原创 【博客大赛】【小梅哥FPGA】Cyclone V SoC 中为HPS添加SPI控制器并使用 ... ... ... ...

    关于如何在Cyclone V SoC FPGA系统中为HPS添加一个SPI外设，这个实验我已经进行了有相当长的一段时间了，但直到今日方才有所突破，顺利的完成了SPI控制器的添加，驱动加载和基本测试。主要是因为自己对Linux方面知之甚少。

  这里先简要介绍自己的操作过程，然后说明自己遇到的问题，再记录自己解决问题的方法。

  在一个现成的Qsys系统中，例如友晶的DE1-SoC开发板的DE1_SOC_Linux_FB工程，打开Qsys，在Qsys系统中添加一个SPI外设，设定想要的SCLK时钟频率，例如这里设置为2M，实际上得到的应该是1.92M。将其salve端口连接到h2f_lw_axi_master上。导出相应的管脚，添加到Quartus的顶层文件中。

  这里需要将SPI的四个信号作为顶层管脚导出。实际使用时我并未分配实际的管脚，因为这仅仅算是我盲目探索过程，所以没有做完整的系统。但是测试时候是需要验证的，怎么办呢，这里我使用Signaltap直接抓取这几个引脚的信号，通过查看引脚的波形就能大致判断是否能正确的使用该SPI核了。例如我最终抓取到的测试波形如下图所示。当然了，这是后话，成功之后才能看到这个波形的，之前一直是不识别SPI设备，也就无法编程控制了。

  添加好SPI控制器之后需要全编译Quartus工程，并生成dts和dtb文件，dts文件是设备树，是用来供Linux读取硬件信息并对应加载设备驱动的，dtb文件是dts编译之后的二进制格式。这里我直接在SOCEDS command shell中将路径切换到工程目录下，输入make dts来生成dts文件，然后输入make dtb命令来生成dtb文件。

  生成dts的时候很顺利，没有遇到什么困难，但是在生成dtb的时候，遇到了如下报错：

  提示dts文件中有错误，pll_stream这个节点不存在。这个IP我知道，是生成一个时钟供FrameReader读取数据的，其并没有连接到HPS的总线上，也不需要受HPS控制，因此这个地方即使有错误也不会影响系统正常的运行。因此，参考提示信息说的方法，使用该-f参数来强制输出dtb文件。命令为：dtc -I dts -fo soc_system.dtb soc_system.dts。这样就能够正确的生成dtb文件了。

  生成dtb文件后，将其重命名为socfpga.dtb，并拷贝到开发板的启动SD卡中。

  然后将工程编译得到的sof文件转换得到rbf文件，命名为soc_system.rbf，也拷贝到开发板的启动SD卡中。这个rbf文件就是包含了有spi控制器的soc系统的FPGA部分的配置数据。该数据会在HPS启动的时候配置到FPGA中。

  以上只是完成了第一步，接下来，要想Linux系统能够自动的加载SPI驱动，需要配置Linux内核以使能该SPI控制器的驱动编译。

  使能之后，保存配置并编译得到内核镜像文件zImage文件。将zImage同样拷贝到开发板的启动SD卡中。

  这样，从理论上来说，为HPS添加SPI控制器和驱动支持的工作就算是完成了，接下来只需要将SD卡插入SOC开发板中，上电启动，芯片就会自动引导加载，并运行Linux操作系统，通过dtb读取到支持的SPI控制器，并识别到HPS总线上挂载的altera SPI控制器，为其注册驱动。然后当Linux系统启动完成后，就可以在/dev下看到spi设备了。

  但是实际上，当我按照这个流程操作之后，确实在系统启动的打印信息中看到了SPI控制器已经被识别，如下所示：

  但是在Linux的/dev路径下，却死活找不到SPI设备。网友帮忙分析说是设备确实已经识别了，但是可能dts中缺少一些描述信息，没能匹配上驱动信息，因此没有成功的加载驱动，创建设备。

  正当自己想破脑袋也不知道怎么办时，网友发过来一个连接，是一个博主的博客，为表尊重，这里附上其博文链接。https://blog.csdn.net/u013625961/article/details/56282731

  在这个博文里，有这样一段话：

以下为博客原文：

修改device tree的描述

spi_0: spi@0x100000100 {

    compatible = "altr,spi-16.1", "altr,spi-1.0";

    reg = <0x00000001 0x00000100 0x00000020>;

    interrupt-parent = <&hps_0_arm_gic_0>;

    interrupts = <0 43 4>;

    clocks = <&clk_0>;

    #address-cells = <1>;   /* embeddedsw.dts.params.#address-cells type NUMBER */

    #size-cells = <0>;  /* embeddedsw.dts.params.#size-cells type NUMBER */

    bus-num = <0>;  /* embeddedsw.dts.params.bus-num type NUMBER */

    num-chipselect = <1>;   /* embeddedsw.dts.params.num-chipselect type NUMBER */

    status = "okay";    /* embeddedsw.dts.params.status type STRING */

    spidev0: spidev@0 {

        compatible = "rohm,dh2228fv";   /* appended from boardinfo */

        reg = <0>;  /* appended from boardinfo */

        spi-max-frequency = <1000000>;  /* appended from boardinfo */

    }; //end spidev@0 (spidev1)

}; //end spi@0x100000100 (spi_0)

其中#address-cells = <1>;#size-cells = <0>; 两行必须用。

spi-max-frequency = <1000000>; 这个信息在设备注册时必须使用，否则会导致注册不成功。1000000 clock frequency要符合。

博客原文结束。

  意思是需要我们手动修改dts文件的内容，既然要手动修改，我就对自动生成的dts文件的内容和这个修改后的内容的差别产生了兴趣，于是打开自动生成的dts文件中的内容进行对比，对比如下所示：

  左侧的是博主的修改后的内容，而右侧的是SoC EDS软件自动生成的dts文件，可以看到，自动生成的内容里缺少了很多信息。

  既然这样，就先按照博主的说明，将这部分原本没有的内容手动添加进自动生成的dts文件的相应位置，然后使用该dts重新编译得到dtb文件，并替换掉SD卡中的dtb文件。然后重新启动开发板。

  只是在添加这部分内容的时候，同样也遇到了一点小插曲，我最开始是直接将这部分内容复制粘贴到我的dts文件中的。然后编译时会报如下错误：

ERROR (duplicate_label): Duplicate label 'spidev0' on /sopc@0/spi@0xfff00000/spidev@0 and /sopc@0/bridge@0xc0000000/spi@0x1000100e0/spidev@0

  意思是说有两个spidev@0设备，冲突了。好吧，那是哪里冲突了呢？在dts文件中尝试以spidev@0作为关键词搜索，发现文件中有两个地方涉及到了spidev@0，第一处是我刚刚添加的地方，第二处在HPS中，是HPS中的硬核SPI控制器。如下图所示：

  既然这样，那就自己手动将SPI_0下面的spidev0节点修改巍峨spidev1，保存后再次执行编译dtb操作，就能够成功的生成dtb文件了，将新的dtb文件拷贝到sd卡中替换之前的dtb文件。然后重启开发板，当系统启动之后，在/dev路径下就能看到一个名为spidev32766.0的设备了，编写一个简单的C语言测试程序，对该设备执行简单的读写测试，程序源码如下所示：

  然后拷贝到系统中执行，通过signaltap抓取SPI信号线上的波形，确实能够看到标准的SPI传输过程。

  至此，终于完成了SPI控制器的添加和使用，困扰我一个多月的问题总算是解决了。（PS：我这一个月可不是因为这个问题卡住了别的啥事都不干哈，只是因为遇到困难，每天事情又太多，就暂时搁置了。）

附：今天看到前两天写的一篇博文被网友评论了，对方应该是个专家，所以指出了我文章中存在的很多问题，说的很有道理，一瞬间感觉自己挺“白”的，挺打击积极性的，虽然话说的很难听，不过还是很感谢他，让我意识到了自己的很多不足，由于他提出的问题确实值得深思，所以我暂时将文章删除了，待日后好好学习论证之后，补充完善了再发吧。虽然写了两三年博客，遇到过各种评论，很多评论也挺打击积极性的，不过心态还是要好，坚持写作，不断的提升自己。