在嵌入式圈子待久了你會發(fā)現(xiàn)一個規(guī)律只要是在TI的Sitara平臺AM335x、AM437x這些Cortex-A8/A9處理器上做過項目基本都繞不開GPMC這個名字。全稱General Purpose Memory Controller翻譯過來就是通用內(nèi)存控制器處理器的并行總線接口。它最典型的應(yīng)用場景就是用類似SRAM的時序去連接FPGA、并行AD/DA、NOR Flash或者SRAM這類外設(shè)。我最早接觸GPMC是被一個項目逼的FPGA和AM335x之間要高速交換數(shù)據(jù)SPI太慢UART更不用說最后只能老老實實把GPMC調(diào)通。這篇文章就把我在實際項目中啃GPMC的筆記整理出來包括硬件連接、設(shè)備樹時序參數(shù)、驅(qū)動編寫和排錯經(jīng)驗適合正在調(diào)GPMC的同學(xué)也適合準(zhǔn)備在TI平臺接并行外設(shè)但還沒入門的開發(fā)者。1. GPMC到底是什么嵌入式工程師為什么繞不開它1.1 一句話講清GPMC的定位把GPMC想成處理器對外開放的一扇“內(nèi)存窗口”就好理解了。處理器內(nèi)部有一大片地址空間其中一塊被劃給了GPMC控制器。當(dāng)CPU訪問這塊地址空間時GPMC會把讀寫的請求自動變成一組并行信號發(fā)送到外部引腳上。外部設(shè)備只要按SRAM接口的標(biāo)準(zhǔn)來響應(yīng)CPU就能用最簡單的方式讀寫它——不需要像I2C那樣先發(fā)設(shè)備地址、再發(fā)寄存器地址、再等應(yīng)答也不需要像SPI那樣一bit一bit地搬運(yùn)。CPU一條LDR指令下去數(shù)據(jù)就到寄存器里了整個過程對CPU來說是透明的。這也是GPMC和普通低速總線的本質(zhì)區(qū)別它的工作方式接近內(nèi)存總線而不是外設(shè)總線。對外部設(shè)備來說它像一顆SRAM對CPU來說它就是一塊可以隨機(jī)訪問的地址空間。你在代碼里寫*(volatile unsigned short *)0x08000000 0x55AA地址0x08000000正好落在GPMC的片選窗口上這行代碼就會觸發(fā)一次實實在在的并行總線寫周期。能像訪問內(nèi)存一樣訪問外部器件這是GPMC最迷人的地方。1.2 接FPGA為什么優(yōu)先選GPMC一次性把帶寬賬算明白很多人第一次選型時第一反應(yīng)是“FPGA不就是傳數(shù)據(jù)嗎用SPI不就行了”。這句話在數(shù)據(jù)量小的時候沒毛病但一旦涉及圖像采集、高速ADC采樣、基帶信號處理這類場景SPI立刻就成了瓶頸。算一筆賬假設(shè)SPI時鐘40MHz一個時鐘傳1bit8位數(shù)據(jù)就需要8個時鐘周期理論峰值也就5MB/s。再算上片選、命令開銷、軟硬件交互的間隙實際有效帶寬能到3MB/s就不錯了。而GPMC走16位異步讀周期就算每個讀周期100ns理論帶寬已經(jīng)達(dá)到20MB/s——這還只是最普通的異步模式完全沒用到指令流水和突發(fā)機(jī)制。如果外設(shè)支持同步burst模式GPMC_CLK可以跑到100MHz16位總線一個周期傳2字節(jié)理論峰值直接跳到200MB/s的量級。這中間的差距不是一個量級而是幾十倍。當(dāng)然會有人說為什么不用DDR接口或者EMIF去擴(kuò)展存儲。這里要澄清一個概念GPMC和DDR控制器是兩套獨(dú)立的接口。DDR控制器走專用的DDR PHY時序訓(xùn)練、刷新管理都很復(fù)雜不是拿來隨便接FPGA的。GPMC是專用的并行外設(shè)總線時序可配置范圍廣、信號簡單、調(diào)試難度低最重要的是它不占DDR通道不會影響系統(tǒng)的內(nèi)存帶寬。所以在TI的Sitara平臺上接FPGA、并口AD/DA、NOR Flash這些場景GPMC幾乎是不可替代的存在。1.3 GPMC到底能接哪些設(shè)備按TI的官方定位GPMC支持以下類型的外設(shè)設(shè)備類型典型產(chǎn)品使用方式NOR Flash并口NOR、SPI轉(zhuǎn)并口芯片異步/同步讀地址隨機(jī)訪問NAND Flash大容量NANDGPMC內(nèi)置ECC/BCH引擎配合軟件做壞塊管理SRAM/PSRAM外部擴(kuò)展內(nèi)存最標(biāo)準(zhǔn)的異步SRAM時序FPGA/CPLDXilinx、Intel、紫光等把GPMC做成軟核外設(shè)的寄存器窗口最常見并行ADC/DAC高速AD/DA轉(zhuǎn)換器采樣數(shù)據(jù)可以直接被CPU信箱式讀取顯示控制器老式TFT LCD并口屏、LCD控制器利用GPMC作為顯示數(shù)據(jù)通道值得一提的是很多人以為GPMC只是拿來接NAND Flash的其實在工業(yè)控制和數(shù)據(jù)采集項目里GPMC接FPGA才是真正的重頭戲。FPGA內(nèi)部可以起一個SRAM接口的時序邏輯把采集到的數(shù)據(jù)放在一塊雙口RAM里CPU通過GPMC直接讀這塊RAM就完成了高帶寬的軟硬數(shù)據(jù)交換。后面要講的設(shè)備樹配置也主要以FPGA這個場景為例展開。2. 硬件設(shè)計先把引腳信號摸透再寫第一行代碼2.1 關(guān)鍵信號與連線原則GPMC的引腳非常多但如果把信號按功能分類其實很好記。地址總線GPMC_A[0:27]、數(shù)據(jù)總線GPMC_AD[0:15]這是最核心的兩組線。然后是控制信號nCS片選、nWE寫使能、nOE讀使能、nADV地址有效、nBE0/nBE1字節(jié)使能、WAIT等待信號。如果走同步burst模式還有一個GPMC_CLK時鐘輸出。連接層面的原則并不復(fù)雜片選信號nCS一個GPMC控制器最多支持8個片選CS0~CS7每個片選在地址空間中對應(yīng)一段獨(dú)立的窗口。接FPGA通常只用其中一個片選周圍的其它引腳可以保持懸空。nWE與nOE就是讀和寫的開關(guān)。外部設(shè)備必須根據(jù)這兩個引腳的時序來驅(qū)動數(shù)據(jù)總線。FPGA側(cè)要特別注意三態(tài)控制本設(shè)備沒被選中時數(shù)據(jù)引腳必須處于高阻態(tài)否則會跟別的設(shè)備打架。nADV地址有效很多老式NOR和SRAM都靠這個信號鎖存地址。它在外設(shè)接口上不是必需的但對某些器件來說沒有nADV就沒辦法正常操作。WAIT信號這是GPMC的“剎車”機(jī)制。外部設(shè)備覺得處理不過來時可以拉低WAIT讓總線周期自動延長。做FPGA連接時如果FPGA內(nèi)部RAM的響應(yīng)時間可能超過CPU配置的訪問周期建議一定要把WAIT用起來能省很多事。2.2 muxed和non-muxed選錯了就是災(zāi)難GPMC的地址和數(shù)據(jù)線有兩種組織形式這在TI的寄存器里叫MUXADDDATA位。non-muxed模式下地址線是地址線數(shù)據(jù)線是數(shù)據(jù)線兩組信號完全獨(dú)立硬件設(shè)計最簡單。而muxed模式下低16位地址和數(shù)據(jù)公用同一組AD[0:15]引腳訪問時先輸出地址再由nADV鎖存然后切換成數(shù)據(jù)通道。這種模式能省引腳但時序復(fù)雜、需要外部鎖存對FPGA內(nèi)部邏輯的要求也更高。在我見過的問題里最多的一種就是硬件工程師畫板子時按muxed方式連軟件配置卻按non-muxed方式初始化。結(jié)果表現(xiàn)為每次讀寫數(shù)據(jù)都錯位或者讀到的東西是地址信號和數(shù)據(jù)信號的混合體。排錯時如果不先確認(rèn)軟硬件模式是否一致會繞非常大的彎子。我的建議很簡單項目不是特別缺引腳就一律用non-muxed模式。16位數(shù)據(jù)總線加上足夠多的地址線已經(jīng)能覆蓋絕大多數(shù)場景。muxed模式省下的那十幾個引腳通常會以幾倍的調(diào)試成本還回來。2.3 電平、上拉、走線這些“低級問題”反而最致命GPMC的I/O電壓在不同平臺上有差異AM335x的GPMC引腳電平由對應(yīng)的VDDS電源域決定可能是1.8V也可能是3.3V。接FPGA時FPGA的Bank電壓必須跟GPMC電平匹配否則輕則讀不到數(shù)據(jù)重則電流倒灌損傷器件。數(shù)據(jù)總線浮空是另一個高頻問題。如果外部設(shè)備沒有被使能數(shù)據(jù)線既沒人驅(qū)動也沒人拉高讀回來的內(nèi)容就會是隨機(jī)電平反映在CPU眼里通常是一大片0xFF或者亂跳的數(shù)。解決方法是外加10k47k上拉電阻或者在FPGA內(nèi)部給數(shù)據(jù)IO配上弱上拉保證總線空閑時處于確定電平。PCB走線上不要大意。GPMC雖然不像DDR那樣嚴(yán)格但高速同步模式下地址線和數(shù)據(jù)線之間最好做等長處理至少不要出現(xiàn)某些線長了十幾厘米、某些線短到貼芯片這種極端不均衡的情況。地平面要連續(xù)別讓數(shù)據(jù)總線跨越分割線。異步模式可以寬松一些同步burst跑到100MHz時信號完整性就變得相當(dāng)重要了。真到了調(diào)不出來的時候先拿示波器看波形再回來審視板子設(shè)計往往比死磕代碼更快。3. 時序才是GPMC的靈魂寄存器與設(shè)備樹參數(shù)逐項拆解3.1 從一個具體讀周期看GPMC在干什么GPMC的整個動作過程可以描述成一條嚴(yán)格的時間軸。以一次典型的異步讀為例地址和片選先有效。CPU發(fā)出訪問請求后GPMC把目標(biāo)地址放到地址總線上同時拉低對應(yīng)的nCS宣告“我要訪問掛在片選上的設(shè)備了”。nADV信號產(chǎn)生一個脈沖告訴外部設(shè)備“地址已經(jīng)準(zhǔn)備好”。對SRAM這類自帶鎖存的設(shè)備來說這個沿就是鎖存地址的時刻。nOE拉低讀使能生效。外部設(shè)備檢測到nOE有效后把目標(biāo)地址的數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)總線上。等待一段固定的時間由access-ns等參數(shù)控制GPMC在某個采樣點(diǎn)把數(shù)據(jù)總線上的值鎖存進(jìn)內(nèi)部寄存器。nOE拉高nCS釋放一個讀周期結(jié)束。這個過程看起來很直觀但每個動作前后的延遲都有對應(yīng)的可配置參數(shù)。嵌入式工程師做得最多的就是根據(jù)外部設(shè)備的數(shù)據(jù)手冊把這些“時間坐標(biāo)”一個一個填進(jìn)GPMC的時序寄存器。設(shè)備樹方式只是把寄存器換算成了更好讀的納秒單位。3.2 設(shè)備樹時序?qū)傩灾饌€說清楚在Linux設(shè)備樹里GPMC子節(jié)點(diǎn)的時序參數(shù)全部以gpmc,開頭后綴為納秒。下面這張表是我在實際項目里最常用的一組設(shè)備樹屬性作用參考設(shè)置原則gpmc,cs-on-ns片選信號建立時間一般設(shè)0片選和地址同時有效gpmc,cs-rd-off-ns讀周期片選釋放時間不能小于讀寫周期的外部響應(yīng)需求gpmc,cs-wr-off-ns寫周期片選釋放時間同上gpmc,adv-on-ns地址有效信號建立時間一般設(shè)0或很小gpmc,adv-rd-off-ns讀周期地址有效釋放時間留足地址保持時間gpmc,adv-wr-off-ns寫周期地址有效釋放時間同上gpmc,oe-on-ns讀使能拉低時間地址穩(wěn)定后再拉OEgpmc,oe-off-ns讀使能釋放時間保證OE低電平脈沖寬度gpmc,we-on-ns寫使能拉低時間地址穩(wěn)定后再拉WEgpmc,we-off-ns寫使能釋放時間保證WE低電平脈沖寬度gpmc,rd-cycle-ns讀周期總時間必須大于所有讀時序需求之和要留余量gpmc,wr-cycle-ns寫周期總時間同上寫周期同理gpmc,access-ns數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)時間決定GPMC在哪一刻采集數(shù)據(jù)總線最關(guān)鍵gpmc,page-burst-access-ns頁/突發(fā)模式下每次額外訪問時間只有burst模式用到需要注意不同內(nèi)核版本對屬性的命名略有差異比如有些版本用gpmc,xxx-off-ns有些地方用ti,min-access-time-ns做輔助限制。以你手頭內(nèi)核Documentation里的omap-gpmc.txt為準(zhǔn)。但概念是共通的你要理解的是“這個參數(shù)決定哪個信號在哪個時刻動作”而不是死記某一個字符串。3.3 手把手計算一組可用的時序參數(shù)假設(shè)FPGA側(cè)的數(shù)據(jù)手冊給了下面這組要求片選有效后地址穩(wěn)定地址建立時間最小10ns讀使能nOE有效后數(shù)據(jù)必須在60ns內(nèi)出現(xiàn)在總線上數(shù)據(jù)保持時間要求nOE釋放后5ns讀脈沖寬度OE低電平要求不低于40ns地址保持時間要求不低于5ns?，F(xiàn)在要配置GPMC的讀周期我會這樣計算片選CS和地址同時有效所以gpmc,cs-on-ns 0。地址穩(wěn)定需要10ns讀使能不要拉得太早所以gpmc,oe-on-ns 10。讀脈沖寬度要40ns那么在OE有效40ns后釋放gpmc,oe-off-ns 50。數(shù)據(jù)從OE有效開始最長60ns出現(xiàn)而OE在50ns處就釋放了GPMC如果也在50ns處采樣就太早了。這里需要把采樣點(diǎn)gpmc,access-ns放到數(shù)據(jù)手冊允許的極限附近也就是60ns附近。但為了安全我通常會把OE釋放時間再往后推一點(diǎn)比如gpmc,oe-off-ns 80這樣采樣點(diǎn)設(shè)在gpmc,access-ns 70既能保證數(shù)據(jù)到位又有余量。讀周期總時間必須大于CS釋放時間gpmc,rd-cycle-ns 100留出20%以上的余量。所以初版配置會是gpmc,cs-on-ns 0; gpmc,cs-rd-off-ns 90; gpmc,adv-on-ns 0; gpmc,adv-rd-off-ns 20; gpmc,oe-on-ns 10; gpmc,oe-off-ns 80; gpmc,access-ns 70; gpmc,rd-cycle-ns 100;寫周期也是同理只不過關(guān)注的是WE脈沖寬度和數(shù)據(jù)建立時間。最后再強(qiáng)調(diào)一句初版參數(shù)一定不要追求極限。先把所有時間放寬一倍讓系統(tǒng)跑起來確認(rèn)軟硬件邏輯全部正確之后再拿示波器一點(diǎn)一點(diǎn)壓縮。很多項目調(diào)不出來不是因為方案不行而是一上來就把總線時序壓到了芯片的臨界值。4. 實操把設(shè)備樹和驅(qū)動跑起來4.1 設(shè)備樹節(jié)點(diǎn)與pinctrl配置在Linux內(nèi)核里GPMC控制器本身是一個節(jié)點(diǎn)每個外部設(shè)備則是掛在它下面的子節(jié)點(diǎn)。拿AM335x舉個例子完整配置長這樣am33xx_pinmux { gpmc_pins: gpmc_pins { pinctrl-single,pins 0x30 0x38 /* GPMC_AD0 - MODE0, INPUT */ 0x34 0x38 /* GPMC_AD1 - MODE0, INPUT */ /* ... GPMC_AD2~AD15 同理 ... */ 0x78 0x28 /* GPMC_CSN0 - MODE0, OUTPUT */ 0x7c 0x28 /* GPMC_OEN_REN - MODE0, OUTPUT */ 0x80 0x28 /* GPMC_WEN - MODE0, OUTPUT */ 0x84 0x28 /* GPMC_ADVN_ALE - MODE0, OUTPUT */ ; }; }; gpmc { status okay; pinctrl-names default; pinctrl-0 gpmc_pins; /* CS0映射到CPU地址0x08000000范圍256MB */ ranges 0 0 0x08000000 0x10000000; fpga0,0 { compatible vendor,my-fpga; reg 0 0 0x10000; /* CS0偏移064KB空間 */ bank-width 2; /* 16位數(shù)據(jù)總線 */ gpmc,cs-on-ns 0; gpmc,cs-rd-off-ns 100; gpmc,cs-wr-off-ns 100; gpmc,adv-on-ns 0; gpmc,adv-rd-off-ns 30; gpmc,adv-wr-off-ns 30; gpmc,oe-on-ns 10; gpmc,oe-off-ns 80; gpmc,we-on-ns 10; gpmc,we-off-ns 80; gpmc,rd-cycle-ns 110; gpmc,wr-cycle-ns 110; gpmc,access-ns 80; gpmc,page-burst-access-ns 30; }; };這里ranges的意思是子節(jié)點(diǎn)訪問地址0x0時父總線看到的是0x08000000映射范圍0x10000000即256MB。FPGA子節(jié)點(diǎn)只在CS0窗口內(nèi)占64KB空間reg 0 0 0x10000的三個字段分別是片選號、片選內(nèi)偏移、空間長度。pinctrl的引腳偏移量每個平臺各不相同我給的0x30這類數(shù)值只是示意。實際做板子時必須對照對應(yīng)芯片的TRM翻出GPMC引腳的具體Pad配置然后再填寫。AM335x上GPMC相關(guān)引腳默認(rèn)就是模式0但有些引腳的上下拉和輸入輸出方向需要手動設(shè)置好否則信號根本出不來。4.2 不寫驅(qū)動先devmem驗證硬件通路驅(qū)動開發(fā)最忌諱的就是一上來就寫大段代碼然后出了問題不知道是設(shè)備樹錯了、引腳配置錯了還是驅(qū)動邏輯錯了。正確做法是先用devmem工具把整條通路打通。開發(fā)板正常啟動進(jìn)入Linux后執(zhí)行下面的命令# 讀CS0首地址的16位數(shù)據(jù) devmem 0x08000000 16 # 向CS0首地址寫入0x55AA devmem 0x08000000 16 0x55AA # 再讀回來驗證 devmem 0x08000000 16 # 連續(xù)讀幾個不同偏移驗證地址譯碼 devmem 0x08000010 16 devmem 0x08000020 16驗證的時候有幾點(diǎn)要注意剛上電時讀0x08000000如果讀回0xFFFF且后續(xù)一直不變大概率是數(shù)據(jù)總線浮空或者CS沒有正確映射。寫入0x55AA后再讀回0x55AA只能說明讀寫通路正常。想驗證16根數(shù)據(jù)線是否全部連通建議寫0xAAAA、0x5555、0xF0F0這類交替方波數(shù)據(jù)。如果有某一位固定懸空讀回來的值會出現(xiàn)明顯的位模式異常。地址線是否連對可以間隔寫入不同偏移然后讀回確認(rèn)FPGA側(cè)抓到的地址和CPU發(fā)出去的一致。devmem讀不到數(shù)據(jù)不要急著去懷疑驅(qū)動先用示波器掛在nCS和nOE引腳上看波形。一個正常的訪問周期應(yīng)該能觸發(fā)一次明確的片選和讀使能脈沖。如果CPU執(zhí)行了讀命令示波器上卻沒有任何波形那就是設(shè)備樹映射或引腳復(fù)用配置的問題如果波形有但數(shù)據(jù)不對再回頭檢查FPGA時序。4.3 一個最小字符設(shè)備驅(qū)動模板devmem驗證通過后基本可以確定硬件側(cè)沒大問題了。接下來就可以寫正式的驅(qū)動。下面是我常用的一個最簡單模板直接通過platform_driver匹配設(shè)備樹中的FPGA節(jié)點(diǎn)#include linux/module.h #include linux/platform_device.h #include linux/io.h #include linux/of.h #include linux/of_address.h struct fpga_dev { void __iomem *base; }; static int fpga_probe(struct platform_device *pdev) { struct resource *res; struct fpga_dev *priv; priv devm_kzalloc(pdev-dev, sizeof(*priv), GFP_KERNEL); if (!priv) return -ENOMEM; res platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0); priv-base devm_ioremap_resource(pdev-dev, res); if (IS_ERR(priv-base)) return PTR_ERR(priv-base); dev_info(pdev-dev, GPMC FPGA base: %pa\n, res-start); /* 測試讀寫 */ writew(0x55AA, priv-base 0x00); dev_info(pdev-dev, read back: 0x%04x\n, readw(priv-base 0x00)); platform_set_drvdata(pdev, priv); return 0; } static const struct of_device_id fpga_of_match[] { { .compatible vendor,my-fpga }, { } }; MODULE_DEVICE_TABLE(of, fpga_of_match); static struct platform_driver fpga_driver { .probe fpga_probe, .driver { .name my-fpga, .of_match_table fpga_of_match, }, }; module_platform_driver(fpga_driver); MODULE_LICENSE(GPL);這里有幾個容易踩的坑第一platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0)拿到的資源對應(yīng)的是設(shè)備樹里reg屬性聲明的地址區(qū)間。所以reg描述的范圍一定要和FPGA實際占用的寄存器窗口一致。第二訪問GPMC映射后的地址一定要用readw、writew、readl、writel這一組訪問函數(shù)而不是直接解引用volatile指針。ioremap提供的內(nèi)存通常是strongly-ordered映射直接服用沒問題但用訪問函數(shù)能在不同ARM平臺上獲得更好的移植性和緩存一致性保障。第三讀寫時序上GPMC總線不存在cache一致性問題因為這塊地址是外設(shè)內(nèi)存映射不走CPU的DMA一致性協(xié)議。但如果后面引入了DMA傳輸就要用dma_alloc_coherent或dma_map_single來管理緩沖區(qū)不能直接把kmalloc的內(nèi)存丟給DMA。4.4 從異步到同步burst的提速思路異步模式下GPMC的帶寬再高也有上限因為每個周期都在等OE/WE的脈沖序列走完。想進(jìn)一步提速就要上同步burst模式。這時候GPMC輸出一個GPMC_CLK時鐘外設(shè)按照這個時鐘邊沿連續(xù)輸出或接收多個數(shù)據(jù)一次總線訪問就能搬運(yùn)一大塊數(shù)據(jù)。設(shè)備樹中開啟同步burst需要在子節(jié)點(diǎn)增加gpmc,sync-clk-ps等屬性把同步時鐘周期配好同時把gpmc,rd-cycle-ns等異步參數(shù)朝著burst時序方向調(diào)整。FPGA側(cè)的改動也不小需要實現(xiàn)一個簡單的狀態(tài)機(jī)外部地址在nADV階段被鎖存之后每來一個時鐘沿FPGA內(nèi)部地址自增一次同時把數(shù)據(jù)放到總線或從總線采走。我的經(jīng)驗是burst提速放在最后做。先把異步模式全部調(diào)通數(shù)據(jù)讀回穩(wěn)定然后才引入同步時鐘一次只改動一個變量。這樣就算崩了也能快速定位是時鐘相位問題、burst長度配置問題還是FPGA狀態(tài)機(jī)bug。很多團(tuán)隊把異步和burst一起改出了錯根本無從下手。5. 踩坑記錄與排查技巧5.1 讀回0xFF先查硬件再查軟件GPMC調(diào)試中讀回0xFF占掉了我至少三分之一的時間。這個錯誤看似簡單背后原因卻五花八門。最常見的原因是數(shù)據(jù)總線浮空。外部設(shè)備沒有被片選選中或者FPGA內(nèi)部邏輯還沒起來總線上的引腳全部處于高阻態(tài)上拉電阻把電平拉高讀回來自然就是0xFF。排查方法是拿萬用表量GPMC_AD引腳的電平如果全是高電平說明總線空轉(zhuǎn)下一步要查CS信號有沒有確實拉低。第二個高發(fā)原因是設(shè)備樹里片選窗口配置錯誤。子節(jié)點(diǎn)的reg和父節(jié)點(diǎn)的ranges對應(yīng)不上CPU訪問的地址根本沒映射到GPMC的CS上。這時候訪問地址時示波器上看不到任何CS脈沖讀操作實際訪問的是一段空洞內(nèi)存。還有一個容易被忽略的坑是FPGA側(cè)的片選譯碼。FPGA內(nèi)部如果只做了部分地址譯碼或者把CS0和CS1的窗口共用了也會出現(xiàn)某些偏移讀回固定值的情況。遇到這種問題我的做法是寫一個循環(huán)把CS0窗口內(nèi)前幾KB每個地址都讀一遍打印出數(shù)據(jù)分布。如果是全0xFF基本就是總線層問題如果有些地址有反應(yīng)、有些沒有那就是地址譯碼問題。5.2 偶發(fā)錯值與時序余量有一個項目讓我印象特別深。板子正常起來后讀FPGA里的寄存器90%的時候值都是對的但偶爾會冒出一次錯誤數(shù)據(jù)。最初的排錯方向全錯了懷疑FPGA邏輯bug懷疑數(shù)據(jù)線受干擾甚至懷疑電源紋波。最后拿示波器對比波形才發(fā)現(xiàn)問題純屬時序余量不足。當(dāng)時的gpmc,rd-cycle-ns配置成了80ns表面上看FPGA數(shù)據(jù)手冊寫的最大讀取時間是60ns80ns應(yīng)該夠。但實際電路里存在PCB走線延遲、FPGA內(nèi)部組合邏輯延遲、芯片溫度漂移所有因素疊加起來80ns就變得非常緊張。某個溫度點(diǎn)或者電壓波動稍微大一點(diǎn)數(shù)據(jù)到達(dá)GPMC采樣點(diǎn)的時刻就晚了那么幾納秒于是偶發(fā)錯值就出現(xiàn)了。解決方案很簡單把gpmc,rd-cycle-ns放寬到130nsgpmc,access-ns也同步后移。整條總線速度雖然降了但系統(tǒng)穩(wěn)定了。后來做性能優(yōu)化時才一檔一檔往回壓每壓一檔就做長時間加壓測試。這里有個經(jīng)驗只要發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)偶發(fā)錯誤第一反應(yīng)應(yīng)該是放寬時序而不是去懷疑芯片壞了或者代碼邏輯錯了?？偩€時序是物理信號偶發(fā)錯誤絕大多數(shù)是建立時間或保持時間不夠。5.3 muxed模式的幾個翻車點(diǎn)上面提過muxed模式容易踩坑這里展開說幾個具體的翻車現(xiàn)場。第一個是地址鎖存時機(jī)不對。muxed模式下低16位地址在總線訪問最開始就出現(xiàn)在AD[0:15]上需要外部設(shè)備在合適的邊沿鎖存這個地址。如果FPGA側(cè)把鎖存邊沿選錯了比如用了nADV上升沿而GPMC實際下降沿才撤走地址鎖存到的地址就會歪掉。排查時可以固定寫幾個不同的地址偏移讀數(shù)據(jù)看看地址錯亂有沒有規(guī)律性。如果偏移0x00和0x01的數(shù)據(jù)一樣、0x02和0x03一樣那多半是LM位對不齊。第二個是總線方向切換。muxed模式里AD線既要輸出地址又要傳輸數(shù)據(jù)中間存在方向切換。如果切換間隙沒有留足時間地址線剛撤走馬上被外部設(shè)備驅(qū)動數(shù)據(jù)兩條驅(qū)動源就會短暫碰撞造成電流尖峰和邏輯混亂。GPMC內(nèi)部有bus turnaround機(jī)制但設(shè)備樹參數(shù)里要留好這個間隔比如在地址有效撤銷后、數(shù)據(jù)采樣前留出足夠的緩沖區(qū)。第三個是軟件和硬件模式不匹配。這個最無解因為代碼看起來完全正常讀數(shù)據(jù)卻怎么都不對。調(diào)試時先確認(rèn)設(shè)備樹里有沒有顯式配置muxed模式再看原理圖上的接線方式。GPMC寄存器里MUXADDDATA位和原理圖不一致一切分析都白搭。我的習(xí)慣是硬件設(shè)計評審時就把這個問題當(dāng)面和硬件工程師確認(rèn)好寫成會議紀(jì)要避免后面互相扯皮。5.4 當(dāng)FPGA工程師和驅(qū)動工程師互相對峙時做GPMC聯(lián)調(diào)最經(jīng)典的場面就是FPGA工程師和驅(qū)動工程師互相對峙。驅(qū)動工程師拿著設(shè)備樹配置說“我這邊時序都是按手冊寫的沒問題?！盕PGA工程師拿著邏輯分析儀抓到的波形說“你看這個OE的下降沿和數(shù)據(jù)變化幾乎同時肯定是你驅(qū)動配置不對?！边@種事我經(jīng)歷了幾輪后總結(jié)出一個順手的流程第一步先確認(rèn)過去的是否是“同一張波形圖”。GPMC時序參數(shù)以納秒為單位兩邊最好坐在一起把示波器的波形截圖放大到同一時間尺度把每個事件打上標(biāo)簽比如“CS有效”對應(yīng)時鐘t0“OE有效”對應(yīng)t1“數(shù)據(jù)出現(xiàn)”對應(yīng)t2“GPMC采樣點(diǎn)”對應(yīng)t3。一張圖把所有時間坐標(biāo)列出來矛盾立即清晰。第二步把驅(qū)動實際的配置參數(shù)打印出來而不是看代碼里寫了什么。代碼里的值可能被內(nèi)核、bootloader或者pinctrl影響實際生效的可能不一樣。在fpga_probe里把讀回的GPMC_CONFIG寄存器全部打印出來和期望值對比一眼就能看出問題。第三步做一個“最小驗證用例”。比如先讓驅(qū)動只讀固定地址一個寄存器讓FPGA側(cè)只在那個地址上輸出固定常量0x5A5A。如果這樣都能讀錯那說明總線物理層和時序問題如果固定地址讀對了但隨機(jī)地址會錯那就是地址譯碼或bus turnaround問題。一個最小用例可以把聯(lián)調(diào)問題快速隔離。5.5 調(diào)試速查表把上面所有問題收斂成一張表掛在工位上非常管用現(xiàn)象可能原因排查方向讀回數(shù)據(jù)全是0xFF數(shù)據(jù)總線浮空、外部設(shè)備未使能量AD引腳電平查nCS是否拉低查上拉電阻讀回數(shù)據(jù)全是0x00數(shù)據(jù)線被強(qiáng)下拉或FPGA輸出驅(qū)動能力不夠查FPGA IO驅(qū)動強(qiáng)度、OE方向、外部下拉讀/寫偶發(fā)出錯時序余量不足、電源波動、信號質(zhì)量差放寬rd-cycle/wr-cycle觀察波形找臨界點(diǎn)寫入后讀回不變WE脈沖過窄、FPGA內(nèi)部鎖存沿不對加寬WE低電平時間核對FPGA握手邊沿地址錯亂muxed/non-muxed模式不匹配、地址鎖存沿錯誤核對原理圖與寄存器配置固定地址讀常量訪問時系統(tǒng)卡死地址映射越界、訪問了不存在的窗口嚴(yán)格檢查ranges和reg避免空洞訪問同一地址有時對有時錯總線仲裁/方向切換未留間隔加大bus turnaround檢查FPGA三態(tài)控制與FPGA握手失敗WAIT信號沒接或沒配置啟用WAIT監(jiān)控降低同步時鐘關(guān)于調(diào)試習(xí)慣最后說兩句在GPMC上栽過跟頭之后我養(yǎng)成了兩個習(xí)慣。第一調(diào)GPMC一定先架好邏輯分析儀或者示波器再動代碼不要憑感覺調(diào)參。第二調(diào)試初期所有時序全部放寬等全鏈路通了再一點(diǎn)一點(diǎn)壓。尤其是第一次做GPMC接FPGA的新項目先保證系統(tǒng)可靠再談性能永遠(yuǎn)比一開始就追求極限參數(shù)靠譜得多。TI的GPMC手冊內(nèi)容龐雜但核心就是那么幾個時間點(diǎn)把這些時間點(diǎn)吃透剩下的事情都會順利很多。