树莓派CM4(二): UART/IIC/SPI调试

1. 参考资料

• 资料汇总页面

https://shumeipai.nxez.com/raspberry-pi-datasheets

• 《bcm2711-peripherals.pdf》，下载地址

https://datasheets.raspberrypi.com/bcm2711/bcm2711-peripherals.pdf

• 《cm4io-datasheet.pdf》，下载地址

https://datasheets.raspberrypi.com/cm4/cm4-datasheet.pdf

• 《cm4-product-brief.pdf》，下载地址

https://datasheets.raspberrypi.com/cm4/cm4-product-brief.pdf

• 《cm4-datasheet.pdf》，下载地址

https://datasheets.raspberrypi.com/cm4/cm4-datasheet.pdf

2. 串口配置

2.1 概述

• 树莓派CM4共有六路UART,均由GPIO复用而来
• 一个mini UART(UART1)用作调试串口 + 五个PL011串口(UART0/2/3/4/5)
• 如下图中白框所示，详情见《bcm2711-peripherals.pdf》的5.3. Alternative Function Assignments章节
  
  

2.2 调试串口mini UART

• mini UART - 为控制台预留，见《bcm2711-peripherals.pdf》的2.2章节
• 需要修改/boot/config.txt或/boot/firmware/config.txt,在其末尾添加如下内容以启用调试串口

  enable_uart=1
  

2.3 其它五路串口

• 修改/boot/config.txt，添加如下内容，表示启用UART0/2/3/4/5

  deoverlay=uart0,txd0_pin=14,rxd0_pin=15
  dtoverlay=uart2,txd2_pin=0,rxd2_pin=1
  dtoverlay=uart3,txd3_pin=4,rxd3_pin=5
  dtoverlay=uart4,txd4_pin=8,rxd4_pin=9
  dtoverlay=uart5,txd5_pin_12,rxd5_pin=13
  

• 如下图
  
  

• 修改完成后重启生效

2.4 确认所有串口均已启用

• 查看dmesg中tty相关的日志，可以看到ttyS0 + ttyAMA0 ~ ttyAMA4六路串口均已启用

  

• 因为这六路串口都是通过GPIO复用而来的，进一步查看GPIO复用关系，如下图

  

• 查看/dev目录下的ttyAMA节点

  

• GPIO对应关系
  
  

• 结合dmesg中的日志和上面的GPIO复用关系，可以知道/dev/ttyAMA* 和 uart 的对应关系

  ttyAMA0 对应 UART0
  ttyAMA1 对应 UART2，Tx = GPIO0, Rx = GPIO1
  ttyAMA2 对应 UART3，Tx = GPIO4, Rx = GPIO5
  ttyAMA3 对应 UART4，Tx = GPIO8, Rx = GPIO9
  ttyAMA4 对应 UART5，Tx = GPIO12, Rx = GPIO13
  

2.5 调试串口测试

• 调试串口UART1, GPIO14接Rx, GPIO15接Tx

  

• 波特率115200,连接的电脑后就可以通过该串口进入终端

2.6 其它串口测试

• 以UART3为例，短接UART3的Tx和Rx引脚,即短接GPIO4和GPIO5

• 如下图中的黑色杜邦线所示

  

• UART3对应/dev/ttyAMA2,使用minicom打开/dev/ttyAMA2节点
  
  

• 打开minicom的回显功能，CTRL-A Z打开配置菜单,如下，输入E打开回显
  
  

• 因为我们将UART3的Tx和Rx短接在一起，所以无论输入什么字符，都会看到显示了两次，一次是发送的数据，一次是接收的数据
  
  

• 其它UART的测试方法同理

3. IIC配置

3.1 参考资料

• 《bcm2711-peripherals.pdf》的Chapter 3.BSC章节

• 《cm4io-datasheet.pdf》的2.9. Fan connector章节

• 《cm4io-datasheet.pdf》的2.13. Real time clock (RTC)章节

• 《cm4-datasheet.pdf》的2.9. I2C (SDA0 SCL0)章节

• 《cm4-datasheet.pdf》的2.5.1. Alternative function assignments章节

3.2 硬件资源

• 树莓派CM4最多可启用5路i2c
• 其中内部的i2c0使用两个GPIO管脚：SDA0连接在GPIO44上，SCL0连接在GPIO45上; 需要注意的使这两个管脚默认被分配给
  
  CSI1/DIS1使用，只有当CSI1/DSI1未启用时，这两个管脚才能用作通用的i2c接口
• CSI/DSI默认是关闭的，使用摄像头和DSI的时候会占用I2C-10/I2C-11/I2C-0三个I2C设备
• 关于i2c这一部分有一个疑问：为什么没有SDA2/SCL2呢？只有SDA0/1/3/4/5/6和SCL0/1/2/3/4/5？
• i2c和GPIO的复用关系如下图中绿色框标出来的部分
  
  
  
  

3.3 启用i2c0

• 最简单的方法是通过raspi-config来启用i2c,这种方法已经有不少相关文章了，在此不在赘述，接下来要说的是另一种方式

• 修改/boot/config.txt或/boot/firmware/config.txt，向其中添加如下内容

  dtparam=i2c_vc=on
  

• 向/etc/modules中添加i2c-dev

  $ sudo echo "i2c-dev" >> /etc/modules
  $ sudo echo " " >> /etc/modules          # 追加一个空行
  

• 重启生效

3.4 检查i2c0是否启用成功

• 查看GPIO复用关系表可知，i2c0的时钟线和数据线由GPIO44/45复用而来
• 查看GPIO复用关系,如下图，可以看到GPIO44/45被复用为function alt1，正式i2c0的两个管脚

  sudo cat /sys/kernel/debug/pinctrl/fe200000.gpio-pinctrl-bcm2711/pinmux-pins
  

  

3.5 使用i2c-tools进行调试

• 安装i2c调试工具i2c-tools

  sudo apt-get install -y i2c-tools
  

• 查看所有的i2c总线

  sudo i2cdetect -l
  

  

• 注意：硬件上i2c0 SDA0/SCL0对应的是这里的i2c-10, 参考《cm4io-datasheet.pdf》的2.9. Fan connector章节

• 我在i2c0上接了一个数字温度传感器，地址0x49

• 查看i2c-10上有哪些设备,只需要关注0x49即可

  $ sudo i2cdetect -y 10
       0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f
  00:                         -- -- -- -- -- -- -- --
  10: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
  20: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
  30: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
  40: -- -- -- -- -- -- -- -- -- 49 -- -- -- -- -- --
  50: -- 51 -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
  60: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
  70: 70 71 72 73 -- -- -- --
  
  

• 尝试读取一下温度，0x29换算一下正好是41℃

  $ sudo i2cget -f -y 10 0x49
  0x29
  

4. SPI配置

4.1 参考资料

• 《bcm2711-peripherals.pdf》的2.3. Universal SPI Master (2x)章节

4.2 硬件资源

• 树莓派CM4最多可启用五路SPI,SPI0/1/3/4/5/6,问题：和i2c一样，为什么没有SPI2 ？
• 另外，虽然从GPIO复用表中能够找到六路SPI的管脚定义，但是有些SPI的管脚是冲突的，最多只能启用五路SPI

4.3 使能SPI

• 在SPI0上连接一个2 inch的显示屏，分辨率240 * 320,官方资料如下

https://www.waveshare.net/wiki/2inch_LCD_Module#.E4.B8.8A.E5.B1.82.E5.BA.94.E7.94.A8

• 原理图如下
  
  

• 使能SPI，使用raspi-config可以很方便地开启SPI；这里选择使用另一种方式：修改config.txt的方式来使用SPI

• 修改/boot/firmware/config.txt，取消#dtparam=spi=on这一行的注释，如果没有相关内容，手动添加之
  
  

• 重启生效，重启后就能够看到SPI对应的设备节点/dev/spidev0.0和/dev/spidev0.1

4.4 SPI屏幕输出

• 安装libraspberrypi-dev

  $ sudo apt-get install libraspberrypi-dev
  

• FBCP移植

  • FBCP (Framebuffer Copy) 用于将帧缓冲中的内容复制到一个显示设备上

  • 直接在树莓派中进行编译，避免交叉编译

  • 获取源码,安装相关依赖

    $ wget https://www.waveshare.net/w/upload/1/18/Waveshare_fbcp.zip
    $ unzip Waveshare_fbcp.zip
    $ cd Waveshare_fbcp/
    $ sudo chmod +x ./shell/*
    $ sudo apt-get install -y cmake unzip
    

  • 修改编译脚本./shell/waveshare-2inch,修改如下

    #!/bin/bash
    
    # 清空编译输出目录
    sudo rm -rf $(dirname "$0")/../build
    mkdir $(dirname "$0")/../build
    # 进入编译输出目录
    cd $(dirname "$0")/../build
    # cmake构建Makefile
    sudo cmake -DSPI_BUS_CLOCK_DIVISOR=20 -DWAVESHARE_2INCH_LCD=ON -DBACKLIGHT_CONTROL=ON -DSTATISTICS=0 ..
    # 开始编译
    sudo make -j$(nproc)
    

    

  • 开始编译

    Waveshare_fbcp$ sudo ./shell/waveshare-2inch
    

  • 编译得到的fbcp就是所需的驱动程序
    
    

  • 安装fbcp到/usr/local/bin/目录下,注意检查是否有可执行权限

    Waveshare_fbcp$ sudo cp ./build/fbcp /usr/local/bin/
    

  • 在/etc/rc.local中添加如下内容，实现fbcp开机自启

    sudo fbcp &
    

  • 修改/boot/firmware/config.txt,注释掉DRM VC4 V3D相关内容，添加屏幕信息

    # 注释以下内容
    # Enable DRM VC4 V3D driver
    # dtoverlay=vc4-kms-v3d
    # max_framebuffers=2
    
    hdmi_force_hotplug=1
    max_usb_current=1
    hdmi_group=2
    hdmi_mode=1
    hdmi_mode=87
    hdmi_cvt 320 240 60 6 0 0 0
    hdmi_drive=2
    display_rotate=90         # 我是将屏幕横过来使用的，故需要旋转90°
    

  • 重启，正常情况下就能够看到屏幕显示了，并且会产生一个新的设备节点/dev/fb0
    
    

4.5 使用FFmpeg在屏幕上播放视频

• 安装ffmpeg

  $ sudo apt-get install -y ffmpeg
  

• 由于屏幕的分辨率是320 * 240,需要将视频转成相应的分辨率后才能完美播放,可以参考下面的命令

  $ ffmpeg -i input.mp4 -vf "scale=320:-1" output.mp4
  

• 播放视频,循环播放；注意：必须要指定使用/dev/fb0 播放

  $ sudo ffmpeg -re -stream_loop -1 -i /home/jun/output.mp4 -vf "setpts=1.0*PTS" -pix_fmt bgra -f fbdev /dev/fb0
  

• 显示效果

  

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