ARM+FPGA低成本通信方案！輕松實現GPMC并口“小數據-低時延，大數據-高帶寬”

GPMC并口簡介

GPMC(General Purpose Memory Controller)是TI處理器特有的通用存儲器控制器接口，支持8/16bit數據位寬，支持128MB訪問空間，最高時鐘速率133MHz。GPMC是AM62x、AM64x、AM437x、AM335x、AM57x等處理器專用于與外部存儲器設備的接口，如：(1)FPGA器件(2)ADC器件(3)SRAM內存(4)NOR/NAND閃存
圖 1 GPMC功能框圖

GPMC并口3大特點

（1）小數據-低時延
在工業自動化控制領域中，如工業PLC、驅控一體控制器、運動控制器、CNC數控主板、繼電保護設備、小電流接地選線等，極其注重精確性與快速性，GPMC并口“小數據-低時延”的特點顯得格外耀眼，能夠很好地提高數據傳輸效率，降低傳輸成本。
（2）大數據-高帶寬大數據時代對能源電力領域的數據量傳輸、數據處理等方面提出了更高的要求。GPMC提供了最大的靈活性，以支持四個可配置片選中不同的時序參數和位寬配置。可根據外部設備的特點，使用最佳的片選設置。可通過配置GPMC接口的時序參數和不同工作模式，最大速率可超過100MB/s。因此，GPMC“大數據-高帶寬”的特點在能源電力領域扮演著重要角色。
（3）低成本-低功耗“低成本、低功耗、高性能”是如今智能設備發展趨勢，GPMC并口相對于PCIe串行接口，成本更低、功耗更低。兩者都為常用的通信接口，均可滿足高速通信要求，但在與FPGA通信的時候，用戶往往更喜歡選用GPMC并口，因為：1、使用低成本FPGA即可實現高速通信，而具備PCIe接口的FPGA成本則成倍增長。2、具備PCIe接口的FPGA功耗往往較大，而低成本FPGA功耗較小。一般而言，低功耗器件的使用壽命也將更長。

AM62x基于GPMC的ARM+FPGA通信方案

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基于CPU直接訪問方式

以AM62x為例，通過GPMC接口與FPGA連接，采用CPU直接訪問方式讀取FPGA端的數據，寫速度可達15.501MB/s，讀速度可達5.744MB/s。

此方式適合“小數據-低時延”場合。
圖 2 CPU直接訪問方式測試結果
程序流程說明：(1)ARM端通過GPMC總線將數據寫入FPGA BRAM；(2)ARM端通過GPMC總線從FPGA BRAM讀取數據；(3)判斷寫入與讀取數據的正確性，并計算讀寫速率。
基于UDMA訪問方式以AM62x為例，通過GPMC接口與FPGA連接，采用UDMA的方式讀取FPGA端的數據，寫速度可達73.90MB/s，讀速度可達77.47MB/s，實際上通過配置GPMC接口的時序參數和不同工作模式，最大速率可超過100MB/s。
此方式適合“大數據-高帶寬”場合。
圖 3 UDMA訪問方式測試結果
備注：由于測試受線材限制影響，因此測得誤碼率會過高。

程序流程說明

ARM端：(1) 采用UDMA方式；(2)將數據寫入至dma_memcpy驅動申請的連續內存空間（位于DDR）；(3)配置UDMA，如源地址、目標地址、傳輸的數據大小等；(4)寫操作：通過ioctl函數啟動UDMA，通過GPMC總線將數據搬運至FPGA BRAM；(5)程序接收驅動上報input事件后，將通過ioctl函數獲取UDMA搬運數據耗時，并計算UDMA傳輸速率（即寫速率）；(6)讀操作：通過ioctl函數啟動UDMA，通過GPMC總線將FPGA BRAM中的數據搬運至dma_memcpy驅動申請的連續內存空間；(7)程序接收驅動上報input事件后，將數據從內核空間讀取至用戶空間，然后校驗數據，同時通過ioctl函數獲取UDMA搬運數據耗時，并計算UDMA傳輸速率（即讀速率）。
FPGA端：(1)根據ARM端GPMC時序解析數據，對FPGA內部BRAM資源進行訪問。BRAM的地址位寬為10bit，數據位寬為16bit，內存空間大小為2KByte(1024 x 16bit)。
圖 4 程序流程圖

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