Zynq 7000. Тестирование счётчика импульсов

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 <stdio.h> #include <unistd.h> #include <sys/mman.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <signal.h>  #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 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” 😀 

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.