[米联客-XILINX-H3_CZ08_7100] LINUX应用篇连载-02 AD信号的以太网传输

软件版本：vitis2021.1(vivado2021.1)

操作系统：WIN10 64bit

硬件平台：适用XILINX Z7/ZU系列FPGA

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1 简介

本章节使用Linux实现了基于socket的远程数据显示。数据从信号发生器输出后，进入FEP-DAQ7606子卡传输至fpga，fpga通过dma将数据保存至ps ddr，Linux下通过dma驱动实现数据mmap、处理中断和缓存切换控制。板卡上程序收集到数据后使用socket发送到pc端，最后PC通过qt展示出波形。

2 系统框图

3 方案介绍

本方案通过7606子卡采集数据，经fpga通过DMA传输至PS端ddr内。PS端负责读取处理数据后，使用socket通信发送数据到PC端，PC端的qt负责接收与展示。

DMA驱动的需求应有如下：

• 设置IOCTL，用于应用程序的数据读取。
• 通过实现poll函数实现阻塞IO。
• 实现一个字符设备以便在打开驱动时，控制fpga启停采集的信号。
• 使用平台驱动来match设备树。
  

应用程序的需求有：

• 使用poll实现阻塞IO。
• 使用驱动提供的IOCTL控制。
• 提供memcpy拷贝内存。
• 使用socket发送数据。
  

Qt程序的需求有：

• 接收socket发送来的数据。
• 使用波形展示。
  

4 方案搭建

4.1 vivado工程解析

此处不对vivado工程的搭建作详细解释，若想查看vivado搭建请移步FPGA部分课程。接下来将从Linux开发的角度分析vivado内需要注意的几个地方。

1：BD图

bd图上半部分为HDMI输出，本章未使用，不作解释。

看到右侧部分的管脚：

user_start：数据采集开始

user_rstn：数据采集复位

2：查看寄存器地址

此处可以看到需要用到的寄存器地址，三个寄存器分别是DMA以及两个上面提到的控制FPGA采集启停的信号，有这三样东西即可从FPGA读取数据。其中vdma的寄存器本章节用不到，不必控制。

vitis导出的设备树会自动生成这些节点，通常位于pl.dtsi中。

4.2 设备树解析

非常不建议初学者自己修改设备树，请使用demo中自带的设备树操作，若能理解设备树的含义与作用可自行修改。以下内容仅为参考，自行修改会导致工程无法正常运行。

vitis生成设备树内的pl.dtsi内已经生成了上述我们所需的三个节点axi_dma_0、gpio_user_rstn、gpio_user_start，所以无须修改。但是为了能让我们的驱动匹配到dma，我们需要增加一个节点。

1. adcdma_fun_0: adcdma_fun0@0 {
   
2. compatible = "adcdma_demo";
   
3. dmas = <&axi_dma_0 0>;
   
4. dma-names = "adc";
   
5. num-buf = <3>;
   
6. reset-gpios = <&gpio_user_rstn 0 0 0>;
   
7. enable-gpios = <&gpio_user_start 0 0 0>;
   
8. };

复制代码

简单讲解一下设备树内重要字段的含义。

compatible字段用于匹配驱动。

dmas设置了dma的地址。

num-buf设置了dma的帧个数。

reset-gpios为控制FPGA端复位的信号。

enable-gpios为控制FPGA端启停的信号。

4.3 构建系统

1：从vivado到vitis生成所需文件

若不清楚如何搭建，请复习Linux基础第四章的内容，此处不再赘述。若想快速验证，在本课对应的demo中有工程已编译好可直接使用。

tcp_adc_dma：板卡Linux内的读取驱动并socket发送程序。

boot：启动文件，使用boot文件替换boot分区，即可搭配任意文件系统运行程序。

QT：pc端的qt接收与展示波形工程。

soc_dts、soc_hw、soc_prj、soc_sdk：移植系统所需工程，分别为设备树、硬件描述文件、vivado工程和vitis工程。若还不熟悉这些文件，请先学习《3-4-1Linux基础入门》内第四课的内容。

2：拷贝文件

本方案使用的开发包版本为uisrc-lab-xlnx20220601.tar.gz，请确保正在使用的版本一致。若不清楚或不一致，请前往https://www.uisrc.com/t-3268.html下载。

以往的开发包，需要手动设置好5个文件，分别是fsbl.elf、system_wrapper.bit和kernel、uboot的设备树（设备树在demo中已经提供）。在新版本的开发包中可以无须手动改名，放置到指定路径即可。若不清楚本段的内容表述，请先重复Linux基础第四章的内容，熟悉基础步骤。

将四个文件放置到/uisrc-lab-xlnx/boards/mz7x/ubuntu/output/files指定位置。其中fsbl.elf、system_wrapper.bit两个文件直接放在目录下，而kernel和uboot的设备树要放在对应的文件夹内。注意kernel-dts文件夹内的设备树支持include，所以可以放入多个文件，但是uboot-dts内设备树不支持include，只能支持名为zynq-mz7x.dts的设备树。

3：构建所需系统

首先source环境变量，先前往以下路径/uisrc-lab-xlnx/scripts：

运行命令：

source mz7xcfg.sh                        用来设置环境变量

move_files.sh                                将刚才我们拷贝的文件重命名并拷贝到对应的位置

make_uboot.sh                        编译uboot

make_kernel.sh                        编译kernel

create_image.sh                        生成启动文件

紧接着插入sd卡，并连接到虚拟机内，继续输入命令：

make_parted.sh                        给sd卡分区，先输入sdb，再输入y

deploy_image.sh                        烧录系统

7100FC 的开机部分参考第一章的第5节，从qspi启动sd卡。

4：本地编译应用程序

将demo中的01_tcp_adc_dma文件夹内文件全部拷贝到sd卡的/home/uisrc下：

弹出sd卡：

使用串口登录开发板，用户名uisrc，密码root：

ls查看当前目录下的文件：

输入gcc send_app.c来编译应用程序：

编译完成后当前目录下会多出一个名为a.out的可执行文件，这就是编译好的文件。

5：编译QT程序

由于本步骤比较繁琐，没有修改QT需求的可以直接使用demo中编译好的qt程序（/QT/adc_mlk_boxed.exe）。若有修改qt程序需求的可以参考以下内容。

前往https://www.uisrc.com/t-3268.html下载uisrc_windows10.zip虚拟机系统，这是一个装有qt环境的win10虚拟机系统。下载完成后解压到合适的位置，然后打开并运行虚拟机：

将demo的“QT/QT工程”路径下的文件夹放到合适的位置：

通过桌面图标启动Qt Creator：

打开刚才放在虚拟机中的工程文件，并选择.pro后缀的文件打开：

打开会提示没有配置，直接确认即可：

点击配置工程：

左下角默认为debug模式，切换选择到release：

点击运行按钮

Qt程序运行成功：

回到工程目录，边上多了一个文件夹，进入这个文件夹的“release”路径内，找到编译成功的exe文件：

将exe文件拷贝出来，在合适的地方新建一个文件夹放进去：

开始菜单内找到qt命令行，并打开：

输入windeployqt+刚才exe的路径：

再回到刚才存放exe的文件夹，多了很多库文件：

这时候的exe就可以运行了。

5 驱动应用分析

由于驱动代码比较多，本部分只分析重要的代码部分，若想查看完整代码请在以下路径寻找驱动：/uisrc-lab-xlnx/sources/kernel/drivers/media/msxbo/dma_adc.c

5.1 平台驱动配置

1. static struct platform_driver adcdma_fun_device_driver = {
   
2. .probe = adcdma_fun_probe,
   
3. .remove = adcdma_fun_remove,
   
4. .driver = {
   
5.   .name = "adcdma_demo",
   
6.   .owner = THIS_MODULE,
   
7.   .of_match_table = of_match_ptr(adcdma_fun_of_match),
   
8. }};

复制代码

行2，驱动初始化函数。

行3，驱动注销函数。

行7，驱动匹配。

5.2 match设备树

1. int of_adcdma_data(struct adcdma_fun *pdata, struct platform_device *pdev)
   
2. {
   
3. int cnt = 0;
   
4. int ret = 0;
   
5. int i = 0;
   
6. int hsize = 0;
   
7. 
   
8. pdata->reset_gpio = devm_gpiod_get_optional(&pdev->dev, "reset",
   
9.             GPIOD_OUT_LOW);
   
10. if (IS_ERR(pdata->reset_gpio))
    
11. {
    
12. 
    
13.   printk("[zgq]get reset gpio err\n");
    
14.   return PTR_ERR(pdata->reset_gpio);
    
15. }
    
16. 
    
17. pdata->enable_gpio = devm_gpiod_get_optional(&pdev->dev, "enable",
    
18.              GPIOD_OUT_LOW);
    
19. if (IS_ERR(pdata->enable_gpio))
    
20. {
    
21.   printk("[zgq]get enable gpio err\n");
    
22.   return PTR_ERR(pdata->enable_gpio);
    
23. }
    
24. adcdma_reset();
    
25. 
    
26. pdata->dmad = devm_kmalloc(&pdev->dev, sizeof(struct adcdma_para), GFP_KERNEL);
    
27. if (pdata->dmad == NULL)
    
28. {
    
29.   printk("kmalloc err\n");
    
30.   return -1;
    
31. }
    
32. memset(pdata->dmad, 0, sizeof(struct adcdma_para));
    
33. pdata->dmad->dma = dma_request_chan(&pdev->dev, "adc");
    
34. if (IS_ERR_OR_NULL(pdata->dmad->dma))
    
35. {
    
36.   printk("get dma0 err\n");
    
37.   return PTR_ERR(pdata->dmad->dma);
    
38. }
    
39. 
    
40. ret = of_property_read_u32(pdev->dev.of_node,
    
41.           "num-buf", &cnt);
    
42. if (ret < 0)
    
43. {
    
44.   pr_err("adcdmatest: missing num-frm property\n");
    
45.   return ret;
    
46. }
    
47. cnt = cnt > 32 ? 32 : cnt;
    
48. pdata->dmad->buf_con = cnt;
    
49. 
    
50. hsize = ADCDATA_SIZE;
    
51. 
    
52. #if ADC_DMAINIT_S
    
53. for (i = 0; i < cnt; i++)
    
54. {
    
55.   pdata->dmad->adc_virt[i] = dma_alloc_coherent(&pdev->dev, PAGE_ALIGN(hsize),
    
56.                &pdata->dmad->adc_phys[i], GFP_KERNEL);
    
57.   if (pdata->dmad->adc_virt[i] == NULL)
    
58.   {
    
59.    printk("can't alloc mem\n");
    
60.   }
    
61.   memset(pdata->dmad->adc_virt[i], 0, hsize);
    
62. }
    
63. #endif
    
64. init_waitqueue_head(&pdata->read_queue);
    
65. return 0;
    
66. }

复制代码

行08~15，获取FPGA端复位管脚。

行17~23，获取FPGA端启停管脚。

行26~38，获取DMA信息。

行40~48，获取dma的帧数量。

行52~63，为dma的每个帧都申请好内存。

5.3 IOCTL控制

1. static long adcdma_func_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg)
   
2. {
   
3. int ret = 0;
   
4. void __user *user_arg = (void __user *)arg;
   
5. int flag;
   
6. int n;
   
7. 
   
8. switch (cmd)
   
9. {
   
10. case CMD_GET_DMADATA:
    
11.   ret = data_to_user(adcdma_data->dmad, user_arg);
    
12.   break;
    
13. 
    
14. case CMD_SET_START:
    
15.   copy_from_user(&flag, user_arg, sizeof(flag));
    
16.   printk("flag = %d\n", flag);
    
17. 
    
18.   adcdma_data->dmad->mem_switch = 0;
    
19.   adcdma_data->dmad->mem_flag = 0;
    
20.   adcdma_data->dmad->read_mem = 0;
    
21. 
    
22.   if (flag == 0)
    
23.   {
    
24.    adcdma_data->trans_en = 0;
    
25.    dmaengine_terminate_all(adcdma_data->dmad->dma);
    
26.   }
    
27.   else
    
28.   {
    
29.    adcdma_data->trans_en = 1;
    
30. 
    
31.    ret = adcdma_setup(adcdma_data->dmad, 0);
    
32.    dma_async_issue_pending(adcdma_data->dmad->dma);
    
33.   }
    
34.   gpiod_set_value_cansleep(adcdma_data->enable_gpio, flag);
    
35. 
    
36.   break;
    
37. 
    
38. default:
    
39.   ret = -EFAULT;
    
40.   break;
    
41. }
    
42. return ret;
    
43. }

复制代码

可以看到一共有两个IOCTL函数，一个叫CMD_GET_DMADATA，另一个叫CMD_SET_START。

行10~12，CMD_GET_DMADATA用于向应用端提供数据。

行14~34，CMD_SET_START用来设置采集的开始与结束，0为停止，1为开始。

5.4 中断回调函数

1. static void adcdma_irq_handler(void *data)
   
2. {
   
3. int num = (int)data;
   
4. 
   
5. // printk("irq %d\n", num);
   
6. adcdma_data->irq_reprot = 1;
   
7. 
   
8. if (adcdma_data->trans_en)
   
9. {
   
10.   wake_up_interruptible(&adcdma_data->read_queue);
    
11.   irq_change_mem(adcdma_data->dmad, num);
    
12. }
    
13. }

复制代码

这里的中断回调比较简单，只需要唤醒等待队列和切换帧即可。

5.5 poll函数

1. static unsigned int adcdma_func_poll(struct file *file, struct poll_table_struct *wait)
   
2. {
   
3. int mask = 0;
   
4. 
   
5. poll_wait(file, &(adcdma_data->read_queue), wait);
   
6. if (adcdma_data->irq_reprot == 1)
   
7. {
   
8.   adcdma_data->irq_reprot = 0;
   
9.   mask |= (POLLIN | POLLRDNORM);
   
10. }
    
11. 
    
12. return mask;
    
13. }

复制代码

poll函数用于等待中断产生，中断产生后将标志再置0。

5.6 应用程序

1. ret = poll(poll_fd, 2, -1);
   
2. if (ret < 0)
   
3. {
   
4. printf("error\n");
   
5. break;
   
6. }
   
7. if (poll_fd[0].revents & POLLIN)
   
8. {
   
9. printf("input\n");
   
10. break;
    
11. }
    
12. ret = ioctl(fd, CMD_GET_DMADATA,
    
13. if (ret < 0)
    
14. {
    
15. perror("get data err\n");
    
16. continue;
    
17. }
    
18. ret = send_data(data, ADC_SIZE);
    
19. if (ret < 0)
    
20. {
    
21. printf("send err\n");
    
22. break;
    
23. }

复制代码

应用程序仅分析while中内容。

行1，阻塞。

行07~11，监测键盘输入，若有输入则停止。

行12，使用ioctl读取数据。

行18，通过socket发送数据。

6 方案演示

6.1 硬件连线

1：板卡部分

2：信号发生器部分

6.1 程序测试

1：上电并串口登录

账户：uisrc，密码：root。

此时屏幕已显示开机登录命令行界面。

检查板卡和电脑IP是否均在192.168.137.XXX网段，确保使用ping命令可以互相连通。不连通请先查看01《Linux开机测试》内的内容。此外确保pc的防火墙为全部关闭状态。

2：运行qt

双击打开pc端的应用程序，勾选通道并按start：

3：串口运行

使用命令运行程序，sudo ./a.out 192.168.137.1，此处pc的ip为192.168.137.1，密码为root：

4：观察qt程序