基于IMX6Q+TSI721的RapidIO硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張銳

為了使ARM架構(gòu)的CPU能通過(guò)PCIE總線(xiàn)連接到RapidIO系統(tǒng)中，利用NXP公司的IMX6Q處理器PCIE接口和RapidIO橋芯片Tsi721的硬件特性，在Linux操作系統(tǒng)下開(kāi)發(fā)該芯片的驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)了PCIE總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和RapidIO總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫對(duì)接。通過(guò)實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證了工作的正確性。

RapidIO總線(xiàn)是當(dāng)前廣泛應(yīng)用的一種嵌入式系統(tǒng)內(nèi)部互聯(lián)架構(gòu)，具有高帶寬、低延遲，支持多處理器等特征，比千兆以太網(wǎng)提供更高的傳輸速率，比PCIE更適合組建平行通信網(wǎng)絡(luò)。本設(shè)計(jì)采用了FREESCALE公司的i.MX6Q芯片作為核心CPU，它是基于ARMCortex-A9架構(gòu)，40nm工藝制程，最高運(yùn)行頻率可達(dá)1.2GHz，具備PCIE2.0接口，可以進(jìn)行功能擴(kuò)展，憑借IMX6Q的此功能，選擇美國(guó)IDT公司生產(chǎn)的PCIE轉(zhuǎn)RapidIO橋接芯片Tsi721與之無(wú)縫對(duì)接，來(lái)實(shí)現(xiàn)RapidIO總線(xiàn)功能。為將SerialRapidIO總線(xiàn)更好地應(yīng)用到ARM處理器系統(tǒng)中，本文提出了一種基于IMX6Q+TSI721的解決方案。

RapidIO協(xié)議架構(gòu)

RapidIO是一個(gè)開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)，宗旨是為嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)可靠的、高性能、基于包交換的互連技術(shù)。主要用于系統(tǒng)內(nèi)部互連，支持芯片到芯片、板到板間的通信。為了滿(mǎn)足靈活性和可擴(kuò)展性的要求，RapidIO分為3個(gè)層次：邏輯層、傳輸層及物理層。如圖1所示。

CPU硬件設(shè)計(jì)

ARM嵌入式Rapidio通信平臺(tái)硬件由IMX6Q+TSI721芯片組成，IMX6Q集成1路PCIE接口，外接TSI721橋接芯片，擴(kuò)展Rapidio總線(xiàn)接口，外接DDR3存儲(chǔ)器。其中FLASH用于存儲(chǔ)Bootloader、操作系統(tǒng)內(nèi)核、文件系統(tǒng)，在IMX6Q內(nèi)運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，Linux操作系統(tǒng)集成協(xié)議棧，通過(guò)BSP與硬件進(jìn)行通信，圖2是硬件平臺(tái)架構(gòu)示意圖。

IMX6Q電源設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)辦卡的功率大概在5W左右，為了留出充足的余量，使用5V2A的適配器。CPU的供電電壓分為核電壓和IO電壓，并且要求核心電壓的上電時(shí)間要早于IO電壓，綜合考慮到CPU的用電量和用電余量，采用RT8074GSP和MP2143DJ兩種DCDC芯片原理如圖3和圖4所示。

當(dāng)核心電壓上電完成后，控制電壓VDDHIGH_CAP打開(kāi)P溝道MOS管AO3415A實(shí)現(xiàn)IO的供電從而滿(mǎn)足上電順序的要求。

TSI721硬件設(shè)計(jì)

Tsi721可提供8個(gè)直接內(nèi)存存取DMA和4個(gè)信息引擎/通道，每個(gè)通道都可實(shí)現(xiàn)16Gbps速度的數(shù)據(jù)傳輸，從而在多核多線(xiàn)程系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)內(nèi)核中多引擎任務(wù)的分配，最大程度簡(jiǎn)化了系統(tǒng)級(jí)軟件的開(kāi)發(fā)。TSI721的電路設(shè)計(jì)主要包括基本配置電路設(shè)計(jì)、時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)、SRIO接口設(shè)計(jì)、PCIE接口設(shè)計(jì)與電源設(shè)計(jì)。Tsi721的基本配置電路主要包括JTAG接口、I2C接口、復(fù)位信號(hào)與GPIO狀態(tài)配置。JTAG信號(hào)引腳均懸空。Tsi721的GPIO除了具有普通GPIO的功能之外，還要用于初始化配置。GPIO[12：0]信號(hào)在復(fù)位信號(hào)使能后的4000個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，是作為初始化配置使用的，在初始化完成之后這些GPIO引腳可以用于普通GPIO功能。表1是Tsi721的初始化配置引腳電平。

TSI721時(shí)鐘設(shè)計(jì)

Tsi721有2種時(shí)鐘模式，一種是PCIECommonClock模式（CLKMOD=1），即PCI-E端口與SRIO端口的參考時(shí)鐘頻率可以不相同，另一種模式是PCIENon-commonClock（CLKMOD=0），這種模式下PCCLK與REFCLK要使用相同的時(shí)鐘頻率。設(shè)計(jì)中采用PCIECommonClock模式，這時(shí)Tsi721的兩路時(shí)鐘采用不同的時(shí)鐘頻率，PCI-E參考時(shí)鐘PCCLK使用PCIe的UPStram端口提供的100MHz時(shí)鐘信號(hào)。另一個(gè)是SRIO參考時(shí)鐘REFCLK，時(shí)鐘頻率為156.25MHz，通過(guò)本地LVDS晶振提供，時(shí)鐘信號(hào)采用交流耦合輸入，如圖6所示。

Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

Linux源碼編譯

Linux內(nèi)核集成的RapidIO子系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)包括全局層、總線(xiàn)層和設(shè)備層共3層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于維護(hù)管理RapidIO網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的枚舉、地址分配、路由表建立、節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)入網(wǎng)出網(wǎng)等。內(nèi)核把Tsi721芯片虛擬為一個(gè)以太網(wǎng)設(shè)備，驅(qū)動(dòng)通過(guò)RapidIO的message機(jī)制通信。將Tsi721芯片實(shí)現(xiàn)的RapidIO節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)成為一個(gè)字符設(shè)備，對(duì)應(yīng)用層提供字符設(shè)備的讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)方式，驅(qū)動(dòng)采用全局共享存儲(chǔ)器的方式實(shí)現(xiàn)Nwrite命令和Nread命令。Tsi721橋芯片驅(qū)動(dòng)由PCIE設(shè)備驅(qū)動(dòng)Tsi721及RapidIO子系統(tǒng)配置及字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)部分組成，驅(qū)動(dòng)源碼修改之后，接下來(lái)的工作就是編譯工作，大概分三大部分：

（1）編譯bootloader

先將u-boot源碼拷貝到PC的ubuntu系統(tǒng)的根目錄（實(shí)際操作可以拷貝到任意目錄下）下，然后使用命令解壓命令。解壓之后配置u-boot，編譯u-boot。編譯結(jié)束后，會(huì)生成一個(gè)u-boot.bin的鏡像。這個(gè)文件可以通過(guò)USBOTG下載到板卡上。

（2）編譯linux內(nèi)核

先將修改過(guò)的linux內(nèi)核源碼拷貝到PC的ubuntu系統(tǒng)的根目錄（實(shí)際操作可以拷貝到任意目錄下）下，然后使用命令解壓命令。解壓之后配置，編譯。編譯結(jié)束后，錄下會(huì)得到一個(gè)名字uImage的鏡像，這個(gè)文件可以通過(guò)USBOTG下載到板卡上。

（3）Linux文件系統(tǒng)制作

按照不同的文件系統(tǒng)格式，再Linux系統(tǒng)下進(jìn)行開(kāi)發(fā)，制作成自己需要的文件系統(tǒng)，通過(guò)USBOTG下載到板卡上。

Tsi721的設(shè)備驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

PCIE總線(xiàn)是一種即插即用的總線(xiàn)，在Linux內(nèi)核的支持下，當(dāng)探測(cè)到設(shè)備以后能夠確定其總線(xiàn)號(hào)設(shè)備號(hào)和功能號(hào)，然后自動(dòng)地為設(shè)備分配所需要的IO端口內(nèi)存資源和中斷號(hào)如圖3所示，驅(qū)動(dòng)作為模塊加載以后，tsi721_probe函數(shù)先根據(jù)Tsi721芯片的設(shè)備標(biāo)識(shí)DeviceID（0x80A）和供應(yīng)商標(biāo)識(shí)VendorID（0x111D）遍歷內(nèi)核中PCIE設(shè)備鏈表，一一進(jìn)行匹配匹配之后，從pci_device結(jié)構(gòu)中獲取內(nèi)核分配給Tsi721芯片設(shè)備的資源然后，調(diào)用函數(shù)pci_enable_device把Tsi721配置空間的Command域的bit0和bit1置成1，從而達(dá)到開(kāi)啟該P(yáng)CIE設(shè)備的目的，再調(diào)用函數(shù)pci_request_regions通知內(nèi)核該設(shè)備對(duì)應(yīng)的IO端口和內(nèi)存資源已經(jīng)使用其他的PCIE設(shè)備不能再使用這個(gè)區(qū)域調(diào)用pci_ioremap_bar把剛剛申請(qǐng)到得物理內(nèi)存映射成為虛擬內(nèi)存以供驅(qū)動(dòng)訪(fǎng)問(wèn)再根據(jù)分配的中斷號(hào)調(diào)用函數(shù)reques_irq掛載中斷服務(wù)程序，中斷服務(wù)程序處理BDMA中斷doorbell中斷和message中斷等課題主要是在IMX6Q硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上，基于Linux系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的Tsi721橋芯片驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)了IO通信的主要功能。IMX6Q模塊通過(guò)PCI-Express轉(zhuǎn)SRIO橋連接至SRIO交換芯片上，使得CPU模塊成為系統(tǒng)內(nèi)部的一個(gè)SRIO通信節(jié)點(diǎn)，可以直接實(shí)現(xiàn)底層軟件的監(jiān)控與系統(tǒng)管理與動(dòng)態(tài)配置功能，系統(tǒng)具有完善的底層監(jiān)控與系統(tǒng)管理功能，以及動(dòng)態(tài)重構(gòu)的計(jì)算資源與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可以滿(mǎn)足多種應(yīng)用領(lǐng)域與應(yīng)用場(chǎng)景的需求。