ZynqUltraScale+MPSoC上的多個LinuxUIO設計這里的UIO即UserspaceI/O，本文中UIO泛指UIO設備和UIO驅動。它在Linuxkernel的世界里比較小眾，主要是一些定制設備和相應的驅動。UIO內核驅動指負責將中斷和設備內存暴露給用戶空間，再由UIO用戶態驅動（Application）來實現具體的業務，隨心所欲的玩。學術點叫做高度定制化，柔性設計。

那怎么和FPGA扯上了關系呢？是的，FPGA在硬件世界里也是隨心所欲的玩，這一硬一軟還真是登對，在一起啊在一起。

本實驗工程將介紹如何利在賽靈思異構多處理器產品系列ZynqUtralScale+MPSoC

ZCU102嵌入式評估板上實現多個UIO，同時借助賽靈思的工具完成硬件工程和linuxBSP的開發，最后通過測試應用程序完成測試。

ZCU102上的MPSoC集成固化了四核ARMCortex-A53，雙核Cortex-R5以及Mali-400MP2GPU，這部分官方稱為PS（ProcessingSystem）。另外一部分就是FPGA，即PL(ProgrammableLogic)。PS端實現控制，PL用來實現應用加速，兩者通過AXI連接。跑這個小實驗，呵呵，大材小用。只是本人手頭正好有這個板子不得不裝。筒子們可以去買了個Zybo或者ZedBoard開發板，在板子試試身手。

實驗報告

實驗材料：

硬件設計

建立Vivado工程，適配ZCU102EVB。通過IPIntegrator加入PS,在PL側加入5個UIO輸入，其中1個是GPIO模塊（包含中斷輸出和設備內存），另外4個是PIN連接到ZCU102EVB上的DIP開關，作為中斷輸入通過一個concatIP連接到PS的ps_pl_irq管腳。板級細節請參考[1]UG1182，芯片資料參考[2]UG1085

添加PIN約束文件，

set_propertyPACKAGE_PINAN13[get_portspl_irq_ll]

set_propertyIOSTANDARDLVCMOS33[get_portspl_irq_ll]

set_propertyPACKAGE_PINAM14[get_portspl_irq_lh]

set_propertyIOSTANDARDLVCMOS33[get_portspl_irq_lh]

set_propertyPACKAGE_PINAP14[get_portspl_irq_ef]

set_propertyIOSTANDARDLVCMOS33[get_portspl_irq_ef]

set_propertyPACKAGE_PINAN14[get_portspl_irq_er]

set_propertyIOSTANDARDLVCMOS33[get_portspl_irq_er]

Vivado的圖形化的模塊設計，豐富的IP庫，加上可以上天的智能連接。有點數字電路設計的基礎，很快就能完成這個小設計。整個設計如下圖。

軟件設計

這里用到Xilinx針對LinuxBSP開發的Petalinux。它基于Yocto，加入Xilinx的Layers實現硬件工程的導入，將復雜的Yocto的設計流程打包簡化，支持一定的用戶自定義功能，如QEMU仿真運行，增加out-of-tree的驅動，Devicetree修改，應用程序編譯打包，等等。具體信息請移步/products/design-tools/embedded-software/petalinux-sdk.html

這里簡單展示一下具體的命令過程。

$petalinux-create-tproject--templatezynqMP-nzcu102-pl2ps_irq

$cd./zcu102-pl2ps_irq

$petalinux-config--get-hw-description

$petalinux-config-ckernel

EnableUIO_PDRV_GENIRQdriver

CONFIG_UIO=y

#CONFIG_UIO_CIFisnotset

CONFIG_UIO_PDRV_GENIRQ=y

$petalinux-build-cdevice-tree

PL側的dtsi文件生成與./components/plnx_workspace/device-tree-generation/pl.dtsi

這里只有GPIOUIO。PINUIO因為不是IP，所以相關信息無法由工具自動生成。所以要做如下修改：

1.修改GPIOUIO設備端點

1）將中斷號改為93

2）將compatible改成“generic-uio”//我們后面要用Linux自帶的UIO_PDRV_GENIRQ驅動

2.增加DIPUIO端點

1）將compatible改成“generic-uio”

2）依次設置中斷值89到93

3）按照每個DIPPIN的interrupttriggertype設置屬性值

*DTS里的中斷號與硬件中斷號有32的offset。

Petalinux提供了自定義DTS文件./project-spec/meta-user/recipes-bsp/device-tree/files/system-user.dtsi，將以上修改定義到system-user.dtsi.

有兩個方法來適配UIO端點和UIO_PDRV_GENIRQ驅動

1.bootargsuse“uio_pdrv_genirq.of_id=generic-uio”，可以通過DTS定義。

2.insmoduio_pdrv_genirq.koof_id=generic-uiowheninstallthedriver

修改完后，編譯出Image.

$petalinu-build

$cd./images/linux

$petalinux-package--boot--fsblzynqmp_fsbl.elf--fpga--atf--pmufw--u-boot--force

將生成的BOOT.bin（bootloader）和image.ub(FITuImage)拷貝到SD卡用于啟動。\

測試

這里引用下關于uio_pdrv_genirq驅動的介紹

https://01.org/linuxgraphics/gfx-docs/drm/driver-api/uio-howto.html結合驅動代碼./drviver/uio/uio_pdrv_genirq.c)可知，每個UIO設備會有對應的/dev/uioX的設備節點。用戶態驅動程序的讀操作會阻塞直到UIO硬件中斷發生。UIO的中斷處理程序uio_pdrv_denirq_handler()會關閉該硬件中斷。用戶態驅動程序需要通過write函數來觸發uio_pdrv_genirq_irqcontrol()以完成中斷的使能和關閉。代碼如下,

啟動內核及加載uio_pdrv_genirq驅動

檢查/proc/interrupts

細心的你一定發現了一個坑，少了2個UIO中斷（IRQ122和IRQ124），原來是硬件不支持Edgefalling和LevelLow的觸發模式。kernellog如下。

測試DIPUIO方法一

通過撥動2個DIP，觀察到

2個DIP中斷發生了，可是不論怎么再撥動DIP開關，始終是1。前文鋪墊過，這個中斷在驅動的中斷處理程序里會被關掉，需要通過應用程序調用write（）來打開。這里有個easyway，使用萬能的echo命令“echo0x1>/dev/uioX”，再配合DIP可以觸發多次中斷。

測試DIPUIO方法二

前面的方法比較low，這里有稍微高級的享受。寫個簡單的用戶態驅動程序，上代碼。

借助petalinux提供的交叉編譯工具編譯出bin文件，拷貝到啟動SD卡。

運行測試程序并配合DIP開關測試。（為了更好的體現測試運行情況，在UIO內核驅動里增加了irqcontrol的調用打印）

測試GPIOUIO

UIO驅動會將設備內存（寄存器）空間枚舉出來，由用戶態驅動程序通過mmap導出進行讀寫控制。參見AXI_GPIOIP的文檔pg144-axi-gpio.pdf，其寄存器如下。

測試應用程序會通過設置GIER和IP_IER來使能中斷。上代碼。

測試過程或許你覺得這么貼圖代碼不厚道而不能施展復制黏貼大法，可不知我拙與WORD，沒try出好排版。莫急莫急，這里有GIT，/AlexHe/U