樹莓派的cpu與gpu通信設計淺析

• 1.本文介紹

• 2.樹莓派的videocoreiv

• 3.訪問策略

• 4.framebuff圖像訪問

• 5.注意事項

1.本文介紹

異構(gòu)設計在嵌入式開發(fā)過程中非常的重要，比如mcu與mpu的異構(gòu)，還有兩個不同架構(gòu)的cpu或者兩個不同架構(gòu)的mpu等等。本文主要介紹樹莓派的cpu與gpu通信的設計思想。并且通過在樹莓派4上進行測試，測試訪問gpu所提供的功能。

2.樹莓派的videocoreiv

樹莓派上電啟動時，首先啟動的是GPU，然后從sd卡中加載啟動文件，緊接著啟動CPU，所以GPU在學習使用樹莓派時非常重要?？梢酝ㄟ^下面的倉庫看到底層的GPU的使用。

https://github.com/hermanhermitage/videocoreiv

要想CPU與GPU之間訪問，首先需要了解兩個設計的架構(gòu)，下面從樹莓派3b攝像頭傳輸圖像的角度去理解一下這個架構(gòu)的設計。

BCM2835 SOC是芯片的設計架構(gòu)，里面集成了一個ARM Cortex A53的CPU與VideoCore IV GPU。攝像頭的MIPI數(shù)據(jù)傳輸線連接在GPU上，其攝像頭SCCB連接在CPU上。

GPU上運行著一個RTOS，就是VCOS其實是基于ThreadX系統(tǒng)實現(xiàn)的。CPU與GPU共享RAM。當啟動圖像傳輸?shù)臅r候，實際上就是首先由GPU出來圖像時序，然后將圖像放到RAM中，CPU與GPU通過VCHI管道進行通信，啟動DMA將圖像傳遞到CPU可以訪問的內(nèi)存區(qū)域。

那么GPU有哪些功能呢？

具體可以看下面的信息：

https://github.com/raspberrypi/firmware/wiki/Mailbox-property-interface

1.得到固件信息

2.電源管理

3.頻率管理

4.內(nèi)存管理

5.framebuff

6.攝像頭

7.觸摸屏

整體來看GPU的功能比較齊全。所以訪問這些信息是如何進行的呢？

3.訪問策略

如果要實現(xiàn)CPU與GPU的通信，樹莓派做了一個控制器，就是一個獨立的外設接口，叫做Mailbox Peripheral。這個Mailbox的外設的寄存器布局如下：

0       4       8      12      16      20      24      28      32
 +-------+-------------------------------------------------------+
0x00   |rd chn | read data                         |
 +-------+-------------------------------------------------------+
0x04   |                             Unused                            |
...    \\                                                             \\
0x14   |                             Unused                            |
 +-----------------------------------------------------------+-+-+
0x18   |      status reserved                                      |E|F|
 +-----------------------------------------------------------+-+-+
0x1C   |                             Unused                            |
 +-----------------------------------------------------------+-+-+
0x20   |wt chn |                    write data                         |
 +-----------------------------------------------------------+-+-+

寄存器的起始地址為外設起始地址加速0xB880的偏移量。例如在樹莓派4上其外設的地址為0xFE000000。上述就是CPU核操作GPU時的寄存器的布局。寄存器并不多，只需要判斷狀態(tài)即可。

當進行通信時，要往寄存器寫的數(shù)據(jù)是什么?

#define MBOX_CH_POWER   0 #define MBOX_CH_FB      1 #define MBOX_CH_VUART   2 #define MBOX_CH_VCHIQ   3 #define MBOX_CH_LEDS    4 #define MBOX_CH_BTNS    5 #define MBOX_CH_TOUCH   6 #define MBOX_CH_COUNT   7 #define MBOX_CH_PROP    8 

一般來說是有9個通道可以指定，每個通道有著特定的用途，如上定義所示。寫數(shù)據(jù)(write data)實際上寫的是一個消息列表的地址，這個消息列表可以是一個數(shù)組。叫做msgbox。這個地址一般都是要求4字節(jié)對齊的，因為上圖寄存器中前面4字節(jié)是用于存放通道信息的。

一般一個消息的空間布局如下：

0       4       8      12      16      20      24      28      32
 +---------------------------------------------------------------+
0x00   |                         Buffer Size                           |
 +---------------------------------------------------------------+
0x04   |                   Request/Response Code                       |
 +---------------------------------------------------------------+
0x08   |                             Tags                              |
...    \\                                                             \\
0xXX   |                             Tags                              |
 +---------------------------------------------------------------+
0xXX+4 |                           End Tag (0)                         |
 +---------------------------------------------------------------+
0xXX+8 |                           Padding                             |
...    \\                                                             \\
0xXX+16|                           Padding                             |
 +---------------------------------------------------------------+

獲取版本信息,傳遞消息實際實現(xiàn)代碼如下：

int bcm283x_mbox_hardware_get_revison(void) {
 mbox[0] = 8*4; // length of the message mbox[1] = MBOX_REQUEST; // this is a request message mbox[2] = MBOX_TAG_HARDWARE_GET_REV; 
 mbox[3] = 4; // buffer size mbox[4] = 0; // len mbox[5] = 0; 
 mbox[6] = 0;

 mbox[7] = MBOX_TAG_LAST;
 mbox_call(MBOX_CH_PROP, MMU_DISABLE); return mbox[5];
}

這樣就將消息傳遞給CPU的寄存器，寄存器通過訪問狀態(tài)，并且將消息傳遞給GPU，GPU得到信息后，將消息填充，然后通過DMA將返回結(jié)果的消息包傳遞到原來的地址中，這樣就可以實現(xiàn)基本的通信邏輯了。

具體的完整的實現(xiàn)細節(jié)可以參考rt-thread/bsp/raspberry-pi/raspi3-64/driver/mbox.c。

4.framebuff圖像訪問

上述基本上講述了cpu和gpu的訪問流程，那么如果想使用樹莓派的hdmi接口進行圖像顯示，該如何進行設計呢？首先樹莓派在設計的時候，并未在CPU集成圖像控制接口，那只能通過GPU來實現(xiàn)了。訪問其實就是利用mbox的通信進行實現(xiàn)，利用TAG的消息進行區(qū)分。

下面是framebuff相關TAG的宏定義

#define TAG_ALLOCATE_BUFFER         0x00040001 #define TAG_SET_PHYS_WIDTH_HEIGHT   0x00048003 #define TAG_SET_VIRT_WIDTH_HEIGHT   0x00048004 #define TAG_SET_DEPTH               0x00048005 #define TAG_SET_PIXEL_ORDER         0x00048006 #define TAG_GET_PITCH               0x00040008 #define TAG_SET_VIRT_OFFSET         0x00048009 #define TAG_END                     0x00000000 

通過mbox的數(shù)組傳遞消息，其tag為TAG_ALLOCATE_BUFFER，并且指定圖像的depth、width、height等參數(shù)。

當傳遞消息后GPU會將申請到的framebuff的地址通過mbox[5]傳遞回來，當訪問這個地址的時候，實際上就是訪問這個framebuff。我們不用去關心具體的時序邏輯問題，當然，可能需要注意的是圖像傳輸完成之后的中斷。

5.注意事項

在訪問GPU的時候，需要注意的是寄存器的地址一定需要通過MMU映射成非cache的模式，否則可能會出現(xiàn)內(nèi)存一致性問題，導致實際上通道的數(shù)據(jù)沒有寫到寄存器中。訪問圖像的時候，也需要注意這個問題，因為framebuff也需要非cache訪問，這些都是在實際項目設計中需要注意的問題。總之在使用樹莓派GPU和CPU的通信過程中，弄清楚BCM的SOC的設計思想，注意幾個寄存器，并且注意消息的傳輸格式，那么訪問GPU時就不是什么很大的問題了。其中比較有借鑒意義的是共享內(nèi)存的方式訪問，還有就是采用不同的tag進行消息機制的傳遞。