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07AXI4-FULL-MASTER IP FDMA详解(AXI4总线实战)

摘要: FDMA是米联客的基于AXI4总线协议定制的一个DMA控制器。本文对AXI4-FULL总线接口进行了封装，同时定义了简单的APP接口提供用户调用AXI4总线实现数据交互。这个IP 我们命名为FDMA(Fast Direct Memory Access)。有 ...

软件版本：vitis2020.2(vivado2020.2)

操作系统：WIN10 64bit

硬件平台：适用XILINX A7/K7/Z7/ZU/KU系列FPGA(米联客(milianke)MZU07A-EG硬件开发平台)

7.1概述

FDMA是米联客的基于AXI4总线协议定制的一个DMA控制器。本文对AXI4-FULL总线接口进行了封装，同时定义了简单的APP接口提供用户调用AXI4总线实现数据交互。这个IP 我们命名为FDMA(Fast Direct Memory Access)。

有了这个IP我们可以统一实现用FPGA代码直接读写PL的DDR或者ZYNQ/ZYNQMP SOC PS的DDR或者BRAM。FDMA IP CORE 已经广泛应用于ZYNQ SOC/Artix7/Kintex7 FPGA,同样适用于ultrascale/ultrascale+系列FPGA/SOC。

如果用过ZYNQ/ZYNQMP的都知道，要直接操作PS的DDR 通常是DMA 或者VDMA,然而用过XILINX 的DMA IP 和VDMA IP，总有一种遗憾，那就是不够灵活，还需要对寄存器配置，真是麻烦。XILINX 的总线接口是AXI4总线，自定义AXI4 IP挂到总线上就能实现对内存地址空间的读写访问。因此，我们只要掌握AXI4协议就能完成不管是PS还是PL DDR的读写操作。

米联客封装的AXI4总线协议命名位uiFDMA,自动2018年第一版本发布后，就引起了很多FPGA工程师的兴趣，并且得到了广大FPGA工程师的好评，但是FDMA1.0版本还是有一些局限和BUG，再实际的应用中被FPGA工程师发现，因此给了我们很多宝贵意见。借此2020版本教程更新发布之际，我们也对FDMA1.0版本升级到FDMA2.0版本。目前最新的版本是3.0版本，对2.0版本优化了自动burst的长度，提高了效率。

uiFDMA2.0/3.0新增特性：

1:支持多个FDMA IP同时挂带AXI-interconnect总线，同时工作

2:支持自动计算没错AXI-Burst长度，使用起来非常简单，只需要给出需要burst的长度。

从本文开始，我们从多个应用方案来演示FDMA的用途。

本文实验目的：

1:分析FDMA源码，掌握基于FDMA的APP接口实现AXI4-FULL总线接口的访问。

2:掌握自定义总线接口封装方法

3:自定义AXI-FULL-Slave IP用于验证FDMA的工作情况。

7.2AXI总线协议介绍

7.2.1AXI总线概述

在XIINX FPGA的软件工具vivado以及相关IP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。

由于AXI4和AXI4-Lite信号大部分一样，以下只介绍AXI4信号.另外对于AXI4-Stream协议不再本文中接收，后面有单独介绍的文章。

7.2.2AXI-4总线信号功能

1:时钟和复位

信号	方向	描述
ACLK	时钟源	全局时钟信号
ARESETn	复位源	全局复位信号，低有效

写地址通道信号：

信号	方向	描述
AWID	主机to从机	写地址ID，用来标志一组写信号
AWADDR	主机to从机	写地址，给出一次写突发传输的写地址
AWLEN	主机to从机	AWLEN[7:0]决定写传输的突发长度。AXI3只支持1~16次的突发传输（Burst_length=AxLEN[3:0]+1），AXI4扩展突发长度支持INCR突发类型为1~256次传输，对于其他的传输类型依然保持1~16次突发传输（Burst_Length=AxLEN[7:0]+1）。 burst传输具有如下规则： wraping burst ,burst长度必须是2,4,8,16 burst不能跨4KB边界不支持提前终止burst传输
AWSIZE	主机to从机	写突发大小，给出每次突发传输的字节数支持1、2、4、8、16、32、64、128
AWBURST	主机to从机	突发类型： 2'b00 FIXED：突发传输过程中地址固定，用于FIFO访问 2'b01 INCR ：增量突发，传输过程中，地址递增。增加量取决AxSIZE的值。 2'b10 WRAP：回环突发，和增量突发类似，但会在特定高地址的边界处回到低地址处。回环突发的长度只能是2,4,8,16次传输，传输首地址和每次传输的大小对齐。最低的地址整个传输的数据大小对齐。回环边界等于（AxSIZE*AxLEN） 2'b11 Reserved
AWLOCK	主机to从机	总线锁信号，可提供操作的原子性
AWCACHE	主机to从机	内存类型，表明一次传输是怎样通过系统的
AWPROT	主机to从机	保护类型，表明一次传输的特权级及安全等级
AWQOS	主机to从机	质量服务QoS
AWREGION	主机to从机	区域标志，能实现单一物理接口对应的多个逻辑接口
AWUSER	主机to从机	用户自定义信号
AWVALID	主机to从机	有效信号，表明此通道的地址控制信号有效
AWREADY	从机to主机	表明"从"可以接收地址和对应的控制信号