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【ZYNQ Linux开发】BRAM的几种驱动方式

news 2025/7/9 14:54:30

1 Vivado配置

BRAM 的使用方法为使用 AXI BRAM 控制器来控制 BRAM 生成器，Block Design 连接如下：

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我这里配置的是真双端口 RAM，通过 PL 的逻辑对 BRAM 生成器的端口 B 进行写操作，在 PS 端对端口 A 进行读。

BRAM 控制器和生成器的 IP 核配置如下：

此外，我们也需要关注一下 BRAM的地址分配：

这里的基地址和范围都可以根据自己需求修改，我这里对 BRAM 的需求不大，只用到了10个单元（10*32bit），用 4K 字节就完全足够了。

Vivado 的相关配置到这就结束了，后续就只要按照流程生成比特流，导出 .xsa 文件即可。

2 Linux访问方式

2.1 通过 /dev/mem 访问

在Linux系统中，/dev/mem 是一个特殊的虚拟字符设备，它提供了用户态对内核态物理地址空间的直接访问。这个设备通常与内存映射（mmap）函数结合使用，允许用户空间程序直接读写内核物理内存，而无需经过内核空间。

我们可以采用命令行命令与用户空间程序两种方式来实现对 BRAM 的访问。

2.1.1 命令行命令

首先是命令行命令，devmem 是一个在 Linux 系统中用于直接访问物理内存的工具，它可以读取和写入指定物理地址处的内容，命令格式如下：

devmem <address> [64|32|16|8] [value]

其中，address即要访问的物理地址，[64|32|16|8]是一个可选参数，为访问的位宽，如果不设置，则默认按32位访问，value也是个可选参数，如果设置了，则表示向物理内存对应地址写入相应的值；不设置，则表示向物理内存对应位置读出数据。

对于我的程序逻辑而言，直接在 PL 侧逻辑完成写后，读取即可：

devmem 0x82000008 32

读取结果符合预期：

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2.1.2 用户空间程序

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdint.h>#define XPAR_BRAM_BASEADDR 0x82000000
#define DATA_LEN    1024int main()
{unsigned int *map_base;int fd = open("/dev/mem", O_RDWR | O_SYNC);if (fd < 0) {printf("can not open /dev/mem \n");return (-1);}map_base = mmap(NULL, DATA_LEN * 4, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, XPAR_BRAM_BASEADDR);if (map_base == 0) {printf("NULL pointer\n");}else {printf("mmap successful\n");}uint32_t read_data;// 验证BRAM内容for (int i = 0; i < 5; i++) {lseek(fd, i * sizeof(uint32_t), SEEK_SET);read(fd, &read_data, sizeof(read_data));printf("BRAM1[%d] = 0x%08X\n", i, read_data);}close(fd);munmap(map_base, DATA_LEN);return 0;
}

前面提到，我们可以在Block Design 中的地址编辑中修改地址，它的最小单位就是4K，其它选项都是4K的整数倍，其实是有说法的，就像用户空间程序这里地址空间映射为4K字节，这是因为内存映射通常需要按页对齐（如 4KB，即 0x1000），就算映射的长度实际小于4K，也会向上对齐。

验证 BRAM 内容由于我涉及的只有 5 个单元，所以只查看五个单元的值。

1，特别注意 mmap 之后，一定要对应有 munmap，否则会导致内存泄露。

2，munmap 和 close(fd) 在功能上没有严格的依赖顺序。munmap 负责解除内存映射，但不会关闭文件描述符。close(fd) 关闭文件描述符，但不会自动解除映射（已映射的内存仍可访问，但可能导致未定义行为）。

测试结果如下：

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2.2 编写字符驱动

2.2.1 设备树

设备树只需要使用 Vitis 用 Xilinx 提供的模版生成或者使用 Petalinux 生成的设备树 pl.dtsi 即可，如果不知道怎么获取，可以参考我的另一篇博客：【ZYNQ Linux移植】2-获取设备树。

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这里需要关注的记录的是 axi_bram_ctrl_0 节点的 compatible 属性，因为我们后面使用 platform 设备驱动框架，需要用这个属性进行匹配，大家如果 Vivado 版本不一样，这里的版本会有差别，根据自己的情况进行修改。

2.2.2 驱动程序

按照 platform 设备驱动框架编写驱动：

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/io.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/of.h>#define DRIVER_NAME "axi_bram"
#define BRAM_SIZE 0x1000static void __iomem *bram0_base;
static struct class *bram_class;
static struct device *dev_bram;
static struct cdev *cdev;
static dev_t dev_num;static int bram_open(struct inode *inode, struct file *file) {return 0;
}static int bram_release(struct inode *inode, struct file *file) {return 0;
}static ssize_t bram_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos) {if (*ppos >= BRAM_SIZE) return 0;if (*ppos + count > BRAM_SIZE)count = BRAM_SIZE - *ppos;if (copy_to_user(buf, bram0_base + *ppos, count))return -EFAULT;*ppos += count;return count;
}static ssize_t bram_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos) {if (*ppos >= BRAM_SIZE) return -ENOSPC;if (*ppos + count > BRAM_SIZE)count = BRAM_SIZE - *ppos;if (copy_from_user(bram0_base + *ppos, buf, count))return -EFAULT;*ppos += count;return count;
}static struct file_operations bram_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open = bram_open,.release = bram_release,.read = bram_read,.write = bram_write,
};static int bram_probe(struct platform_device *pdev) {struct resource *res;// 获取BRAM0资源res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0);if (!res) return -ENODEV;bram0_base = devm_ioremap_resource(&pdev->dev, res);if (IS_ERR(bram0_base)) return PTR_ERR(bram0_base);    // 创建设备号if (alloc_chrdev_region(&dev_num, 0, 1, DRIVER_NAME) < 0)return -ENODEV;// 创建设备cdev = cdev_alloc();if (!cdev) goto error;cdev_init(cdev, &bram_fops);if (cdev_add(cdev, MKDEV(MAJOR(dev_num), 0), 1) < 0) {kobject_put(&cdev->kobj);goto error;}dev_bram = device_create(bram_class, NULL, MKDEV(MAJOR(dev_num), 0), NULL, "bram0");if (IS_ERR(dev_bram)) goto error;return 0;error:unregister_chrdev_region(dev_num, 1);return -ENODEV;
}static int bram_remove(struct platform_device *pdev) {device_destroy(bram_class, MKDEV(MAJOR(dev_num), 0));unregister_chrdev_region(dev_num, 1);return 0;
}static const struct of_device_id bram_of_ids[] = {{ .compatible = "xlnx,axi-bram-ctrl-4.1" },{ }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, bram_of_ids);static struct platform_driver bram_driver = {.driver = {.name = DRIVER_NAME,.of_match_table = bram_of_ids,},.probe = bram_probe,.remove = bram_remove,
};static int __init bram_init(void) {// 创建设备类bram_class = class_create(THIS_MODULE, "bram");if (IS_ERR(bram_class)) return PTR_ERR(bram_class);return platform_driver_register(&bram_driver);
}static void __exit bram_exit(void) {platform_driver_unregister(&bram_driver);class_destroy(bram_class);
}module_init(bram_init);
module_exit(bram_exit);MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Huaijun Chen");
MODULE_DESCRIPTION("Custom AXI BRAM Controller Driver");

驱动实际上也对内存进行了映射：devm_ioremap_resource(&pdev->dev, res)。但总体来说，使用驱动是在内核态进行操作，会比 2.1 中的映射方式安全一些，但调试难度上也更大。

2.2.3 测试应用程序

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdint.h>int main() {int fd = open("/dev/bram0", O_RDWR);if (fd < 0) {perror("open failed");return 1;}    uint32_t read_data;// 验证BRAM内容for (int i = 0; i < 5; i++) {lseek(fd, i * sizeof(uint32_t), SEEK_SET);read(fd, &read_data, sizeof(read_data));printf("BRAM[%d] = 0x%08X\n", i, read_data);}close(fd);return 0;
}

实际测试结果如下：

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与 2.1 中测试结果完全相同。

2.3 使用 UIO

UIO（Userspace I/O，用户空间 I/O），泛指 UIO 设备和 UIO 驱动。UIO 内核驱动指负责将中断和设备内存暴露给用户空间，再由 UIO 用户态驱动来实现具体的业务

2.3.1 设备树

与 2.2 中不同，由于需要使用 UIO（Userspace I/O，用户空间 I/O），所以需要在 Xilinx 生成的设备树的基础上进行一定的添加：

/ {uio@40000000 {compatible = "generic-uio";reg = <0x82000000 0x1000>;status = "okay";};
};

这里需要注意 compatible 不可随便修改，因为这需要与 uio 驱动进行匹配，reg 中放我们的 BRAM 起始地址与大小（按32bit算）。

这里补充说明，修改了设备树启动后，Linux 系统会自动加载相关的驱动，并在 /dev 目录下可以看到 uio 设备的设备节点信息：

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而在 /sys/class/uio 目录下可以查看具体 uio 的信息：

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2.3.2 测试应用程序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <unistd.h>
#include <stdint.h>#define UIO_DEV "/dev/uio"
#define BRAM_SIZE 0x1000int main() {int fd;volatile uint32_t *bram;// 打开UIO设备if ((fd = open(UIO_DEV, O_RDWR)) < 0) {perror("open uio0 failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 内存映射bram = mmap(NULL, BRAM_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);if (bram == MAP_FAILED) {perror("mmap failed");close(fd);exit(EXIT_FAILURE);}uint32_t read_data;// 验证BRAM内容for (int i = 0; i < 5; i++) {lseek(fd, i * sizeof(uint32_t), SEEK_SET);read(fd, &read_data, sizeof(read_data));printf("BRAM[%d] = 0x%08X\n", i, read_data);}munmap((void*)bram, BRAM_SIZE);close(fd);return 0;
}