ ~6 U+ m9 G1 O        compatible = "spidev";
        reg = <3>;
        spi-max-frequency = <500000>;
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <1>;
    };        
& {& o* O. n, R' ]/ x' e0 T) u};
+ m7 ]! U3 c, @; @
&axi_quad_spi_1 {
, G9 M1 Q6 N$ V% k, V  [- U9 P    status = "okay";
- R' ?: p* T/ D( F% L6 @  N    clock-names = "axi_clk", "axi4_clk", "spi_clk";
    clocks = <&clkc 15>, <&clkc 15>, <&clkc 15>;
: d& y5 f; n( i4 x    spi1_dev_0@0 {
        compatible = "spidev";
5 U8 m5 H2 Z# m/ r# A5 Y( U7 S        reg = <0>;
6 D. P8 O0 ]  z        spi-max-frequency = <500000>;
        #address-cells = <1>;
  Q7 S/ x9 T2 b        #size-cells = <1>;
    };
   
    spi1_dev_1@1 {
        compatible = "spidev";
        reg = <1>;
( j6 X" |. H  u        spi-max-frequency = <500000>;
( e5 D4 N* K9 D6 R        #address-cells = <1>;
' F4 B& d3 u5 v: A; O9 X        #size-cells = <1>;
6 w' A3 z' p3 d    };
};

这里直接使用内置spidev兼容从设备驱动，当然如果需要自己定义一个SPI设备驱动也是非常容易的，但是对于大部分普通的SPI从芯片而言直接使用spidev设备驱动即可，只需要在读写时按照芯片手册协议进行访问即可。

配置内核

运行下面命令进行内核配置：

petalinux-config -c kernel  
4 Z2 C1 M( q# |
6 M. E% h4 @: R& F' I

内核配置

对于本应用而言，需要配置SPI驱动：

Device Drivers  --->
     +-SPI support--->     

配置如下：

SPI控制器及设备驱动配置

这里调试中遇到一个奇怪的问题,CONFIG_SUSPEND需要禁止，否则控制器驱动加载不成功，目前还没有深入研究为什么不成功，猜想可能是主控制器驱动关于SUSPEND功能还不支持或者有bug，如果有哪位大神知道怎么解决请求留言指点。

Power management options  --->
     Suspend to RAM and standby

功能管理配置

退出并保存配置，然后运行下面命令编译系统：

petalinux-build

等待编译成功后，运行下面命令将bitstream文件包进BOOT.bin中。

petalipackage --boot --fsbl ./images/linux/zynq_fsbl.elf --fpga ../base.sdk/design_1_wrapper.bit --u-boot    --force

将得到下面的输出信息，表示操作成功：

INFO: File in BOOT BIN: "/home/zynq/ALINX/spi_ip/ax_peta/images/linux/zynq_fsbl.elf"
4 T1 G1 W- Y2 q9 U* }2 r( D+ @INFO: File in BOOT BIN: "/home/zynq/ALINX/spi_ip/base.sdk/design_1_wrapper.bit"
INFO: File in BOOT BIN: "/home/zynq/ALINX/spi_ip/ax_peta/images/linux/u-boot.elf"
" w0 p$ n) G& K9 M0 X2 rINFO: Generating zynq binary package BOOT.BIN...
& k3 T" M- u9 ]2 H: AINFO: Binary is ready.
WARNING: Unable to access the TFTPBOOT folder /tftpboot!!!
3 e9 U# Y2 _. T3 RWARNING: Skip file copy to TFTPBOOT folder!!!
5 q/ h+ J# d1 k. ?/ |7 h0 V* {

注：/home/zynq/ALINX/spi_ip/ax_peta 是本文工程的目录

测试SPI从设备

编写驱动测试程序，代码如下：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
3 J2 ]% x  d- d6 j4 n0 P6 Y2 j% y% X#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int main(int argc, char **argv)
{
    int fd;
    int len;
( \9 R  P2 x4 ]1 a3 g( F' X5 n    unsigned char buf[10];
    unsigned char tmp;

/ m; t" r; E( f    /* 验证输入参数个数 */
; n4 D" R. D% [    if(3 != argc)
3 F! |' w: N6 Q$ H/ r$ n    {
        printf("none para\n");
. P# ]% V# _5 p        return -1;
    }
! I% X3 p5 U4 n% n
% V! G2 p/ m. V3 z$ O. w9 b6 a    /* 打开输入的设备文件, 获取文件句柄 */
; H$ L* {; F7 D4 j    fd = open(argv[1], O_RDWR);
& Y% l5 q( V$ q# R  ]& o/ z0 v* n    if(fd < 0)
/ a$ c% D% n- w    {
        /* 打开文件失败 */
        printf("Can't open file %s\r\n", argv[1]);
. O; G7 V- b5 |% w3 c        return -1;
' p$ O  C4 Q& ]' P    }

    int i = 0;
    int j = 0;
3 x7 u4 e) c5 Y7 q    len =strlen(argv[2]);
1 G) k4 e  A: `& A0 Y    for(i=0;i<len;i++)
+ M. j: ~3 M" U* y/ Y! m    {
        if(argv[2]>='0' && argv[2]<='9')
! B0 n; _4 _0 p8 |; W+ W( D. G" y* W        {
            tmp = argv[2] - '0';
        }
        else if(argv[2]>='a' && argv[2]<='f')
; e% k$ ^) I- w; _& S  p/ T        {
            tmp = argv[2] - 'a'+10;
        }
5 }: L; o; q  y9 R( c        else if(argv[2]>='A' && argv[2]<='F')
5 e/ T( b% ~: k5 F7 F, g        {
            tmp = argv[2] - 'A'+10;
3 ?1 [3 v$ |* l  y) `/ z$ N0 h        }
3 F1 Y+ ~8 c+ y        else
6 y( s/ m1 _) q* m' E        {
            printf("Invalid input parameters \r\n");
- p" ^5 i0 H7 T% F* e8 H8 }            return -1;
        }
        if(i%2==0)
           buf[j] = tmp<<4;
+ G( r3 r6 r, H) J* J        else
        {
: o/ \" X* ?1 l            buf[j] += tmp;
            j++;
0 @; q0 x9 g' x* h; b, U! T2 d        }
    }
    len = j;
    printf("Test wr:");
) A$ l# N5 o6 E- J  q! S( {$ R" e    for(i=0;i<len;i++)
5 ]' c0 e, X5 T& ~! \0 }        printf(" %x",buf);
  I0 o; p- @- j   
2 S" o2 U6 B; a6 ?8 O+ @, i* @1 `    write(fd, &buf[0], len);
    printf("\n");
    /* 操作结束后关闭文件 */
    close(fd);
    return 0;
}
7 i! O/ }5 I# L! T5 @

编译：

arm-linux-gnueabihf-gcc test.c -o test
. a9 t* R- u/ h

将编译所得的BOOT.BIN以及image.ub文件拷贝至制作好的SD的BOOT区，test文件拷贝至/home下。然后插上SD卡上电运行电路板：

登录控制台后，运行ls /dev查看spidev设备是否加载成功：

spidev设备挂载情况

可见spedev1.0、spidev1.1以及spidev2.0--spidev2.3加载成功，与预期一样。

然后运行测试程序：

root@ax_peta:/run/media/mmcblk0p2/home#./test /dev/spidev1.0 78aa
Test wr: 78 aa
+ z/ H2 L0 F; w! H( D% q

用示波器或者逻辑分析仪观察对应引脚，将出现正确的SPI通信波形。

总结一下

至此，就基本实现了从PS端Linux用户空间访问PL端的SPI从设备了。当然实际项目中还有很多细节需要进一步研究：

• CPOL/CPHA 组合四种模式设置
• SPI通信速率设置
• 从设备应用协议程序编写
• AXI Quad SPI FIFO特性的深入应用
• AXI Quad SPI 其他模式及细节研究等
  

对于这些更细节的内容，相信在将基本框架搭建成功后，只要深入细致研究都不会有太大的难度。从本文可看出，ZYNQ之所以如此灵活好用，是其厂家或者第三方提供了大量成熟可供使用的IP以及配套的驱动程序。如有兴趣尝试用来开发项目，相信你会很快喜欢上这个体系的芯片，真的可以做到片上即可实现系统这一目标！

3 U- P* {# B! r0 e3 }2 t