软件版本：VIVADO2017.4 操作系统：WIN10 64bit 硬件平台：适用米联客 ZYNQ系列开发板 米联客(MSXBO)论坛：www.osrc.cn答疑解惑专栏开通，欢迎大家给我提问！！ 15.1 概述ZYNQ拥有ARM+FPGA这个神奇的架构，ARM和FPGA通过AXI4总线进行通信。本章对AXI总线源码进行分析，首先对总线和接口以及协议进行区别，其次通过分析AXI4-Lite，AXI4-Stream，AXI4总线的从机代码，进一步认识AXI协议，那么在后面学习AXI接口的IP时就不会有恐惧的心理。 这里需要特别说明一下AXI总线和AXI接口的关系。在ZYNQ中，支持AXI4-Lite，AXI4和AXI4-Stream三种总线协议，需要注意的是PS与PL之间的接口（AXI-GP接口，AXI-HP接口以及AXI-ACP接口）只支持AXI-Lite和AXI协议这两种总线协议。也就是说PL这边的AXI-Stream的接口是不能直接与PS对接的，需要经过AXI4或者AXI4-Lite的转换。比如后面将用到的VDMA IP ，它就实现了在PL内部AXI4到AXI-Stream的转换，VDMA利用的接口就是AXI-HP接口。 15.2 AXI总线与ZYNQ的关系AXI（Advanced eXtensible Interface）本是由ARM公司提出的一种总线协议，Xilinx从6系列的FPGA开始对AXI总线提供支持，此时AXI已经发展到了AXI4这个版本，所以当你用到Xilinx软件的时候看到的都是“AIX4”的IP，如Vivado打包一个AXI IP的时候，看到的都是Create a new AXI4 peripheral。 到了ZYNQ就更不必说了，AXI总线更是应用广泛，双击查看ZYNQ的IP核的内部配置，随处可见AXI的身影。 15.3 AXI总线和AXI接口以及AXI协议总线、接口和协议，这三个词经常被联系在一起，但是三者有区别。 总线是一组传输通道，是各种逻辑器件构成的传输数据的通道，一般由数据线、地址线、控制线等构成。 接口是一种连接标准，又被称为物理接口。 协议就是传输数据的规则。 15.3.1 AXI总线概述在ZYNQ中有支持三种AXI总线，拥有三种AXI接口，当然用的都是AXI协议。其中三种AXI总线分别为： AXI4：（For high-performance memory-mapped requirements.）主要面向高性能地址映射通信的需求，是面向地址映射的接口，允许最大256轮的数据突发传输； AXI4-Lite：（For simple, low-throughput memory-mapped communication ）是一个轻量级的地址映射单次传输接口，占用很少的逻辑单元。 AXI4-Stream：（For high-speed streaming data.）面向高速流数据传输；去掉了地址项，允许无限制的数据突发传输规模。 AXI4总线和AXI4-Lite总线具有相同的组成部分： （1）读地址通道，包含ARVALID, ARADDR, ARREADY信号； （2）读数据通道，包含RVALID, RDATA, RREADY, RRESP信号； （3）写地址通道，包含AWVALID，AWADDR, AWREADY信号； （4）写数据通道，包含WVALID, WDATA，WSTRB, WREADY信号； （5）写应答通道，包含BVALID, BRESP, BREADY信号； （6）系统通道，包含：ACLK，ARESETN信号。 AXI4总线和AXI4-Lite总线的信号也有他的命名特点： 读地址信号都是以AR开头（A：address；R：read） 写地址信号都是以AW开头（A：address；W：write） 读数据信号都是以R开头（R：read） 写数据信号都是以W开头（W：write） 应答型号都是以B开头（B：back（answer back）） 了解到总线的组成部分以及命名特点，那么在后续的实验中您将逐渐看到他们的身影。每个信号的作用暂停不表，放在后面一一介绍。 AXI4-Stream总线的组成有： （1）ACLK信号：总线时钟，上升沿有效； （2）ARESETN信号：总线复位，低电平有效 （3）TREADY信号：从机告诉主机做好传输准备； （4）TDATA信号：数据，可选宽度32,64,128,256bit （5）TSTRB信号：每一bit对应TDATA的一个有效字节，宽度为TDATA/8 （6）TLAST信号：主机告诉从机该次传输为突发传输的结尾； （7）TVALID信号：主机告诉从机数据本次传输有效； （8）TUSER信号 ：用户定义信号，宽度为128bit。 对于AXI4-Stream总线命名而言，除了总线时钟和总线复位，其他的信号线都是以T字母开头，后面跟上一个有意义的单词，看清这一点后，能帮助读者记忆每个信号线的意义。如TVALID = T+单词Valid（有效），那么读者就应该立刻反应该信号的作用。每个信号的具体作用，在后面分析源码时再做分析 |
// Ports of Axi Slave Bus Interface S00_AXI input wire s00_axi_aclk, input wire s00_axi_aresetn, input wire [C_S00_AXI_ADDR_WIDTH-1 : 0] s00_axi_awaddr, input wire [2 : 0] s00_axi_awprot, input wire s00_axi_awvalid, output wire s00_axi_awready, input wire [C_S00_AXI_DATA_WIDTH-1 : 0] s00_axi_wdata, input wire [(C_S00_AXI_DATA_WIDTH/8)-1 : 0] s00_axi_wstrb, input wire s00_axi_wvalid, output wire s00_axi_wready, output wire [1 : 0] s00_axi_bresp, output wire s00_axi_bvalid, input wire s00_axi_bready, input wire [C_S00_AXI_ADDR_WIDTH-1 : 0] s00_axi_araddr, input wire [2 : 0] s00_axi_arprot, input wire s00_axi_arvalid, output wire s00_axi_arready, output wire [C_S00_AXI_DATA_WIDTH-1 : 0] s00_axi_rdata, output wire [1 : 0] s00_axi_rresp, output wire s00_axi_rvalid, input wire s00_axi_rready |
没错笔者曾在《AXI总线概述》这节中提到了他们，这次通过源码分析再次隆重介绍它们。
Vivado为我们生成的AXI-Lite的操作源码，是一个模板，我们只需要读懂它，然后稍加修改，就可以在实际工程使用。
我们先来看一段源码中与WDATA相关的代码：
always @( posedge S_AXI_ACLK ) begin if ( S_AXI_ARESETN == 1'b0 ) begin slv_reg0 <= 0; slv_reg1 <= 0; slv_reg2 <= 0; slv_reg3 <= 0; end else begin if (slv_reg_wren) begin case ( axi_awaddr[ADDR_LSB+OPT_MEM_ADDR_BITS:ADDR_LSB] ) 2'h0: for ( byte_index = 0; byte_index <= (C_S_AXI_DATA_WIDTH/8)-1; byte_index = byte_index+1 ) if ( S_AXI_WSTRB[byte_index] == 1 ) begin // Respective byte enables are asserted as per write strobes // Slave register 0 slv_reg0[(byte_index*8) +: 8] <= S_AXI_WDATA[(byte_index*8) +: 8]; end 2'h1: for ( byte_index = 0; byte_index <= (C_S_AXI_DATA_WIDTH/8)-1; byte_index = byte_index+1 ) if ( S_AXI_WSTRB[byte_index] == 1 ) begin // Respective byte enables are asserted as per write strobes // Slave register 1 slv_reg1[(byte_index*8) +: 8] <= S_AXI_WDATA[(byte_index*8) +: 8]; end 2'h2: for ( byte_index = 0; byte_index <= (C_S_AXI_DATA_WIDTH/8)-1; byte_index = byte_index+1 ) if ( S_AXI_WSTRB[byte_index] == 1 ) begin // Respective byte enables are asserted as per write strobes // Slave register 2 slv_reg2[(byte_index*8) +: 8] <= S_AXI_WDATA[(byte_index*8) +: 8]; end 2'h3: for ( byte_index = 0; byte_index <= (C_S_AXI_DATA_WIDTH/8)-1; byte_index = byte_index+1 ) if ( S_AXI_WSTRB[byte_index] == 1 ) begin // Respective byte enables are asserted as per write strobes // Slave register 3 slv_reg3[(byte_index*8) +: 8] <= S_AXI_WDATA[(byte_index*8) +: 8]; end default : begin slv_reg0 <= slv_reg0; slv_reg1 <= slv_reg1; slv_reg2 <= slv_reg2; slv_reg3 <= slv_reg3; end endcase end end end |
这段程序的作用：
当PS向AXI4-Lite总线写数据时，将从总线上传输过来的数据存储到寄存器slv_reg。而slv_reg寄存器有0~3共4个。至于赋值给哪一个由
axi_awaddr[ADDR_LSB+OPT_MEM_ADDR_BITS:ADDR_LSB]决定，根据宏定义其实就是由axi_awaddr[3:2] （写地址中不仅包含地址，而且包含了控制位，这里的[3:2]就是控制位）决定赋值给哪个slv_reg。
PS调用写函数时，如果不做地址偏移的话，axi_awaddr[3:2]的值默认是为0的，举个例子，如果我们自定义的IP的地址被映射为0x43C00000，那么我们Xil_Out32(0x43C00000,Value)写的就是slv_reg0的值。如果地址偏移4位，如Xil_Out32(0x43C00000 + 4,Value) 写的就是slv_reg1的值，依次类推。
本例分析时只关注slv_reg0（其他几个寄存器结构相同，分析方法相同）：
for ( byte_index = 0; byte_index <= (C_S_AXI_DATA_WIDTH/8)-1; byte_index = byte_index+1 ) if ( S_AXI_WSTRB[byte_index] == 1 ) begin slv_reg0[(byte_index*8) +: 8] <= S_AXI_WDATA[(byte_index*8) +: 8]; end |
其中，C_S_AXI_DATA_WIDTH的宏定义的值为32，也就是数据位宽；S_AXI_WSTRB是写选通信号，S_AXI_WDATA就是写数据信号。
存在于for循环中的最关键的一句：
slv_reg0[(byte_index*8) +: 8] <= S_AXI_WDATA[(byte_index*8) +: 8];
当byte_index = 0的时候这句话就等价于：
slv_reg0[7:0] <= S_AXI_WDATA[7:0];
当byte_index = 1的时候这句话就等价于：
slv_reg0[15:8] <= S_AXI_WDATA[15:8];
当byte_index = 2的时候这句话就等价于：
slv_reg0[23:16] <= S_AXI_WDATA[23:16];
当byte_index = 3的时候这句话就等价于：
slv_reg0[31:24] <= S_AXI_WDATA[31:24];
也就是说，只有当写选通信号为1时，它所对应S_AXI_WDATA的字节才会被读取。
读懂了这段话之后，我们就知道了，如果我们想得到PS写到总线上的数据，我们只需要读取slv_reg0的值即可。
那么如果，我们想写数据到总线让PS读取该数据，我们该怎么做呢？我们继续来看有关RADTA读数据代码：
// Output register or memory read data always @( posedge S_AXI_ACLK ) begin if ( S_AXI_ARESETN == 1'b0 ) begin axi_rdata <= 0; end else begin // When there is a valid read address (S_AXI_ARVALID) with // acceptance of read address by the slave (axi_arready), // output the read dada if (slv_reg_rden) begin axi_rdata <= reg_data_out; // register read data end end end |
观察可知，当PS读取数据时，程序会把reg_data_out复制给axi_rdata（RADTA读数据）。我们继续追踪reg_data_out：
always @(*) begin // Address decoding for reading registers case ( axi_araddr[ADDR_LSB+OPT_MEM_ADDR_BITS:ADDR_LSB] ) 2'h0 : reg_data_out <= slv_reg0; 2'h1 : reg_data_out <= slv_reg1; 2'h2 : reg_data_out <= slv_reg2; 2'h3 : reg_data_out <= slv_reg3; default : reg_data_out <= 0; endcase end |
和前面分析的一样此时通过判断axi_awaddr[3:2]的值来判断将那个值给reg_data_out上，同样当PS调用读取函数时，这里axi_awaddr[3:2]默认是0，所以我们只需要把slv_reg0替换成我们自己数据，就可以让PS通过总线读到我们提供的数据。
这里可能有的读者会问了，slv_reg0不是总线写过来的数据吗？因为笔者说过这个程序是Vivado为我们提供的例子，它这么做无非是想验证写出去的值和读进入的值相等。但是他怎么写确实会对初看代码的人造成困扰。
最后笔者提出一个问题，为什么写通道要比读通道多了一列应答通道，这是为什么呢？
首先，你要知道这个应答信号是干什么用的？
写应答，主要是回复主机你这个写过程是没有问题的，那读为什么不需要这个过程呢？
这时因为主机在读取数据时，从机可以直接通过读数据通道给主机反馈信息，因此就没有必要再来开辟一个单独的应答通道了。
小结：
如果我们想读AXI4_Lite总线上的数据时，只需关注slv_reg的数据，我们可自行添加一段代码，如：
reg [11:0]rlcd_rgb; always @( posedge S_AXI_ACLK ) begin if ( S_AXI_ARESETN == 1'b0 ) begin rlcd_rgb <= 12'd0; end else begin rlcd_rgb <= slv_reg0[11:0]; end end assign lcd_rgb = rlcd_rgb; |
如果我们想对AXI4_Lite信号写数据时，我们只需修改对reg_data_out的赋值，如：
//写总线测试修改！！！！！！！！！ wire[31:0]wlcd_xy;// = {10'd0,lcd_xy}; assign wlcd_xy = {10'd0,lcd_xy}; assign slv_reg_rden = axi_arready & S_AXI_ARVALID & ~axi_rvalid; always @(*) begin // Address decoding for reading registers case ( axi_araddr[ADDR_LSB+OPT_MEM_ADDR_BITS:ADDR_LSB] ) 2'h0 : reg_data_out <= wlcd_xy;//slv_reg0; 2'h1 : reg_data_out <= slv_reg1; 2'h2 : reg_data_out <= slv_reg2; 2'h3 : reg_data_out <= slv_reg3; default : reg_data_out <= 0; endcase end |
最后强调下如果我们自定义的IP的地址被映射为0x43C00000，那么我们Xil_Out32(0x43C00000,Value)写的就是slv_reg0的值。如果地址偏移4位，如Xil_Out32(0x43C00000 + 4,Value) 写的就是slv_reg1的值，依次类推。
目前这里只有4个寄存器，那是因为之前选择的是4个，其实我们可以定义的更多：
在ps的头文件里可以看到我们自定义的IP的地址是有个范围的
#define XPAR_MYIPFREQUENCY_0_S00_AXI_BASEADDR 0x43C00000
#define XPAR_MYIPFREQUENCY_0_S00_AXI_HIGHADDR 0x43C0FFFF
理论上只要基地址 + 偏移量不要超过HIGHADDR即可。
分析完源码后，我们不做修改，直接对IP进行封装。
(IP生成及修改的详细步骤请参考《自定义IP User_GPIO实验》，这里只做原理性讲解)
Step1:新建一个工程，添加之前自定义的IP。
Step2:添加Debug 信号，并自动连线。连接好后的原理图如下所示。
Step3:点击Generate the Output Products，自动生成顶层文件。
Setp4:综合映射，生成Bit文件。导出硬件，加载SDK。
Step5:创建一个新的空工程。
Step6:将提供例程中SDK工程的main.c源文件复制，并粘贴到新建SDK工程。
Step7:右击工程，选择Debug as ->Debug configurations。
Step8:选中system Debugger,双击创建一个系统调试，点击Apply，点击Debug。
Step9:回到VIVADO界面，单击Open Hardware Manager àOpen Target->Auto Connect
Step10:加载完成后的界面
Step7:Trigger Setup,点击“+”，选择AXI_WVALID，双击添加。设置Radix为B，触发条件Value为1。
Step8:设置触发位置为512
Step9:单击运行按钮，启动触发。
Step10:进入等待触发状态
Step11:单击SDK中的运行按钮后，VIVADO 中 HW_ILA2 窗口采集到波形输出，可以看到AXI总线的工作时序。
SDK中mian.c程序功能是向AXI4总线写入1~4，再从AXI4总线读数据，从上面对未修改直接封装的IP分析，可以，读出的数据应等于写入的数据。
从波形图可以看出，写入的数据是1、2、3、4，对应基地址的偏移地址是0、4、8、12。
Step12:在SDK中打开串口，可以看到串口在打印从AXI4总线读出的数据，分别是1、2、3、4。写入数据与读出数据一致。这样我们完成了对AXI4-lite总线接口的IP的读写测试。
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