AXI_DMA IP核实战：24路并行数据高速存储方案

原创于 2025-12-01 10:15:03 发布 · 828 阅读

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#fpga开发 #AXI_DMA #ADC采样并行数据存储 #高速并行数据存储

本文是AXI Direct Memory Access IP核在Direct Register模式下的实战例程，参考文档：

AXI Direct Memory Access IP核（1）：AXI DMA深度解析_xilinx axi-dma-优快云博客

AXI Direct Memory Access IP核（2）：AXI DMA --Direct Register模式仿真例程（xilinx example）_xilinx axi direct memory access-优快云博客

源代码：

【免费】AXI-DMAIP核实战：24路并行数据高速存储实战程序资源-优快云下载

1 概述

在FPGA开发中，经常需要处理多路并行数据的采集与存储。本文将分享一个实际项目案例：将24路24位并行数据通过AXI_DMA高效地存入BRAM中。这个设计方案已经在我们的项目中稳定运行，希望能为有类似需求的开发者提供参考。

2 系统架构

整个系统由以下几个关键模块组成：

数据产生模块：定时产生24路24位测试数据
并行数据转AXIS模块：核心数据转换逻辑
AXI_DMA IP核：实现AXIS到AXI4总线的转换
AXI_VIP：用于配置和控制AXI_DMA
BRAM控制器：管理BRAM存储空间

3 详细设计说明

3.1 数据产生模块

数据产生模块以50MHz时钟运行，每1us（50个时钟周期）产生一组完整的24路24位数据，主状态机控制流程如下，详细设计可以参考资源【免费】AXI-DMAIP核实战：24路并行数据高速存储实战程序资源-优快云下载

// 数据生成组合逻辑
always @(*) begin
    data_in_0 = {(24'h300000 + base_value[23:0]), (24'h200000 + base_value[23:0]), (24'h100000 + base_value[23:0]), (24'h000000 + base_value[23:0])};
    data_in_1 = {(24'h700000 + base_value[23:0]), (24'h600000 + base_value[23:0]), (24'h500000 + base_value[23:0]), (24'h400000 + base_value[23:0])};
    data_in_2 = {(24'hB00000 + base_value[23:0]), (24'hA00000 + base_value[23:0]), (24'h900000 + base_value[23:0]), (24'h800000 + base_value[23:0])};
    data_in_3 = {(24'hF00000 + base_value[23:0]), (24'hE00000 + base_value[23:0]), (24'hD00000 + base_value[23:0]), (24'hC00000 + base_value[23:0])};
    data_in_4 = {(24'h130000 + base_value[23:0]), (24'h120000 + base_value[23:0]), (24'h110000 + base_value[23:0]), (24'h100000 + base_value[23:0])};
    data_in_5 = {(24'h170000 + base_value[23:0]), (24'h160000 + base_value[23:0]), (24'h150000 + base_value[23:0]), (24'h140000 + base_value[23:0])};
end

// -------------- 控制状态机
reg [2:0] current_state,next_state;
always @(posedge data_clk or negedge data_rstn) begin
    if (!data_rstn) begin
        current_state <= IDLE;
    end else begin
        current_state <= next_state;
    end
end
// -------------- 主状态机
always @ (*) begin
    next_state = current_state;
    case(current_state)
    IDLE:begin
        next_state <= DATA_GEN;
    end
    DATA_GEN:begin
        next_state <= DATA_VALID;
    end
    DATA_VALID:begin
        next_state <= DATA_WAIT;
    end
    DATA_WAIT:begin
        if (cycle_counter == DATA_FRE-1) begin
            next_state <= DATA_GEN;
        end
        else begin
            next_state = current_state;
        end
    end
    default:begin
        next_state = IDLE;
    end
    endcase

3.2 并行数据转AXIS模块

这是整个设计的核心，内部主要包含两个状态机。

3.2.1 状态机1：接收并行数据并按通道写入FIFO

状态机设计：

IDLE状态：等待传输使能信号
COLLECT_V状态：等待数据valid信号
COLLECT_D状态：根据计数器将数据依次存入FIFO，如果存储的数据已经足够gpio_package_length，就返回IDEL状态，等待下一次传输。

关键逻辑实现：

/ -------------- 控制状态机
reg [2:0] current_state,next_state;
always @(posedge data_clk or negedge data_rstn) begin
    if (!data_rstn) begin
        current_state <= IDLE;
    end else begin
        current_state <= next_state;
    end
end
// ------------ 主状态机 
always @ (*) begin
    next_state = current_state;
    case(current_state)
    IDLE:begin
        if (data_wr_en_d0 & !data_wr_en_d1) begin
            next_state = COLLECT_V;
        end
    end
    COLLECT_V:begin
        if (word_valid_d0 & !word_valid_d1) begin  //全为1，上升沿检测
            next_state = COLLECT_D;
        end
        else begin
            next_state = current_state;
        end
    end
    COLLECT_D:begin
        if (Rec_count == gpio_packet_length_reg-1 ) begin
            next_state = IDLE;
        end
        else if (ch_count == CH_NUM-1) begin //共24个通道
            next_state = COLLECT_V;
        end
        else begin
            next_state = current_state;
        end
    end
    default:begin
        next_state = IDLE;
    end
    endcase
end

3.2.2 状态机2：从FIFO中取数据并转为AXIS

状态机设计：

IDLE状态：等待传输使能信号
UPDATE_LENGTH状态：取本次应该传输的数据量。
PREPARE_DATA状态：从FIFO中取数据
TRANSFER状态：转为AXIS总线形式，如果取数据量不足gpio_package_length，就返回PREPARE_DATA状态继续取数据，如果数据已经足够gpio_package_length，就返回IDEL状态，等待下一次传输使能。

关键逻辑实现：

// 状态寄存器
always @(posedge m_axis_clk or negedge m_axis_rstn) begin
    if (!m_axis_rstn) begin
        current_state_r <= IDLE;
    end else begin
        current_state_r <= next_state_r;
    end
end
// 状态转移逻辑
always @(*) begin
    next_state_r = current_state_r;
    case(current_state_r)
    IDLE:begin
        if (start_en_d0 & !start_en_d1) begin  // recieve start flag
            next_state_r = UPDATE_LENGTH;
        end
    end
    UPDATE_LENGTH:begin
        if (!fifo_rd_empty) begin  // 当有数据需要传输时，先更新数据量
            next_state_r = PREPARE_DATA;
        end
    end
    PREPARE_DATA:begin
        if (!fifo_rd_empty) begin // 
            next_state_r = TRANSFER;
        end
    end
    TRANSFER:begin
        if (axis_tready && axis_tvalid ) begin  
            if (trans_count == gpio_packet_length_reg - 1) begin  // data trans finish
                next_state_r = IDLE;
            end
            else begin
                next_state_r = PREPARE_DATA;
            end
        end
    end
    endcase
end

3.3 AXI_VIP模块配置AXI_DMA模块

3.3.1 AXI_DMA的GUI配置

其使用的是通用DMA模式，只使能了S2MM通道。

3.3.2 AXI_VIP仿真激励

配置AXI_DMA的传输使能、中断、目的地址、数据长度。详细可查看AXI Direct Memory Access IP核（1）：AXI DMA深度解析_xilinx axi-dma-优快云博客

AXI Direct Memory Access IP核（2）：AXI DMA --Direct Register模式仿真例程（xilinx example）_xilinx axi direct memory access-优快云博客

之后拉起start_en，即告诉系统可以开始传输数据了。

当接收到AXI_DMA传输完成的中断的时候，清中断，之后重新配置AXI_DMA，使能start_en，发起下一次传输。

4 仿真结果

从下图可以看出，每隔一段时间，就会收到来资源前端的有效数据。

4.1 关于写FIFO：

当ADMA配置完成之后，会拉起start_en；

当数据转换模块检测到 start_en之后，开始检测有效数据

当检测到有效数据valid之后，将数据写入fifo

当写入数据量，足够我们要求的数据量时（本次是1024个32bit），停止写入

以上为写FIFO的工作流程

4.2 关于读FIFO：

当ADMA配置完成之后，会拉起start_en；

当数据转换模块检测到 start_en之后，开始等待FIFO有数据

当检测到FIFO有数据之后，从FIFO中取数据

取够我们所需要的数据量之后，tlast拉起，停止取数

因为我们写入的数据量和取走的数据量是一致的，故我们可以看到到最后一拍的时候我们的fifo是empty的状态

4.3 仿真结论：

通过trans count我们也可以看出，我们的parallel_to_axis_converter，每次发出的数据均是1024个32bit，一个tlast信号。

我们再来看看ADMA端

ADMA端，1024个数据一个Tlast信号，之后数据转为AXI4存入ram，然后拉起adma的中断。

最后再来看看存入RAM的数据，因为我每次都是从0x000地址开始的，然后递增的方式存进去。

所以可以根据BRAM中的数据写入情况来查看。