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rp2pio: background_write(loop=) delivers zero/partial data above ~150 MHz system clock (Metro RP2350)

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Valutazione

Difficoltà
4/5
Tempo stimato
3-5 giorni
Idoneità per principianti
48/100
Tipo di issue
Bug
Chiarezza
Specificata chiaramente
Stato di attività
Tranquilla
Stack tecnologico
c, python
Ambito
embedded-iot

Direzione di ricerca

Start with the implementation of rp2pio.StateMachine.background_write() and trace how its DMA loop restarts; the issue does not name source files or tests. Reproduce the supplied loop=buf case on an RP2350 at 150 MHz and above, then verify that the GPIO output continues to match the buffer across loop restarts.

Scritto dal modello di indicizzazione a partire dal testo della issue.

Descrizione

bug rp235x
CircuitPython version and board name
CircuitPython versions tested: 10.0.3, 10.1.3
  Hardware: Adafruit Metro RP2350 (RP2350B) using A2 stepping (that can have issues)
Code/REPL
import board, rp2pio, adafruit_pioasm, microcontroller, gc, time, digitalio

  microcontroller.cpu.frequency = 252_000_000

  vga_program = adafruit_pioasm.assemble("""
  .program vga_rgb_hsync
  .side_set 1
  .wrap_target
      set y, 15           side 1
  pixel_loop:
      out pins, 8         side 1 [1]
      out pins, 8         side 1 [1]
      out pins, 8         side 1 [1]
      out pins, 8         side 1 [1]
      out pins, 8         side 1 [1]
      out pins, 8         side 1 [1]
      out pins, 8         side 1 [1]
      out pins, 8         side 1 [1]
      out pins, 8         side 1 [1]
      out pins, 8         side 1 [1]
      out pins, 8         side 1 [1]
      out pins, 8         side 1 [1]
      out pins, 8         side 1 [1]
      out pins, 8         side 1 [1]
      out pins, 8         side 1 [1]
      out pins, 8         side 1 [1]
      out pins, 8         side 1 [1]
      out pins, 8         side 1 [1]
      out pins, 8         side 1 [1]
      out pins, 8         side 1 [1]
      jmp y-- pixel_loop  side 1
      nop                 side 1 [7]
      set x, 4            side 0 [15]
  hsync_loop:
      nop                 side 0 [14]
      jmp x-- hsync_loop  side 0
      nop                 side 1 [15]
      nop                 side 1 [15]
      nop                 side 1 [6]
  .wrap
  """)

  # 320x525 frame buffer, all 0xFF (expected output: solid white)
  buf = bytearray([0xFF] * 320 * 525)

  vsync = digitalio.DigitalInOut(board.D11)
  vsync.direction = digitalio.Direction.OUTPUT
  vsync.value = True

  sm = rp2pio.StateMachine(
      vga_program,
      frequency=25_175_000,
      first_out_pin=board.D2,
      out_pin_count=8,
      first_sideset_pin=board.D10,
      sideset_pin_count=1,
      auto_pull=True,
      pull_threshold=8,
      out_shift_right=False,
  )

  sm.background_write(loop=buf)
  time.sleep(0.1)
  print(f"sm.writing: {sm.writing}")  # True
  # GPIO2–9 output: wrong data (see results table below)
Behavior

Expected: GPIO2–9 output matches buf contents (0xFF = solid white).

Results by version and configuration

Config A — v6 PIO: 25.175 MHz SM, out [1] (2 cycles/pixel), 252 MHz CPU:

  ┌─────────┬────────────┬──────────────────────────────────────────────────┐
  │ Version │ sm.writing │                      Screen                      │
  ├─────────┼────────────┼──────────────────────────────────────────────────┤
  │ 10.0.3  │ True       │ All black — zero data delivered                  │
  ├─────────┼────────────┼──────────────────────────────────────────────────┤
  │ 10.1.3  │ True       │ Top ~40% shows partial colour; bottom ~60% black │
  └─────────┴────────────┴──────────────────────────────────────────────────┘

Config B — 252 MHz PIO: 50.4 MHz SM, out [3] (4 cycles/pixel), 252 MHz CPU
(replace frequency=25_175_000 with frequency=50_400_000 and change [1] → [3] in pixel loop):

  ┌─────────┬────────────┬───────────┐
  │ Version │ sm.writing │  Screen   │
  ├─────────┼────────────┼───────────┤
  │ 10.0.3  │ True       │ All black │
  ├─────────┼────────────┼───────────┤
  │ 10.1.3  │ True       │ All black │
  └─────────┴────────────┴───────────┘
Description

StateMachine.background_write(loop=buffer) delivers incorrect pixel data at system clocks ≥ ~160 MHz. DMA reports active (sm.writing=True), HSYNC sideset runs correctly (monitor syncs), but pixel output is wrong. Behavior partially improved in 10.1.3 but is not fixed.

Tested at 200 MHz CPU to rule out other causes:

  ┌─────────────────────────────────────────────┬─────────────────────────────────────────────────┐
  │                    Test                     │                     Result                      │
  ├─────────────────────────────────────────────┼─────────────────────────────────────────────────┤
  │ sm.write(buf) in loop                       │ Completes at ~60 Hz — one-shot DMA works        │
  ├─────────────────────────────────────────────┼─────────────────────────────────────────────────┤
  │ initial_out_pin_state=0xFF, NOP pixel loop  │ Colour visible — GPIO output and PIO clock work │
  ├─────────────────────────────────────────────┼─────────────────────────────────────────────────┤
  │ background_write(loop=buf) with 0xFF buffer │ Sync ✓, pixel data wrong                        │
  └─────────────────────────────────────────────┴─────────────────────────────────────────────────┘

Conclusion: The fault is specifically in background_write's DMA loop restart mechanism. One-shot DMA, GPIO output, and
PIO timing all work correctly at 200 MHz+.

Clock threshold

  ┌───────────┬───────────────────────────┐
  │ CPU clock │          Result           │
  ├───────────┼───────────────────────────┤
  │ 150 MHz   │ Correct ✓                 │
  ├───────────┼───────────────────────────┤
  │ 160 MHz   │ Corrupted / sync unstable │
  ├───────────┼───────────────────────────┤
  │ 200 MHz   │ Sync ✓, wrong data        │
  ├───────────┼───────────────────────────┤
  │ 252 MHz   │ Sync ✓, wrong data        │
  └───────────┴───────────────────────────┘

150 MHz is the rated RP2350B speed; the bug manifests at all tested overclock frequencies.

Additional information

No response

Lingua principale
C
Stelle
4.6k
Fork
1.4k
Merge medio
1g 7h
PR unite (30g)
166

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