ARM+FPGA低成本通信方案！輕松實(shí)現(xiàn)GPMC并口“小數(shù)據(jù)-低時(shí)延，大數(shù)據(jù)-高帶寬”

GPMC并口簡(jiǎn)介

GPMC(General Purpose Memory Controller)是TI處理器特有的通用存儲(chǔ)器控制器接口，支持8/16bit數(shù)據(jù)位寬，支持128MB訪問(wèn)空間，最高時(shí)鐘速率133MHz。GPMC是AM62x、AM64x、AM437x、AM335x、AM57x等處理器專(zhuān)用于與外部存儲(chǔ)器設(shè)備的接口，如：(1)FPGA器件(2)ADC器件(3)SRAM內(nèi)存(4)NOR/NAND閃存
圖 1 GPMC功能框圖

GPMC并口3大特點(diǎn)

（1）小數(shù)據(jù)-低時(shí)延
在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域中，如工業(yè)PLC、驅(qū)控一體控制器、運(yùn)動(dòng)控制器、CNC數(shù)控主板、繼電保護(hù)設(shè)備、小電流接地選線等，極其注重精確性與快速性，GPMC并口“小數(shù)據(jù)-低時(shí)延”的特點(diǎn)顯得格外耀眼，能夠很好地提高數(shù)據(jù)傳輸效率，降低傳輸成本。
（2）大數(shù)據(jù)-高帶寬大數(shù)據(jù)時(shí)代對(duì)能源電力領(lǐng)域的數(shù)據(jù)量傳輸、數(shù)據(jù)處理等方面提出了更高的要求。GPMC提供了最大的靈活性，以支持四個(gè)可配置片選中不同的時(shí)序參數(shù)和位寬配置。可根據(jù)外部設(shè)備的特點(diǎn)，使用最佳的片選設(shè)置?？赏ㄟ^(guò)配置GPMC接口的時(shí)序參數(shù)和不同工作模式，最大速率可超過(guò)100MB/s。因此，GPMC“大數(shù)據(jù)-高帶寬”的特點(diǎn)在能源電力領(lǐng)域扮演著重要角色。
（3）低成本-低功耗“低成本、低功耗、高性能”是如今智能設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)，GPMC并口相對(duì)于PCIe串行接口，成本更低、功耗更低。兩者都為常用的通信接口，均可滿足高速通信要求，但在與FPGA通信的時(shí)候，用戶往往更喜歡選用GPMC并口，因?yàn)椋?、使用低成本FPGA即可實(shí)現(xiàn)高速通信，而具備PCIe接口的FPGA成本則成倍增長(zhǎng)。2、具備PCIe接口的FPGA功耗往往較大，而低成本FPGA功耗較小。一般而言，低功耗器件的使用壽命也將更長(zhǎng)。

AM62x基于GPMC的ARM+FPGA通信方案

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基于CPU直接訪問(wèn)方式

以AM62x為例，通過(guò)GPMC接口與FPGA連接，采用CPU直接訪問(wèn)方式讀取FPGA端的數(shù)據(jù)，寫(xiě)速度可達(dá)15.501MB/s，讀速度可達(dá)5.744MB/s。

此方式適合“小數(shù)據(jù)-低時(shí)延”場(chǎng)合。
圖 2 CPU直接訪問(wèn)方式測(cè)試結(jié)果
程序流程說(shuō)明：(1)ARM端通過(guò)GPMC總線將數(shù)據(jù)寫(xiě)入FPGA BRAM；(2)ARM端通過(guò)GPMC總線從FPGA BRAM讀取數(shù)據(jù)；(3)判斷寫(xiě)入與讀取數(shù)據(jù)的正確性，并計(jì)算讀寫(xiě)速率。
基于UDMA訪問(wèn)方式以AM62x為例，通過(guò)GPMC接口與FPGA連接，采用UDMA的方式讀取FPGA端的數(shù)據(jù)，寫(xiě)速度可達(dá)73.90MB/s，讀速度可達(dá)77.47MB/s，實(shí)際上通過(guò)配置GPMC接口的時(shí)序參數(shù)和不同工作模式，最大速率可超過(guò)100MB/s。
此方式適合“大數(shù)據(jù)-高帶寬”場(chǎng)合。
圖 3 UDMA訪問(wèn)方式測(cè)試結(jié)果
備注：由于測(cè)試受線材限制影響，因此測(cè)得誤碼率會(huì)過(guò)高。

程序流程說(shuō)明

ARM端：(1) 采用UDMA方式；(2)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入至dma_memcpy驅(qū)動(dòng)申請(qǐng)的連續(xù)內(nèi)存空間（位于DDR）；(3)配置UDMA，如源地址、目標(biāo)地址、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小等；(4)寫(xiě)操作：通過(guò)ioctl函數(shù)啟動(dòng)UDMA，通過(guò)GPMC總線將數(shù)據(jù)搬運(yùn)至FPGA BRAM；(5)程序接收驅(qū)動(dòng)上報(bào)input事件后，將通過(guò)ioctl函數(shù)獲取UDMA搬運(yùn)數(shù)據(jù)耗時(shí)，并計(jì)算UDMA傳輸速率（即寫(xiě)速率）；(6)讀操作：通過(guò)ioctl函數(shù)啟動(dòng)UDMA，通過(guò)GPMC總線將FPGA BRAM中的數(shù)據(jù)搬運(yùn)至dma_memcpy驅(qū)動(dòng)申請(qǐng)的連續(xù)內(nèi)存空間；(7)程序接收驅(qū)動(dòng)上報(bào)input事件后，將數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間讀取至用戶空間，然后校驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)ioctl函數(shù)獲取UDMA搬運(yùn)數(shù)據(jù)耗時(shí)，并計(jì)算UDMA傳輸速率（即讀速率）。
FPGA端：(1)根據(jù)ARM端GPMC時(shí)序解析數(shù)據(jù)，對(duì)FPGA內(nèi)部BRAM資源進(jìn)行訪問(wèn)。BRAM的地址位寬為10bit，數(shù)據(jù)位寬為16bit，內(nèi)存空間大小為2KByte(1024 x 16bit)。
圖 4 程序流程圖

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