Zynq 7000. Тестирование счётчика импульсов07.12.2021 21:01

После небольшого (нет) перерыва в изучении Zynq и очередного прочтения своей предыдущей статьи, я отметил для себя очень важный момент — практически не отражено никаких результатов тестирования полученного поделия, кроме базовой проверки работоспособности. Во время подготовки материала для предыдущей статьи — я конечно же все проверял перед публикацией, что всё работает как надо (на первый взгляд), но из-за получившегося объема статьи вся информация о процессе проверки осталась за кадром. Именно поэтому я решил сделать отдельную статью, в которой я расскажу о том, как я проверил, то, что результат, достигнутый в предыдущей статье, соответствует (полностью или частично) заявленным требованиям. Много интересного выяснилось по ходу тестирования, я вам скажу…

Всем интересующимся — добро пожаловать под кат!  

Набор требований

Перед началом любого тестирования, в самую первую очередь, ВСЕГДА формируется набор требований к тестируемой системе. С подробного описание этих самых требований я и начну свой рассказ. 

Итак, напомню, что за задача стояла перед нами:  

1. Нужно организовать внутри ПЛИС набор счетчиков, которые будут считать импульсы с частотой до 2МГц;

2. Счетчики должны быть включаемыми\выключаемыми;

3. Счетчики должны быть сбрасываемыми;

4. Для включения, выключения и сброса счетчиков должны быть отдельные регистры управления;

5. Счетчики должны работать независимо друг от друга и синхронно;

6. Управление и считывание данных из счетчиков должно быть доступно из PS или Linux;

7. Счетчики должны считать точное количество импульсов (допустимое отклонение 1–2 импульса).

Исходя из постановки задачи можно составить целый набор тестов для проверки:

Подготовка

После формирования данного набора тестовых кейсов нам необходимо подготовить тестовое оборудование для стенда и определиться с тем, в каких условиях будет работать наша отладочная плата

В первую очередь позаботимся о тестовых приборах. Для всех тестовых кейсов нам будет достаточно иметь простой генератор сигналов UNI-T UTG9002C, в моем личном арсенале есть такой. Вторым прибором для тестов будет отладочная плата с FPGA на базе Altera Cyclone IV EP4CE6E22C8N. 

Тестирование будем проводить из загруженной операционной системы Linux. На ней мы будем запускать программы, которые будет отправлять команды в PL и забирать текущие значения из счётчиков.

Что ж, теперь можно перейти непосредственно к тестированию. 

Тестовый кейс №1

Суть: проверить, что если подать один импульс, то будет прибавлена единица в счётчике.

Самый простой вариант, который кажется наиболее разумным — это использовать простую кнопку с антидребезгом и подключить ее к входным ножкам. После этого включить программу которая будет показывать значения счётчиков.

Программа:

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define BRAM_CTRL_0 0x40000000
#define DATA_LEN    6

int fd;
unsigned int *map_base;
int sigintHandler(int sig_num)
{
     printf("\n Terminating using Ctrl+C \n");
     fflush(stdout);
     close(fd);
     munmap(map_base, DATA_LEN);
     return 0;
}

int main(int argc, char *argv)
{
     signal(SIGINT, sigintHandler);
     fd = open("/dev/mem", O_RDWR | O_SYNC);
     if (fd < 0) 
     {
          printf("can not open /dev/mem \n");
          return (-1);
     }   

     printf("/dev/mem is open \n");
     map_base = mmap(NULL, DATA_LEN * 4, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, BRAM_CTRL_0);

     if (map_base == 0)
     {
          printf("NULL pointer\n");
     }
     else
     {
          printf("mmap successful\n");
     }   

     unsigned long addr;
     unsigned int content;
     int i = 0;
  
     /* Записываем включение всех счётчиков: 0b111 в регистр EN */
     addr = (unsigned long)(map_base + 1);
     content = 0x7;
     map_base[1] = content;
     printf("%2dth data, address: 0x%lx data_write: 0x%x\t\t\n", i, addr, content);

     /* Отправляем команду на запись в ENA */
     addr = (unsigned long)(map_base + 0);
     content = 0x1;
     map_base[0] = content;
     printf("%2dth data, address: 0x%lx data_write: 0x%x\t\t\n", i, addr, content);

     /* Записываем отключение сброса всех счётчиков: 0b111 в регистр RST */
     addr = (unsigned long)(map_base + 2);
     content = 0x0;
     map_base[2] = content;
     printf("%2dth data, address: 0x%lx data_write: 0x%x\t\t\n", i, addr, content);

     /* Отправляем команду на запись в RST */
     addr = (unsigned long)(map_base + 0);
     content = 0x2;
     map_base[0] = content;
     printf("%2dth data, address: 0x%lx data_write: 0x%x\t\t\n", i, addr, content);
 
     /* Записываем отключение сброса всех счётчиков: 0b111 в регистр RST */
     addr = (unsigned long)(map_base + 2);
     content = 0x7;
     map_base[2] = content;
     printf("%2dth data, address: 0x%lx data_write: 0x%x\t\t\n", i, addr, content);

     /* Отправляем команду на запись в RST */
     addr = (unsigned long)(map_base + 0);
     content = 0x2;
     map_base[0] = content;
     printf("%2dth data, address: 0x%lx data_write: 0x%x\t\t\n", i, addr, content);

     while(1)
     {
          addr = (unsigned long)(map_base + 0);
          content = 0x3;
          map_base[0] = content;
          printf("%2dth data, address: 0x%lx data_write: 0x%x\t\t\n", i, addr, content);

          usleep(115210);

          system("clear");
          printf("\nread data from bram\n");
          for (i = 0; i < DATA_LEN; i++)
          {
               addr = (unsigned long)(map_base + i);
               content = map_base[i];
               printf("%2dth data, address: 0x%lx data_read: 0x%x\t\t\n", i, addr, content);
          }   
     }
}

Компилировать программу будем через make, это можно достаточно просто — нужно сделать Makefile со следующим содержимым:

CC=arm-linux-gnueabihf-gcc
CFLAGS ?= -O2 -static
objects = counter_mgmt.o 
CHECKFLAGS = -Wall -Wuninitialized -Wundef
override CFLAGS := $(CHECKFLAGS) $(CFLAGS)
progs = counter_mgmt
counter_mgmt: $(objects)
    $(CC) $(CFLAGS) -o $@ $(objects) 
clean:
    rm -f $(progs) $(objects)
    $(MAKE) -C clean
.PHONY: clean 

После сохраним файлы программы и Makefile в одну папку и скомпилируем исполняемый файл. 

# make clean
# make

После можно программу спокойно скинуть по SSH сразу на устройство. Узнаем IP-адрес нашей отладки, предварительно подключив Ethernet-кабель из роутера в плату. И с использованием команды scp передаем файл на заранее смонтированную флешку, чтобы после возможной перезагрузки ничего не потерялось:

# mount /dev/mmcblk0p1 /media
# cd /media 
# # ifconfig 
eth0      Link encap:Ethernet  HWaddr 9E:CF:62:72:A1:72
          inet addr:192.168.1.62  Bcast:192.168.1.255  Mask:255.255.255.0
          inet6 addr: fe80::b53b:e1d2:3dec:10cb/64 Scope:Link
          UP BROADCAST RUNNING MULTICAST  MTU:1500  Metric:1
          RX packets:1891 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:1046 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:1000 
          RX bytes:2263311 (2.1 MiB)  TX bytes:87430 (85.3 KiB)
          Interrupt:33 Base address:0xb000 

lo        Link encap:Local Loopback  
          inet addr:127.0.0.1  Mask:255.0.0.0
          inet6 addr: ::1/128 Scope:Host
          UP LOOPBACK RUNNING  MTU:65536  Metric:1
          RX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:1000 
          RX bytes:0 (0.0 B)  TX bytes:0 (0.0 B)

# scp megalloid@192.168.1.121:/home/megalloid//Zynq/Projects/10.LinuxMulticounte
r/Application/counter_mgmt .

megalloid@192.168.1.121's password: 
counter_mgmt 
100%  418KB 418.0KB/s   00:00    

# ls -lsa
total 22792
     4 drwxr-xr-x    2 root     root          4096 Jan  1 00:00 .
     0 drwxr-xr-x   17 root     root           400 Jul 12  2021 ..
  4972 -rwxr-xr-x    1 root     root       5088700 Aug 15  2021 BOOT.bin
   420 -rwxr-xr-x    1 root     root        428072 Jan  1  1980 counter_mgmt
    12 -rwxr-xr-x    1 root     root          9730 Jan  1  1980 devicetree.dtb
  8932 -rwxr-xr-x    1 root     root       9143989 Aug 15  2021 sdcard
  4376 -rwxr-xr-x    1 root     root       4478280 Jul 13  2021 uImage
   128 -rwxr-xr-x    1 root     root        131072 Jan  1  1980 uboot.env
  3948 -rwxr-xr-x    1 root     root       4040441 Jul 12  2021 uramdisk.image.gz

Видим, что у нас рядом с загрузочными файлами появился файл counter_mgmt. На всякий случай дадим ему права на исполнение:

# chmod +x ./counter_mgmt

Проверка:  

1. Запускаем программу ./counter_mgmt

2. Будет пройдена инициализация управления счётчиками внутри ПЛИС и счётчики будут сброшены.

3. Запускаем программу и с помощью кнопки подаем единичное нажатие.

4. Каждый из трех счётчиков независимо прибавляет свое значение с 0 на 1. 

5. Для уверенности можно повторить несколько раз, перезапуская программу.

Результат: работает! =)

Тестовый кейс №2

Суть: счетчики не должны воспринимать импульсы частотой выше чем ~ 2МГц.

Программа: будет использоваться из предыдущего кейса

Проверка:  

В этом кейсе нам понадобится генератор сигналов, о котором я говорил в начале статьи. Мы подключи к первому счетчику генератор импульсов и выставим частоту генерации меандра на 1.9МГц и постепенно будем повышать частоту.  

Перед подключением конечно же надо проверить сигнал по амплитуде и частоте, чтобы не подать что-нибудь не то. Выставляем 3В амплитуду и частоту 1.9МГц.

Запускаем программу и смотрим, что наши счётчики показывают нули. После подключим генератор и увидим, что счётчик нарастает с бешеной скоростью :)

Повышаем частоту до тех пор, пока счет не прекратится. В моем случае, даже на максимальной частоте 2.5МГц счёт не прекратился. Значит нужно повысить разрядность в модуле debouncer.v

Результат: ограничение частоты в МГц не работает из-за слишком малой разрядности модуля антизвона. Повышение разрядности снизит верхний порог проходной частоты. Есть еще что доработать. 

Тестовый кейс №3 и №8

Суть: Счетчики должны вести независимый счет. С помощью подготовленной платы с FPGA подадим три параллельных потока установленного числа импульсов и заодно проверим точность счета по кейсу номер 9. 

Программа:  

1. Составим программу для платы A-C4E6E10 с чипом Altera EP4CE6E22C8N. Которая будет генерировать указанное количество каждой ножкой в параллельном режиме.

2. Для просмотра значений на плате с Zynq воспользуемся сделанной программой в прошлом шаге.

Проверка:  

В первую очередь нужно подготовить код, который позволит сгенерировать другой FPGA-отладкой нужное нам количество импульсов:

module gen_pulse(
	(* chip_pin = "23" *) input clk_i,
	(* chip_pin = "91" *) input rst_i,
	(* chip_pin = "87" *) input cnt_bnt,
	(* chip_pin = "30" *) output pulse1,
	(* chip_pin = "28" *) output pulse2,
	(* chip_pin = "31" *) output pulse3
);
			
	wire div_clock;
	
	reg [31:0] counter_1;
	reg [31:0] counter_2;
	reg [31:0] counter_3;
	
	reg out_pulse1;
	reg out_pulse2;
	reg out_pulse3;
	
	localparam IDLE = 4'd1;
	localparam GEN = 4'd2;
	localparam RST = 4'd3;
	
	localparam CH1_COUNT = 10240;
	localparam CH2_COUNT = 20480;
	localparam CH3_COUNT = 40960;
	
	reg [3:0] state = IDLE;
	
	divider div_10(.clk_i(clk_i), .clk_out(div_clock));
	
	always @(negedge rst_i or posedge clk_i)
	begin
	
		if(~rst_i)
			begin
				state = IDLE;
			end
		else
			begin
				if(cnt_bnt == 0)
				begin
					state = GEN;
				end
				
				if(cnt_bnt == 1)
				begin
					state = RST;
				end
			end
		end
	
	always @(posedge div_clock)
	begin
	
		case(state)  
		
			IDLE: begin	
				counter_1 = 0;
				counter_2 = 0;
				counter_3 = 0;
			end
				
			GEN: begin
				
				if(counter_1 >= (CH1_COUNT * 2) - 1)
					begin
						out_pulse1 <= 0;
					end
				else
					begin
						counter_1 <= counter_1 + 1;
						out_pulse1 <= ~out_pulse1;
					end					
					
				if(counter_2 >= (CH2_COUNT * 2) - 1)
					begin
						out_pulse2 <= 0;
					end
				else
					begin
						counter_2 <= counter_2 + 1;
						out_pulse2 <= ~out_pulse2;
					end
					
					
				if(counter_3 >= (CH3_COUNT * 2) - 1)
					begin
						out_pulse3 <= 0;
					end
				else
					begin
						counter_3 <= counter_3 + 1;
						out_pulse3 <= ~out_pulse3;
					end
					
			end
				
			RST: begin
				counter_1 = 0;
				counter_2 = 0;
				counter_3 = 0;
			end
		endcase
	end
	
	assign pulse1 = out_pulse1;
	assign pulse2 = out_pulse2;
	assign pulse3 = out_pulse3;
	
endmodule


module divider(
	input clk_i, 
	output clk_out
);
	
	localparam WIDTH = 64;
	localparam N = 10;
	
	reg [WIDTH - 1:0] r_reg;
	wire [WIDTH - 1:0] r_nxt;
	
	reg clk_track;
 
	always @(posedge clk_i)
	begin
		if (r_nxt == N)
			begin
				r_reg <= 0;
				clk_track <= ~clk_track;
			end
		else 
			r_reg <= r_nxt;
	end
	 
	assign r_nxt = r_reg+1;   	      
	assign clk_out = clk_track;
 
endmodule

Суть данного кода такова, что нажимая кнопку K4, которая подключена к пину P87 дополнительной FPGA-отладки будет запущена генерация 10240, 20480 и 40960 импульсов с каждой ножки соответственно. Необходимо удерживать кнопку до окончания счёта и не стоит забывать, что тут у нас отсутствует модуль антизвона и возможны артефакты при счете =)

Запускаем программу и нажимаем аппаратную кнопку для генерации указанного количества символов и видим…

Результат:  

До нажатия:

После нажатия:

Если переведем указанные нами значения из шестнадцатеричного значения в десятичный — получим ровно то, что и требовалось. Успех!

Тестовый кейс №4

Суть: Счетчики не должен реагировать на импульсы когда выключен. Проверить 

Программа:  

1. Для FPGA воспользуемся программой которая будет генерировать указанное количество каждой ножкой в параллельном режиме.

2. Для просмотра значений на плате с Zynq воспользуемся сделанной программой в предыдущих шагах с небольшим изменением — нужно подать на Enable счётчиков значение в 0 (переменная content). А именно внести эти изменения в программу и перекомпилировать:  

/* Записываем включение всех счётчиков: 0b000 в регистр EN */
addr = (unsigned long)(map_base + 1);
content = 0x0;

Проверка:

Заливаем вновь откомпилированную программу и запускаем ее, следом за этим запускаем генератор импульсов с FPGA-платы. Наблюдаем, что значения счетчиков не изменилось. 

Результат:  

После запуска программы и подачи импульсов видно, что все счётчики находятся в состоянии disabled и счёт не производится. Проверка пройдена.

Тестовый кейс №5

Суть: Управление счетчиками должно быть независимым

Программа:

1. Для FPGA воспользуемся программой которая будет генерировать указанное количество каждой ножкой в параллельном режиме.

2. Для просмотра значений на плате с Zynq воспользуемся сделанной программой в предыдущих шагах с небольшим изменением — нужно подать на Enable счётчиков значения из таблицы. А именно внести эти изменения в программу и перекомпилировать:  

/* Записываем включение всех счётчиков: <значение> в регистр EN */
addr = (unsigned long)(map_base + 1);
content = <значение>;

Таблица значений, с которыми предстоит проверка:

За раз скомпилируем и отправим на плату столько же вариантов программ сколько экспериментов нужно будет провести.

Проверка:

Результат:  

По непонятным причинам не работает история когда включен только первый счетчик. Надо разобраться. Остальные сценарии отрабатывают корректно.

Тестовый кейс №6 и №7

Суть: Счетчик должен быть сбрасываемым и независимо друг от друга

Программа:  

1. Для FPGA воспользуемся программой которая будет генерировать указанное количество каждой ножкой в параллельном режиме.

2. Для просмотра значений на плате с Zynq воспользуемся сделанной программой в предыдущих шагах с небольшим изменением — нужно подать на Reset счётчиков значения из таблицы. А именно внести эти изменения в программу и перекомпилировать:  

/* Записываем включение всех счётчиков: 0b111 в регистр EN */
addr = (unsigned long)(map_base + 1);
content = 0x7;

/* Записываем отключение сброса всех счётчиков: <значение> в регистр RST */
addr = (unsigned long)(map_base + 2);
content = <значение>;

По итогу получится, что в зависимости от того, где будет установлена 1 — там сброс не будет производиться. Таблица значений, с которыми предстоит проверка:

За раз скомпилируем и отправим на плату столько же вариантов программ сколько экспериментов нужно будет провести.

Проверка:

Результат:  

Все тесты в первом приближении работают так как положено. Но замечено то, что не всегда на старте сбрасываются значения в ноль у тех счётчиков, которые должны были быть сброшенными.

Заключение

Что ж, в ходе проверки выявлено несколько недостатков и не совсем корректного поведения при подаче соответствующих управляющих сигналов. Необходимо доработать и отдебажить эти моменты прежде чем пускать такую железку в «прод» : D 

Но цель этой статьи — протестировать, что я собственно и описал. Доработки останутся за кадром. Наверняка найдется ещё не один десяток различных кейсов, которые можно было бы проверить и посмотреть как ведет себя данная железка при разных воздействиях. Пишите в комментарии ваши варианты — если найдутся такие, что меня заинтересуют, можно будет сделать статью part.2 по тестированию. 

Спасибо за внимание!

P.S. Для тех, кто жаждет нового материала от меня — на данный момент есть в планах приделать WI-Fi модуль с чипом Realtek RTL8822CS через шину SDIO к данной плате. В будущем не хотелось бы привязываться к сетевому кабелю и и можно было бы работать по воздуху. Следите за моими публикациями.  

© Habrahabr.ru