ARM+FPGA低成本通信方案！轻松实现GPMC并口“小数据-低时延，大数据-高带宽”

发布人：xiaomaidashu 时间：2023-10-13 来源：工程师发布文章

GPMC并口简介

GPMC(General Purpose Memory Controller)是TI处理器特有的通用存储器控制器接口，支持8/16bit数据位宽，支持128MB访问空间，最高时钟速率133MHz。GPMC是AM62x、AM64x、AM437x、AM335x、AM57x等处理器专用于与外部存储器设备的接口，如：(1)FPGA器件(2)ADC器件(3)SRAM内存(4)NOR/NAND闪存

图 1 GPMC功能框图

GPMC并口3大特点

（1）小数据-低时延
在工业自动化控制领域中，如工业PLC、驱控一体控制器、运动控制器、CNC数控主板、继电保护设备、小电流接地选线等，极其注重精确性与快速性，GPMC并口“小数据-低时延”的特点显得格外耀眼，能够很好地提高数据传输效率，降低传输成本。
（2）大数据-高带宽大数据时代对能源电力领域的数据量传输、数据处理等方面提出了更高的要求。GPMC提供了最大的灵活性，以支持四个可配置片选中不同的时序参数和位宽配置。可根据外部设备的特点，使用最佳的片选设置。可通过配置GPMC接口的时序参数和不同工作模式，最大速率可超过100MB/s。因此，GPMC“大数据-高带宽”的特点在能源电力领域扮演着重要角色。
（3）低成本-低功耗“低成本、低功耗、高性能”是如今智能设备发展趋势，GPMC并口相对于PCIe串行接口，成本更低、功耗更低。两者都为常用的通信接口，均可满足高速通信要求，但在与FPGA通信的时候，用户往往更喜欢选用GPMC并口，因为：1、使用低成本FPGA即可实现高速通信，而具备PCIe接口的FPGA成本则成倍增长。2、具备PCIe接口的FPGA功耗往往较大，而低成本FPGA功耗较小。一般而言，低功耗器件的使用寿命也将更长。

AM62x基于GPMC的ARM+FPGA通信方案

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基于CPU直接访问方式

以AM62x为例，通过GPMC接口与FPGA连接，采用CPU直接访问方式读取FPGA端的数据，写速度可达15.501MB/s，读速度可达5.744MB/s。

此方式适合“小数据-低时延”场合。

图 2 CPU直接访问方式测试结果
程序流程说明：(1)ARM端通过GPMC总线将数据写入FPGA BRAM；(2)ARM端通过GPMC总线从FPGA BRAM读取数据；(3)判断写入与读取数据的正确性，并计算读写速率。
基于UDMA访问方式以AM62x为例，通过GPMC接口与FPGA连接，采用UDMA的方式读取FPGA端的数据，写速度可达73.90MB/s，读速度可达77.47MB/s，实际上通过配置GPMC接口的时序参数和不同工作模式，最大速率可超过100MB/s。
此方式适合“大数据-高带宽”场合。

图 3 UDMA访问方式测试结果
备注：由于测试受线材限制影响，因此测得误码率会过高。

程序流程说明

ARM端：(1) 采用UDMA方式；(2)将数据写入至dma_memcpy驱动申请的连续内存空间（位于DDR）；(3)配置UDMA，如源地址、目标地址、传输的数据大小等；(4)写操作：通过ioctl函数启动UDMA，通过GPMC总线将数据搬运至FPGA BRAM；(5)程序接收驱动上报input事件后，将通过ioctl函数获取UDMA搬运数据耗时，并计算UDMA传输速率（即写速率）；(6)读操作：通过ioctl函数启动UDMA，通过GPMC总线将FPGA BRAM中的数据搬运至dma_memcpy驱动申请的连续内存空间；(7)程序接收驱动上报input事件后，将数据从内核空间读取至用户空间，然后校验数据，同时通过ioctl函数获取UDMA搬运数据耗时，并计算UDMA传输速率（即读速率）。
FPGA端：(1)根据ARM端GPMC时序解析数据，对FPGA内部BRAM资源进行访问。BRAM的地址位宽为10bit，数据位宽为16bit，内存空间大小为2KByte(1024 x 16bit)。