基于MPSOC器件实现WiFi6模组通讯

MPSOC作为ZYNQ 7000的升级版，在接口方面其性能也大大增强；在一些高速数据采集的场合PS-GTR的PCIE Root Complex功能可以方便地外接WiFi模组、NVME等外设，进行数据的传输和保存。例如使用WiFi6和MPSOC EV器件的VCU配合做无线4K编解码应用，可以做到更大的通讯容量和更低的延迟。

MPSOC全系列自带4路6 Gbps的PS-GTR，支持PCIE，SATA，USB3.0和DisplayPort四种协议，可以方便地连接各种高速外设，PS-GTR的结构如下：

PS-GTR的结构相比PL的Transceiver在PCS和PMA的基础上多了PCIE，SATA，USB3.0和DisplayPort协议的控制器，以及ICM功能，不同的协议通过ICM切换，其复用关系如下：

其中PS-PCIE可以支持Root Complex模式和End Point模式，在Lane速率上支持且支持1-4Lane的Gen1(2.5Gbps)或者Gen2(5Gbps)，这里以手头的一个型号为Intel AX200的WIFI6模组为例，介绍Root Complex模式软硬件设计流程。

 硬件结构如下，Si5338可编程时钟作为时钟源，为PS-GTR和AX200提供100M参考时钟，Si5338的频率通过I2C配置进去，AX200通过PCIE x1连接到MPSOC的XCZU4EV器件。

关于时钟需要注意的有下面两点：

1、时钟拓扑结构

     上图比较推荐的时钟架构，Tx和Rx共用一个同源的参考时钟，即使Refclk有一定的抖动，由于时钟收发同源，Rx的CDR依然可以正常锁定。有的设计因为EMI的原因需要使用带有SSC功能的参考时钟，这种时钟架构可以满足要求。

     有的设计为了使PCIE通讯更稳定，在主板和PCIE卡上分别用了独立时钟，如上图的时钟架构，这样的设计对参考时钟的要求比较高，通常晶振或者时钟芯片会受温度、型号、批次、误差等因素的影响，如果两个参考时钟频偏过大，会造成PCIE无法锁定，两个时钟的的成本也比较高，因此不推荐这种时钟架构。这种时钟架构下，SSC功能必须关闭。

2、时钟电平

     时钟信号的电平是容易被忽略的一点，对于PS-GTR来说，只要Vpp大于250mV就可以正常工作，常见的LVDS和LVPECL电平在交流耦合的情况下都可以满足要求，但对于PCIE 卡来说要求时钟电平必须是HCSL电平，关于HCSL电平的细节，PCI Express Card ElectromechanicalSpecification上有讲，需要注意的是，HCSL必须是直流耦合，且在P和N上分别接50Ω的下拉电阻，如下图所示：

1、PCIE的复位信号只能用MIO，这里用MIO31，Lane数量选x1。

    2、参考时钟按照硬件连接设置为RefClk0，100MHz。

   3、勾选Switch To Advanced Mode，可以看到PCIe Configuration选项，Device Port Type设置为Root Port，其他参数默认即可。

    4、再根据需要添加串口、SD卡、I2C等外设后，生成bit流，导出xsa文件。

借助Clock Builder Pro工具可以快速配置Si5338的寄存器，给MGTREFCLK0的时钟配置为LVDS电平，给PCIe Slot的时钟配置为HCSL电平，时钟源都用PLL，并且关闭SSC功能，最后生成Si5338-RevB-Registers.h寄存器配置文件后寄存器信息保存在Reg_Data数组下。

    参考时钟要在系统一起来就送出，因此这里通过FSBL来初始化Si5338。在Vitis下导入Vivado下生成的xsa，创建硬件Platform工程，在FSBL文件夹里找到xfsbl_initialization.c，在这里要实现以下几个函数：

       Intiic_master_init(void) //初始化PS IIC外设

       voidsi5338_map(uint8 reg, uint8 val, uint8 num) //解析Reg_Data，写入对应寄存器

       voidclk_init(void) //初始化Si8338

    调试验证时钟正常后，在Vitis里Commet并Push，创建Patch，方便在Petalinux下调用。也可以直接在Petalinux下直接修改FSBL的源码。

      Vitis下还可以对PCIe链路状况做初步判断，在BSP里导入psu_pcie例程运行，正常情况下会提示“Link is UP”，如果提示“PHY never cames up”，需要检查MPSOC的100M参考时钟。如果PHY工作正常，提示“Link is DOWN”，则要检查链路是否有问题，PS-GTR里也集成了EyeScan功能，在Vivado里可以做误码率等测试。

1、配置kernel

接下来在Petalinux里创建工程，并导入xsa文件

petalinux-create --type project --templatezynqMP --name pcie_host –force

cd pcie_host/

petalinux-config --get-hw-description ../

WiFi模组正常工作需要通过PCIE加载固件，需要把固件存放在EXT4文件系统下，因此修改Root filessystem类型和挂载点。

petalinux-config

Image PackagingConfiguration

Root filesystem type (EXT4 (SD/eMMC/SATA/USB))

(/dev/mmcblk1p2) Device node of SD device

增加802.11的API和协议栈

petalinux-config -c kernel

Networkingsupport

Wireless

cfg80211 - wireless configuration API

Generic IEEE 802.11 Networking Stack(mac80211)

接下来修改kernel配置，添加iwlwifi驱动

petalinux-config -c kernel

       DeviceDrivers

Network device support

Wireless LAN

     Intel WirelessWiFi Next Gen AGN - Wireless-N/Advanced-N/Ultimate-N (iwlwifi)

       Intel WirelessWiFi MVM Firmware support

设置WiFi固件的加载路径

petalinux-config -c kernel

Device Drivers

Generic Driver Options

Firmware loader

(iwlwifi-cc-a0-46.ucode) Build named firmware blobs into the kernelbinary

(/lib/firmware) Firmware blobs root directory

AX200的WiFi驱动有bug，需要对源码做修改，因此修改Build tool为devtool

petalinux-config

Yocto settings

Build tool (devtool)

把kernel和fsbl源码下载到工程目录

petalinux-build -c kernel -x modify

petalinux-build -c fsbl -x modify

执行完成后pcie_host/components/yocto/workspace/sources目录下可以看到kernel源码，注释掉pcie_host/components/yocto/workspace/sources/linux-xlnx/drivers/net/wireless/intel/iwlwifi/mvm/fw.c文件这一部分：

       /*Init RSS configuration */

//    if(mvm->trans->trans_cfg->device_family >= IWL_DEVICE_FAMILY_22000) {

//           ret= iwl_configure_rxq(mvm);

//           if (ret) {

//                  IWL_ERR(mvm, "Failed toconfigure RX queues: %d\n",

//                         ret);

//                  goto error;

//           }

//    }

   2、修改FSBL

     在pcie_host/components/yocto/workspace/sources/fsbl/lib/sw_apps/

zynqmp_fsbl/srcxfsbl_initialization.c中加入验证好的Si5338初始化代码。

    3、配置Rootfs

       配置rootfs，加入pciutilsiperf3和wpa-supplicant工具，方便检查PCIE连接、配置WiFi以及测速。

      打开pcie_host/project-spec/meta-user/conf/user-rootfsconfig，在文件末尾加上

CONFIG_iperf3

petalinux-config -c rootfs

FilesystemPackages

Console

Utils

[*]Pciutils

              Network

                     wpa-supplicant

                            [*]wpa-supplicant

User Packages

[*] iperf3

  4、部署到SD卡

     执行build命令，等待编译完成。

    petalinux-build

    编译完成后执行以下命令打包

  petalinux-package --boot --format BIN--fsbl images/linux/zynqmp_fsbl.elf --u-boot images/linux/u-boot.elf --pmufwimages/linux/pmufw.elf --fpga images/linux/*.bit --force

    将image.ub boot.scr BOOT.BIN复制到SD卡分区的FAT32分区，执行以下命令 将rootfs解压到EXT4分区。

    sudo tar xvf rootfs.tar.gz  -C /media/User/fs/

1、下载WiFi模组的固件

https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/firmware/linux-firmware.git

解压后把iwlwifi-cc-a0开头的文件都复制到SD卡EXT4分区的/lib/firmware下，系统启动后会在这里找到对应的固件，并加载到WiFi模组里。

开发板设置SD卡启动，启动信息里可以看到模组已经正常工作。

[   5.257568] iwlwifi 0000:01:00.0: enabling device (0000 -> 0002)

[   5.343040] iwlwifi 0000:01:00.0: TLV_FW_FSEQ_VERSION: FSEQ Version:58.3.35.22

[   5.350406] iwlwifi 0000:01:00.0: Found debug destination: EXTERNAL_DRAM

[   5.357153] iwlwifi 0000:01:00.0: Found debug configuration: 0

[   5.385724] iwlwifi 0000:01:00.0: loaded firmware version 50.3e391d3e.0op_mode iwlmvm

[   5.438124] iwlwifi 0000:01:00.0: Detected Intel(R) Wi-Fi 6 AX200 160MHz,REV=0x340

[   5.460292] iwlwifi 0000:01:00.0: Applying debug destination EXTERNAL_DRAM

[   5.469082] iwlwifi 0000:01:00.0: Allocated 0x00400000 bytes for firmwaremonitor.

   2、执行以下命令，配置WiFi账号密码

vi /etc/wpa_supplicant.conf

WiFi配置信息如下：

ctrl_interface=/var/run/wpa_supplicant

ctrl_interface_group=0

update_config=1

network={

       ssid="TP-LINK_5G_DF52"

       psk="1234567890"

}

   3、执行以下命令打开WiFi，稍后即可连到路由器

Ifup wlan0

在局域网内一台电脑上运行.\iperf3.exe –s命令，作为测速服务器，在板上运行iperf3.exe -c 192.168.123.124，可以得到测速结果：

Connecting to host 192.168.123.124, port5201

[  4]local 192.168.123.166 port 52777 connected to 192.168.123.124 port 5201

[ ID] Interval           Transfer     Bandwidth

[ 4]   0.00-1.00   sec 55.8 MBytes   467 Mbits/sec

[ 4]   1.00-2.00   sec 54.1 MBytes   455 Mbits/sec

[ 4]   2.00-3.00   sec 52.4 MBytes   439 Mbits/sec

[ 4]   3.00-4.00   sec 53.2 MBytes   447 Mbits/sec

[ 4]   4.00-5.00   sec 48.5 MBytes   407 Mbits/sec

[ 4]   5.00-6.00   sec 53.9 MBytes   452 Mbits/sec

[ 4]   6.00-7.00   sec 52.9 MBytes   443 Mbits/sec

[ 4]   7.00-8.00   sec 50.6 MBytes   425 Mbits/sec

[ 4]   8.00-9.00   sec 50.1 MBytes   420 Mbits/sec

[ 4]   9.00-10.00  sec 52.1 MBytes   437 Mbits/sec

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - -

[ ID] Interval           Transfer     Bandwidth

[ 4]   0.00-10.00  sec  524 MBytes   439 Mbits/sec                  sender

[  4]   0.00-10.00 sec   524 MBytes   439 Mbits/sec                  receiver

从测试结果来看满足我们最初的想法和要求。