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chapter6_device.md

@@ -6,9 +6,10 @@
   - [6.1.1  pynq开发板介绍](#subsec_pynq)
   - [6.1.2  设备树](#subsec_device_tree)  
   - [6.1.3  内存映射I/O(MMIO)](#subsec_MMIO) 
-  - [6.1.4  轮询I/O控制方式](#subsec_polling)
-  - [6.1.5  中断驱动I/O控制方式](#subsec_plic)  
-  - [6.1.6  设备文件](#subsec_file)
+  - [6.1.4  riscv-fesvr原理](#subsec_fesvr)
+  - [6.1.5  轮询I/O控制方式](#subsec_polling)
+  - [6.1.6 中断驱动I/O控制方式](#subsec_plic)  
+  - [6.1.7 设备文件](#subsec_file)
 - [6.2 lab4_1 POLL](#polling) 
   - [给定应用](#lab4_1_app)
   - [实验内容](#lab4_1_content)
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 本实验中，我们所使用的pynq-z2开发板上搭载两块芯片，一块为Arm架构32位芯片，称为PS端，我们能在上面运行Ubuntu；另一块为FPGA可编程芯片，称为PL端，通过烧录Rocket chip电路，使它能够运行Riscv架构的操作系统，即riscv-pke。
 
-在前面的实验中，Spike模拟器负责执行PKE的机器指令和为PKE分配内存，并通过HTIF协议和PKE进行通信为PKE分配主机的其他资源（如文件等）。在开发板上运行时，执行PKE的机器指令和为PKE分配内存由PL端的电路负责，负责和PKE通信的则是我们在PS端运行的程序riscv-fesvr，PKE借此可以访问PL端的用户程序等文件，这是实验4的基础。
+![](pictures/fig6_4.png)
+
+如上图，在开发板上运行的时候，PKE在PL端运行，一方面它可以通过Rocket Chip电路的连线访问PL端的设备（device），如蓝牙、小车电机等；另一方面，在PS端运行的riscv-fesvr程序可以和PKE通过HTIF协议通信，使得PKE可以读写PS端Linux操作系统下的设备文件（host device），比如摄像头、声卡等。也就是说，PKE除了可以访问本身的设备，还可以利用PS端操作系统的功能访问更复杂的设备，这就是代理内核的特点。
+
+实验四和前三个实验的关系如下：
+
+![](pictures/fig6_5.png)
+
+可见除了部分硬件相关的操作外，PKE在Spike和开发板上的运行是完全等价的，代理内核一方面让我们可以用最简单的方法访问两端的设备，另一方面在不同地方运行基本不用改太多代码，非常优越。
 
 <a name="subsec_device_tree"></a>
 
@@ -58,9 +67,28 @@
 
 在本章节中，修改后的RocketChip将蓝牙控制寄存器和小车电机端接到固定的内存地址，因此可以通过对这些地址进行读写控制蓝牙和小车电机。
 
+<a name="subsec_fesvr"></a>
+
+### 6.1.4 riscv-fesvr原理
+
+riscv-fesvr是PKE在PYNQ开发板上使用的重要工具，它是ARM端系统上运行的程序，控制PKE的启动。除了启动功能，riscv-fesvr程序主要分为两个模块，系统调用模块块负责接受PKE对ARM端的系统调用请求，在ARM端执行这些函数；内存模块负责读写RISCV端的内存，和PKE交换数据。
+
+PKE调用宿主机/开发板ARM端的系统调用函数使用的是HTIF协议。协议要求内核保留两个地址，作为和riscv-fesvr共享数据的地方。PKE要使用系统调用函数，就需要将系统调用函数的编号和参数通过这个地址发送给riscv-fesvr，方法是定义一个数组magic_mem，该数组存储了调用号和参数，再将数组的起始地址按一定的格式填入这个地址中，如下图。
+
+![](pictures/fig6_7.png)
+
+打个比方，我通过HTIF协议调用ARM端的write函数，那么我先定义一个数组magic_mem，magic_mem[0]为write的系统调用号，magic_mem[1]为文件描述符，magic_mem[2]为缓冲区地址，magic_mem[3]为写入长度。然后把一个数写入共享地址，这个数高8位和中间8位都是0，低48位为magic_mem的地址。riscv-fesvr会首先读出magic_mem里的数据，然后根据magic_mem[0]决定要调用write函数，这时需要注意magic_mem[2]里的缓冲区地址是RISCV端内存的地址，所以先把RISCV端内存里的这段数据读到外面内存，再以外面内存地址为参数调用write函数。
+
+riscv-fesvr的内存模块用来读写RISCV端的内存，从而可以读取系统调用参数以及读写PKE的缓冲区。Pynq开发板把RISCV端的内存抽象成设备文件/dev/mem，所以内存模块可以通过在固定偏移量读写该文件，从而实现读写内存。
+
+另外，控制摄像头需要用到的ioctl、mmap、munmap三个系统调用函数是原版的riscv-fesvr不支持的，所以我们对riscv-fesvr的系统调用模块进行了修改：
+
+* ioctl函数比较简单，可以直接用PKE传过来的参数调用系统调用函数
+* mmap函数比较麻烦，因为ARM端通过mmap映射的是ARM端的内存，RISCV端无法访问。所以再添加readmmap函数，PKE可以通过HTIF调用此函数读取ARM端被映射的内存。将ARM端用mmap映射的所有内存用数组存储映射地址，返回给PKE数组索引；PKE向readmmap传入索引，riscv-fesvr根据索引找到地址，读取ARM端的内存数据返回给PKE。
+
 <a name="subsec_polling"></a>
 
-### 6.1.4  轮询I/O控制方式
+### 6.1.5  轮询I/O控制方式
 
 在实验四中，我们设备管理的主要任务是控制设备与内存的数据传递，具体为从蓝牙设备读取到用户输入的指令字符（或传递数据给蓝牙在手机端进行打印），解析为小车前、后、左、右、停止等动作来传输数据给电机实现对小车的控制。在前两个实验中，我们分别需要对轮询控制方式和中断控制方式进行实现。
 
@@ -72,7 +100,7 @@
 
 <a name="subsec_plic"></a>
 
-### 6.1.5  中断驱动I/O控制方式
+### 6.1.6  中断驱动I/O控制方式
 
 在前一种轮询的控制方式中，由于CPU的高速性和I/O设备的低速性，导致CPU浪费绝大多数时间处于等待I/O设备完成数据传输的循环测试中，会造成大量资源浪费。中断驱动的方式是，允许请求I/O的进程在设备工作时进入休眠状态，使CPU能够运行别的进程。直到设备工作完成时，再由设备发出中断，中断处理程序唤醒之前休眠的进程，使其能够接受设备返回的数据继续执行。采用中断驱动的控制方式，在I/O操作过程中，CPU可以执行其他的进程，CPU与设备之间达到了部分并行的工作状态，从而提升了资源利用率。
 
@@ -84,7 +112,7 @@ Riscv包含三类中断：软中断、时钟中断和外部中断。软中断和
 
 <a name="#subsec_file"></a>
 
-### 6.1.6 设备文件
+### 6.1.7 设备文件
 
 用户程序访问外部设备通常有两种方式：通过特定系统调用访问和通过设备文件访问。前者即操作系统提供专门的函数控制设备，后者是操作系统把设备指定成一个文件，通过通用的文件的读写函数控制设备。设备文件常用的函数除了open、read、write、close，还有以下几种：
 
@@ -140,9 +168,11 @@ Riscv包含三类中断：软中断、时钟中断和外部中断。软中断和
 
 #### **实验内容**
 
-如输出提示所表示的那样，需要找到并完成对uart_getchar的调用，完成后进行验证。
+如输出提示所表示的那样，需要找到并完成对uart_getchar的调用，由于本实验给出的基础代码修改了硬件相关的部分代码，所以无法在Spike上运行，需在PYNQ开发板上进行验证，运行步骤如下：
 
-手机端验证：首先将蓝牙模块接入pynq板，接口对应关系为：
+1. 依照仓库https://gitee.com/hustos/fpga-pynq下**usb-device-pynq**分支的说明，在板上安装ARM端操作系统和下载必要的文件
+2. 依照仓库https://gitee.com/hustos/myriscv-fesvr的说明，自行编译或直接下载修改后的riscv-fesvr
+3. 连接外设：首先将蓝牙模块接入pynq板的PMODA接口组，接口对应关系为：
 
 | pynq接口 | 蓝牙接口 |
 | -------- | -------- |
@@ -151,27 +181,19 @@ Riscv包含三类中断：软中断、时钟中断和外部中断。软中断和
 | JA4      | RXD      |
 | JA3      | TXD      |
 
-接入时注意对应接口错位正确插入，然后在手机端下载任意一种蓝牙串口通信APP，匹配并连接蓝牙模块。蓝牙的名称通常是“HC-两位数字”。使用网线连接pynq板和电脑，打开开发板电源。
-
-成功连接蓝牙模块后，启动连接：
-
-```
-$ ssh xilinx@192.168.2.99
-```
+接入时注意对应接口错位正确插入，且插入的所有接口均在上面的一排。然后将小车的电机接口接入PMODB接口组，为了防止小车行走过程中接口松开，可自行使用胶布粘贴。
 
-随后使用scp指令将编译后的pke内核和用户app文件导入：
+![](pictures/fig6_6.jpg)
 
-```
-$ scp 文件名 xilinx@192.168.2.99:~
-```
+4. 在手机端下载任意一种蓝牙串口通信APP，匹配并连接蓝牙模块。蓝牙的名称通常是“HC-两位数字”。使用网线连接开发板和电脑，同时使用USB线连接开发板和电脑或者充电宝，打开开发板电源。
 
-此时便成功进入pynq板环境。运行：
+5. 执行开机之后必要的操作后（烧录电路等，见步骤1里的仓库），运行：
 
-```
-sudo ./riscv-fesvr riscv-pke app_poll
-```
+   ```
+   sudo ./riscv-fesvr riscv-pke app_poll
+   ```
 
-之后即可在手机上输入控制指令，小车应能根据指令反应。
+   之后即可在手机上输入控制指令，小车应能根据指令反应。
 
 <a name="lab4_1_guide"></a>
 
@@ -485,7 +507,7 @@ $ git commit -a -m "my work on lab4_2 is done."
  47 }
 ```
 
-实验预期结果：小车在前进过程中能够正常识别障碍物后并自动停车。
+实验预期结果：小车在前进过程中能够正常识别障碍物后并自动停车。测试时别忘记把摄像头接到USB接口，否则系统会找不到设备文件。
 
 <a name="lab4_3_guide"></a>