[Из песочницы] Real-time BeagleBone: использование высокоскоростных выводов11.01.2017 20:33

Здравствуйте, уважаемые хабравчане! Давно уже являюсь читателем Хабра, но до сих пор не мог найти достойной темы для публикации. И вот, наконец, хорошенько прошерстив Хабр и GT, удивился отсутствию публикаций, посвященных программируемой подсистеме реального времени (PRU‐ICSS) линейки процессоров SitaraTM фирмы TI.

Наиболее популярной и доступной отладочной платой с процессором AM335x является так называемый «одноплатник» BeagleBone Black (White, Green). И именно наличие PRU делает BeagleBone наиболее предпочтительным для использования в hardware-проектах по сравнению с другими бюджетными одноплатниками типа *Pi. Кроме того, в некоторых случаях BBB-PRU может достаточно эффективно заменить связку ПК-МК-ПЛИС.

В данной статье приведен краткий обзор подсистемы PRU и режимов работы высокоскоростных портов ввода/вывода, рассмотрен пошаговый пример инициализации высокоскоростных портов вывода (Enhanced GPIO) и произведена оценка их производительности.

Введение

Аналогичные PRU решения, из числа популярных, мною найдены только для Intel Edison (кстати, tutorial на эту тему). Но при схожей цене Edison уступает по производительности и характеристикам.

ВАЖНО! Не все описанные далее режимы работы PRU и не в полном объеме возможно реализовать с помощью BeagleBone из-за физических ограничений топологии платы.

Значительная часть приведенных в публикации материалов является переводом, адаптацией, модификацией или комбинацией ресурсов, приведенных в полезных источниках в конце статьи.

Итак, что же представляет собой подсистема реального времени?

Обзор PRU‐ICSS

PRU является важным дополнением всей платформы BeagleBone, позволяющим обеспечивать поддержку для приложений с жесткими временными ограничениями. Но стоит отметить, что PRU не является аппаратным ускорителем, позволяющим повысить быстродействие Linux-приложений. На PRU можно возложить выполнение отдельных функций и задач, таких как реализация программных высокоскоростных протоколов передачи данных, в том числе и нестандартных, или цифровой обработки сигналов датчиков в режиме реально времени. Также можно просто реализовать дополнительную аппаратуру, например шестой UART ttyO6.

Архитектура PRU

Основным преимуществом PRU является короткое время доступа к локальным памяти и периферии. В тактах опорной частоты оно даже ниже, чем у подсистемы ARM. Более подробное описание задержек записи/чтения приведено здесь.

Подсистема PRU включает в себя следующие блоки:

• Два ядра PRU, каждое включает в себя:
  
  • 8KB памяти инструкций;
  • 8KB памяти данных;
  • Высокоскоростной интерфейс шины OCP для доступа к памяти и периферии ARM;
  • Порты ввода/вывода (eGPIO) с поддержкой асинхронного захвата и последовательного вывода;
  • Умножитель с возможностью накопления (MAC);
  
  
• Быстродействующая временная память (Scratchpad memory):
  
  • 3 блока, в каждом 30 32-битных регистров;
  • Прямой доступ обеспечивает возможность быстрой синхронизации между ядрами PRU;
  
  
• Один контроллер прерываний (INTC):
  
  • Прием до 64 внешних событий;
  • 10 каналов прерываний;
  • Аппаратная приоритизация событий;
  
  
• Один комплект периферии для промышленного Ethernet:
  
  • Один таймер с 10 событиями захвата и 8 сравнения;
  • Два сигнала синхронизации;
  • Два 16-битных сторожевых таймера;
  • Цифровые порты ввода/вывода;
  
  
• 12KB памяти общего назначения;
• Формирование 16 программных событий;
• Один двухпортовый модуль Ethernet MII;
• Один порт MDIO;
• Один приемопередатчик UART c тактовой частотой 192МГц;
• Один модуль захвата (ECAP);
• Поддержка гибкого управления питанием;

Теперь более подробно рассмотрим структуру быстродействующих портов ввода/вывода, что непосредственно является темой приведенного ниже урока и предметом исследования.

Управление портами ввода и вывода осуществляется с помощью регистров R31 и R30 соответствено. Примечательно, что регистр R31 также используется для формирования системных прерываний. Таким образом, запись в R31 генерирует прерывание, а чтение из регистра возвращает информацию о состоянии портов ввода (GPI) и контроллере прерываний (INTC).

Высокая скорость портов ввода/вывода обеспечивается прямым доступом PRU, в отличие от ядра ARM, у которого доступ к GPIO осуществляется через несколько уровней соединений.

Режимы работы GPIO

Порты ввода (GPI — R31) имеют 4 режима работы:

• Прямое включение:
  • Регистр PRU_DATAIN (pru_r31_status[16:0]) подключен напрямую к соответствующему PRU
  • Каждый PRU имеет независимые порты ввода, таким образом, их общее количество составляет 34;
  • Схема прямого включения GPI

    
  
  
• Параллельный захват 16-ти бит:
  • Регистр PRU_DATAIN (pru_r31_status[16:0]) захватывает данные по положительному или отрицательному фронту тактовой частоты, формируемой в регистре PRU_CLOCK (pru_r31_status[16]);
  • Схема параллельного захвата

    
  
  
• Сдвиговый 28-битный регистр ввода:
  • Регистр PRU_DATAIN (pru_r31_status[0]) осуществляет захват с последующим сдвигом;
  • Частота выборки определяется соответствующим значением предделителей в конфигурационном регистре CGF;
  • Схема сдвигового регистра

    
  
  
• Режим MII_RT:
  • Регистр mii_rt_r31_status [29:0] находится под управлением модуля MII_RT;

• Прямое включение:
  • Регистр PRU_DATAOUT (pru_r30[15:0]) подключен напрямую к соответствующему PRU
  • Каждый PRU имеет независимые порты вывода, таким образом, их общее количество составляет 32;
  • Схема прямого включения GPO

    
  
  
• Сдвиговый регистр вывода:
  • Регистр PRU_DATAOUT (pru_r30[0]) осуществляет вывод с последующим сдвигом по положительному фронту тактовой частоты, формируемой в регистре PRU_CLOCK (pru_r30[1]);
  • Частота выборки определяется соответствующим значением предделителей в конфигурационном регистре CGF;
  • В данном режиме реализуется двойная буферизация с помощью 16-битных теневых регистров gpo_sh0 и gpo_sh1;
  • Каждый теневой регистр имеет независимый сигнал управления загрузкой pru_r30[29:30] (PRU_LOAD_GPO_SH [0:1]);
  • Выдача значений начинается после установки бита pru_r30[31](PRU_ENABLE_SHIFT) в 1;
  • Если не обновлять значения теневых регистров, то будет продолжаться циклическая выдача предустановленных значений;
  • Выдача значений прекращается после сброса бита pru_r30[31](PRU_ENABLE_SHIFT) в 0;
  • Схема сдвигового регистра

    

Разработка под PRU

1. Установить PRU‐ICSS package (если не предустановлено);
2. Создать описание дерева устройств используемой периферии и PRU, скомпилировать и загрузить его;
3. Написать программу для PRU (*.p) и скомпилировать ее (*.bin);
4. Написать программу загрузки и контроля исполнения (*.c) для программы PRU и скомпилировать ее;

Программный стек PRU‐ICSS package:

Таким образом, программа *.c под Linux с помощью функций библиотеки PRUSSDRV загружает исполнительный файл (*.bin) в PRU, создает общие области памяти, посылает и принимает прерывания.

Отдельно стоит упомянуть, что для PRU фирма TI выпустила отладчик prudebug и компилятор C.

Компактное и информативное описание набора инструкций можно найти здесь.

Области возможного применения

Примеры использования PRU-cape:

Установка PRU

Итак, экспериментировать буду на имеющейся плате Beaglebone Black ревизии A5C. Использую образ Linux bone-debian-7.8-lxde-4gb-armhf-2015–03–01–4gb.img.xz, загружаемый с внешней SD карточки памяти. Для доступа к BBB использую SSH PuTTY, для обмена файлами WinSCP.

root@beaglebone:~# uname -a
Linux beaglebone 3.8.13-bone70 #1 SMP Fri Jan 23 02:15:42 UTC 2015 armv7l GNU/Linux

root@beaglebone:~# modprobe uio_pruss

root@beaglebone:~# ls -a /usr/include | grep pruss
pruss_intc_mapping.h
prussdrv.h

root@beaglebone:~# ls -a /usr/lib | grep pruss
libprussdrv.a
libprussdrv.so
libprussdrvd.a
libprussdrvd.so

root@beaglebone:~# pasm
PRU Assembler Version 0.86
Copyright (C) 2005-2013 by Texas Instruments Inc.
Usage: pasm [-V#EBbcmLldz] [-Idir] [-Dname=value] [-Cname] InFile [OutFileBase]
...

root@beaglebone:~# lsmod | grep pru
uio_pruss               4066  0

echo "export SLOTS=/sys/devices/bone_capemgr.*/slots" >> ~/.profile
#echo "export SLOTS=/sys/devices/platform/bone_capemgr/slots" >> ~/.profile 	#для вресий ядра от 4
echo "export PINS=/sys/kernel/debug/pinctrl/44e10800.pinmux/pins" >> ~/.profile
echo "export PINGROUPS=/sys/kernel/debug/pinctrl/44e10800.pinmux/pingroups" >> ~/.profile
source .profile

Отключение HDMI/EMMC

Для используемого образа делается это достаточно просто — необходимо лишь раскомментровать нужную строчку в /boot/uEnv.txt. Поэтому редактируем его nano /boot/uEnv.txt, чтобы в итоге получилось так:

...
##Disable HDMI/eMMC
cape_disable=capemgr.disable_partno=BB-BONELT-HDMI,BB-BONELT-HDMIN,BB-BONE-EMMC-2G
...

GPIO: direct mode

Оптимальным примером демонстрации работы портов общего назначения PRU, по моему мнению, будет реализация функции программируемой аппаратной задержки по внешнему событию. Задержку будем передавать с помощью пользовательской программы под linux через общую область памяти. PRU непосредственно реализует аппаратную задержку и выводит ее значение, а именно младшие 14 бит, на доступные выводы.

Таким образом, вырисовывается следующий алгоритм программы:

1. Запускаем пользовательскую программу с указанием желаемой задержки в качестве аргумента;
2. Программа инициализирует PRU, передает значение задержки и запускает подпрограмму PRU;
3. Подпрограмма PRU ждет внешнего события (нажатия кнопки);
4. После обнаружения события отсчитывает заданную задержку;
5. Уведомляет пользовательскую программу о завершении посредством прерывания;
6. Пользовательская программа получает прерывание о завершении работы подпрограммы;
7. После чего деактивирует PRU и завершается сама;

Direct GPO device tree overlays

На основе примеров из github’а составил следующее описание дерева устройств:

/dts-v1/;
/plugin/;

/ {
   compatible = "ti,beaglebone", "ti,beaglebone-black";

   /* identification */
   part-number = "PRU_DGPO";
   version = "00A0";

   /* state the resources this cape uses */
   exclusive-use =
            /* PRU1 Direct Output */
            "P8.20", /* pru1: pr1_pru1_pru_r30_13 */
            "P8.21", /* pru1: pr1_pru1_pru_r30_12 */
            "P8.28", /* pru1: pr1_pru1_pru_r30_10 */
            "P8.27", /* pru1: pr1_pru1_pru_r30_8 */
            "P8.30", /* pru1: pr1_pru1_pru_r30_11 */
            "P8.29", /* pru1: pr1_pru1_pru_r30_9 */
            "P8.40", /* pru1: pr1_pru1_pru_r30_7 */
            "P8.39", /* pru1: pr1_pru1_pru_r30_6 */
            "P8.42", /* pru1: pr1_pru1_pru_r30_5 */
            "P8.41", /* pru1: pr1_pru1_pru_r30_4 */
            "P8.44", /* pru1: pr1_pru1_pru_r30_3 */
            "P8.43", /* pru1: pr1_pru1_pru_r30_2 */
            "P8.46", /* pru1: pr1_pru1_pru_r30_1 */
            "P8.45", /* pru1: pr1_pru1_pru_r30_0 */

            /* PRU1 Direct Input */
            "P9.26", /* pru1: pr1_pru1_pru_r31_16 */

            /* the hardware ip uses */
             "pru1";

   fragment@0 {
      target = <&am33xx_pinmux>;
      __overlay__ {

         pru_pru_pins: pinmux_pru_pru_pins {   // The PRU pin modes
            pinctrl-single,pins = <
                    0x084 0x0D   /* lcd_pclk.pr1_pru1_pru_r30_13, MODE5 | OUTPUT | PRU */
                    0x080 0x0D   /* lcd_pclk.pr1_pru1_pru_r30_12, MODE5 | OUTPUT | PRU */
                    0x0e8 0x0D   /* lcd_pclk.pr1_pru1_pru_r30_10, MODE5 | OUTPUT | PRU */
                    0x0e0 0x0D   /* lcd_vsync.pr1_pru1_pru_r30_8, MODE5 | OUTPUT | PRU */
                    0x0ec 0x0D   /* lcd_ac_bias_en.pr1_pru1_pru_r30_11, MODE5 | OUTPUT | PRU */
                    0x0e4 0x0D   /* lcd_hsync.pr1_pru1_pru_r30_9, MODE5 | OUTPUT | PRU */
                    0x0bc 0x0D   /* lcd_data7.pr1_pru1_pru_r30_7, MODE5 | OUTPUT | PRU */
                    0x0b8 0x0D   /* lcd_data6.pr1_pru1_pru_r30_6, MODE5 | OUTPUT | PRU */
                    0x0b4 0x0D   /* lcd_data5.pr1_pru1_pru_r30_5, MODE5 | OUTPUT | PRU */
                    0x0b0 0x0D   /* lcd_data4.pr1_pru1_pru_r30_4, MODE5 | OUTPUT | PRU */
                    0x0ac 0x0D   /* lcd_data3.pr1_pru1_pru_r30_3, MODE5 | OUTPUT | PRU */
                    0x0a8 0x0D   /* lcd_data2.pr1_pru1_pru_r30_2, MODE5 | OUTPUT | PRU */
                    0x0a4 0x0D   /* lcd_data1.pr1_pru1_pru_r30_1, MODE5 | OUTPUT | PRU */
                    0x0a0 0x0D   /* lcd_data0.pr1_pru1_pru_r30_0, MODE5 | OUTPUT | PRU */

                    0x180 0x36   /* uart1_rxd.pr1_pru1_pru_r31_16, MODE6 | INPUT | PRU */
            >;
         };
      };
   };

  fragment@1 {
    target = <&ocp>;
    __overlay__ {
      test_helper: helper {
        compatible = "bone-pinmux-helper";
        pinctrl-names = "default";
        pinctrl-0 = <&pru_pru_pins>;
        status = "okay";
      };
    };
  };

   fragment@2 {         // Enable the PRUSS
      target = <&pruss>;
      __overlay__ {
         status = "okay";
      };
   };
};

echo "Compiling the overlay from .dts to .dtbo"
dtc -O dtb -o PRU_DGPO-00A0.dtbo -b 0 -@ PRU_DGPO-00A0.dts

echo "Copy PRU_DGPO-00A0.dtbo to /lib/firmware"
cp PRU_DGPO-00A0.dtbo /lib/firmware

echo "Loading overlay:"
sh -c "echo 'PRU_DGPO' > $SLOTS"

root@beaglebone:~# dmesg | tail
[12566.485091] bone-capemgr bone_capemgr.9: slot #7: generic override
[12566.485149] bone-capemgr bone_capemgr.9: bone: Using override eeprom data at slot 7
[12566.485197] bone-capemgr bone_capemgr.9: slot #7: 'Override Board Name,00A0,Override Manuf,PRU_DGPO'
[12566.485506] bone-capemgr bone_capemgr.9: slot #7: Requesting part number/version based 'PRU_DGPO-00A0.dtbo
[12566.485554] bone-capemgr bone_capemgr.9: slot #7: Requesting firmware 'PRU_DGPO-00A0.dtbo' for board-name 'Override Board Name', version '00A0'
[12566.492347] bone-capemgr bone_capemgr.9: slot #7: dtbo 'PRU_DGPO-00A0.dtbo' loaded; converting to live tree
[12566.494050] bone-capemgr bone_capemgr.9: slot #7: #3 overlays
[12566.555682] bone-capemgr bone_capemgr.9: slot #7: Applied #3 overlays.

root@beaglebone:~# cat $SLOTS
 0: 54:PF---
 1: 55:PF---
 2: 56:PF---
 3: 57:PF---
 4: ff:P-O-- Bone-LT-eMMC-2G,00A0,Texas Instrument,BB-BONE-EMMC-2G
 5: ff:P-O-- Bone-Black-HDMI,00A0,Texas Instrument,BB-BONELT-HDMI
 6: ff:P-O-- Bone-Black-HDMIN,00A0,Texas Instrument,BB-BONELT-HDMIN
 7: ff:P-O-L Override Board Name,00A0,Override Manuf,PRU_DGPO

root@beaglebone:~# cat $PINS | grep 00d
pin 32 (44e10880) 0000000d pinctrl-single
pin 33 (44e10884) 0000000d pinctrl-single
pin 40 (44e108a0) 0000000d pinctrl-single
pin 41 (44e108a4) 0000000d pinctrl-single
pin 42 (44e108a8) 0000000d pinctrl-single
pin 43 (44e108ac) 0000000d pinctrl-single
pin 44 (44e108b0) 0000000d pinctrl-single
pin 45 (44e108b4) 0000000d pinctrl-single
pin 46 (44e108b8) 0000000d pinctrl-single
pin 47 (44e108bc) 0000000d pinctrl-single
pin 56 (44e108e0) 0000000d pinctrl-single
pin 57 (44e108e4) 0000000d pinctrl-single
pin 58 (44e108e8) 0000000d pinctrl-single
pin 59 (44e108ec) 0000000d pinctrl-single

root@beaglebone:~# cat $PINS | grep 036
pin 96 (44e10980) 00000036 pinctrl-single

Вообще древо устройств в Linux — это отдельная тема, которая требует глубокого рассмотрения. Интересующиеся могут начать знакомство с Device Tree здесь и здесь.

Пользовательская программа

• Инициализация PRU;
• Обмен данными с PRU через общую область памяти;
• Запуск подпрограммы PRU;
• Формирование и обработка прерываний и событий PRU;

#include 
#include 
#include 
#include 

#define PRU_NUM	1   // using PRU1 for these examples

int main (int argc, char* argv[])
{
   unsigned int ret;

   if(getuid()!=0){
      printf("You must run this program as root. Exiting.\n");
      exit(EXIT_FAILURE);
   }

   if(argc!=2) {
    printf("Usage is Parralel_output and integer number of delay \n");
    printf(" e. g. ./Parralel_output 100\n");
    return 2;
    }

   char *p;
   unsigned int cyc = (unsigned int) strtol(argv[1], &p, 10);
   printf("Delay for %d cycles\n", cyc);

   // Initialize structure used by prussdrv_pruintc_intc
   // PRUSS_INTC_INITDATA is found in pruss_intc_mapping.h
   tpruss_intc_initdata pruss_intc_initdata = PRUSS_INTC_INITDATA;

   // Allocate and initialize memory
   prussdrv_init ();
   ret = prussdrv_open(PRU_EVTOUT_0);
   if (ret)
   {
       printf("prussdrv_open open failed\n");
       return (ret);
   }

   // Map PRU's interrupts
   prussdrv_pruintc_init(&pruss_intc_initdata);

   // Write a number of cycles into PRU1 Data RAM0
   prussdrv_pru_write_memory(PRUSS0_PRU1_DATARAM , 0, &cyc, 4);

   // Load and execute the PRU program on the PRU
   prussdrv_exec_program (PRU_NUM, "./Parallel_output.bin");

   // Wait for event completion from PRU, returns the PRU_EVTOUT_0 number
   int n = prussdrv_pru_wait_event (PRU_EVTOUT_0);
   printf("PRU program completed, event number %d.\n", n);

   // Disable PRU and close memory mappings
   prussdrv_pru_disable(PRU_NUM);
   prussdrv_exit ();
   return EXIT_SUCCESS;
}

gcc Parallel_output.c -o Parallel_output -lpthread -lprussdrv

Подпрограмма PRU

Кроме описанного выше алгоритма добавим в подпрограмму еще несколько инструкций, чтобы оценить время их выполнения.

Parallel_output.p:

.origin 0                       // start of program in PRU memory
.entrypoint START               // program entry point (for a debugger)

#define PRU0_R31_VEC_VALID 32   // allows notification of program completion
#define PRU_EVTOUT_0    3       // the event number that is sent back

START:
        WBC r31.t16             // wait bit clear - i.e., button press
                                // Toggle 4 times Parallel output pins
        MOV     r30, 0xffff
        MOV     r30, 0x0000

        MOV     r30, 0xffff
        MOV     r30, 0x0000

        LBCO r30, C24, 0, 4     // load PRU1 Data RAM into r30 (use c24 const addr)

CYCLE:
        SUB     r30, r30, 1     // Decrement REG30 by 1 - i.e., parallel output current value on pins
        QBNE    CYCLE, r30, 0   // Loop to CYCLE, unless REG30=0

END:                            // notify the calling app that finished
        MOV     R31.b0, PRU0_R31_VEC_VALID | PRU_EVTOUT_0
        HALT                    // halt the pru program

pasm -b Parallel_output.p

Запуск PRU и оценка производительности

Фото системы в сборе

root@beaglebone:/home/debian/Desktop/Direct-GPO# ./Parallel_output 15
Delay for 15 cycles
PRU program completed, event number 1.

Для наглядности инструкции наложены на осциллограмму:

Как видно, время выполнения инструкции MOV в пределах погрешности, обусловленной разрешением логического анализатора — 2нс, и вполне вписывется в заявленные 5нс. Задействованы все 14 выводов и 1 ввод, как и запланировано.

Выполнение инструкции WBC — ожидание события — занимает ~25 нс, но это время постоянно и его не составит труда учесть при необходимости.

Далее приведены осциллограммы для разных значений аргументов, измерение задержки производится с помощью курсоров осциллографа.

Осциллограмма для задержки в 150 нс

root@beaglebone:~# ./Parallel_output 15

Осциллограмма для задержки в 15 мкс

root@beaglebone:~# ./Parallel_output 1500

Осциллограмма для задержки в 159,23 мкс

root@beaglebone:~# ./Parallel_output 15923

15923 — просто рандомное число, близкое к 2^14, чтобы задействовать все выводы. hex2dec('3E32') = 15922.

Итоги

Исходники можно найти здесь.

Полезные источники

• Непосредственно его сайт;
• Плейлист, посвященный BeagleBone;
• Сайт его книги по BB с примерами;
• Репозиторий;

→ Интересный сайт, посвященный применению BBB в CNC и не только.
→ Подключение интернет на BBB (раз, два и три).
→ Репозиторий device tree overlay для BB.

Комментарии (0)