[FPGA基础] DMA

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Xilinx FPGA AXI DMA 使用文档

1. 概述

AXI DMA（Direct Memory Access）是 Xilinx FPGA 中用于高效数据搬运的 IP 核，基于 AXI4 协议，支持存储器映射（AXI4）和流式（AXI4-Stream）数据传输。AXI DMA 广泛应用于处理器与外设间的高速数据传输，如视频处理、网络数据包传输等。本文档详细介绍 Xilinx AXI DMA 的使用，涵盖功能概述、接口描述、设计流程、Vivado IP 配置及示例代码，仅聚焦 AXI DMA。

2. AXI DMA 功能简介

AXI DMA 提供灵活的数据搬运能力，减轻处理器负担，支持以下模式：

Memory-Mapped to Memory-Mapped (MM2MM)：通过 AXI4 接口在存储器间传输数据。
Memory-Mapped to Stream (MM2S)：将存储器数据转换为 AXI4-Stream 数据流。
Stream to Memory-Mapped (S2MM)：将 AXI4-Stream 数据流写入存储器。
Scatter-Gather (SG)：支持非连续存储器块的自动化传输。
Simple DMA：直接寄存器控制的单次传输。

2.1 AXI DMA 关键特性

高带宽：支持突发传输，数据宽度可达32/64/128/256/512位。
双向通道：独立的 MM2S 和 S2MM 通道，可同时操作。
灵活控制：支持寄存器直接控制或 Scatter-Gather 模式。
中断支持：提供完成、错误等中断信号，便于处理器管理。
背压处理：通过 AXI4-Stream 的 TREADY 信号支持流控。

3. AXI DMA 接口描述

AXI DMA 包含以下主要接口（基于 PG021 AXI DMA v7.1）：

接口名	类型	描述
ACLK	输入	全局时钟信号，所有接口同步于此。
ARESETN	输入	全局复位信号，低电平有效。
AXI4-Lite 控制接口
S_AXI_LITE	AXI4-Lite 从接口	用于配置 DMA 寄存器（如控制、状态、缓冲区描述符地址）。
AXI4 存储器映射接口
M_AXI_MM2S	AXI4 主接口	读取存储器数据（MM2S 通道）。
M_AXI_S2MM	AXI4 主接口	写入存储器数据（S2MM 通道）。
AXI4-Stream 数据接口
M_AXIS_MM2S	AXI4-Stream 主接口	输出流数据（MM2S 通道）。
S_AXIS_S2MM	AXI4-Stream 从接口	接收流数据（S2MM 通道）。
中断信号
INTR_OUT	输出	中断信号，通知传输完成或错误。

主要信号（以 AXI4-Stream 为例）：

M_AXIS_MM2S：TDATA（数据）、TVALID、TREADY、TLAST（数据包结束）。
S_AXIS_S2MM：TDATA、TVALID、TREADY、TLAST、TUSER（可选用户信号）。

主要寄存器（通过 AXI4-Lite 访问）：

MM2S_DMACR：控制寄存器（启动/停止、模式选择）。
MM2S_SA：源地址寄存器（Simple 模式）。
MM2S_LENGTH：传输长度寄存器。
S2MM_DMACR、S2MM_DA、S2MM_LENGTH：S2MM 通道类似。
SG 模式寄存器：如描述符地址、状态寄存器等。

4. Xilinx FPGA 中的 AXI DMA 设计流程

在 Xilinx FPGA 中使用 AXI DMA 通常包括以下步骤：

4.1 需求分析

确定传输模式：MM2S、S2MM 或双向。
选择控制模式：Simple DMA（单次传输）或 Scatter-Gather（多块传输）。
确定数据宽度（32/64/128位等）和突发长度（最大256）。
分析存储器类型（DDR、BRAM）及带宽需求。

4.2 使用 Vivado IP 核

Vivado 提供 AXI DMA IP 核（PG021），以下为配置和相关 IP：

AXI DMA (PG021)：
- 功能：核心 DMA 功能，支持 MM2S、S2MM 和 Scatter-Gather。
- 配置：
  - 通道选择：启用 MM2S、S2MM 或两者。
  - 数据宽度：32/64/128/256/512位。
  - 模式：Simple DMA 或 Scatter-Gather。
  - 突发长度：最大256次。
  - 其他：中断使能、缓冲区深度等。
- 用途：处理器与 PL 间的高速数据搬运。
AXI Interconnect (PG059)：
- 功能：连接 AXI4 和 AXI4-Lite 接口，支持时钟域和数据宽度转换。
- 配置：支持多主多从，数据宽度匹配 DMA 设置。
- 用途：连接 DMA 到存储器（如 DDR）或处理器。
AXI4-Stream Data FIFO (PG080)：
- 功能：缓冲 AXI4-Stream 数据，支持异步时钟域。
- 配置：数据宽度匹配 DMA，深度可调。
- 用途：处理背压，平滑数据流。
Block Memory Generator (PG058)：
- 功能：提供片上 BRAM，连接 AXI DMA 的存储器接口。
- 配置：数据宽度和深度匹配 DMA。
- 用途：小型存储器测试或低延迟应用。
AXI Verification IP (PG267)：
- 功能：仿真验证 AXI4 和 AXI4-Stream 协议。
- 配置：模拟 DMA 的主/从接口。
- 用途：验证 DMA 配置和自定义逻辑。

在 Vivado 中：

打开 IP Catalog，搜索“AXI DMA”。
添加 AXI DMA IP，配置通道、数据宽度、模式等。
使用 Block Design 连接 AXI Interconnect、存储器（如 DDR 或 BRAM）和 AXI4-Stream 外设。
生成 IP 核并综合设计。

4.3 软件驱动开发

嵌入式系统（如 Zynq PS）：
- 使用 Xilinx SDK 或 Vitis，加载 AXI DMA 驱动（xaxidma.h）。
- 配置 DMA 寄存器，设置源/目的地址、传输长度。
- 处理中断，监控传输状态。
Scatter-Gather 模式：
- 准备缓冲区描述符链表，写入描述符地址寄存器。
- 使用驱动 API 管理描述符。

4.4 时序设计

确保 AXI4 和 AXI4-Stream 接口与 ACLK 同步。
使用 ARESETN 初始化 DMA 和相关逻辑。
遵循 VALID/READY（AXI4-Lite 和 AXI4-Stream）握手协议。

4.5 调试

使用 Vivado ILA 捕获 AXI4 和 AXI4-Stream 信号。
检查寄存器配置（通过 AXI4-Lite）、TVALID/TREADY 握手和 TLAST。
验证传输长度、地址对齐和中断触发。
使用 SDK/Vitis 调试器监控驱动行为。

5. 示例：AXI DMA MM2S 配置（Verilog + 驱动）

以下为 AXI DMA 的 Vivado 配置和简单驱动代码示例，展示 MM2S 传输（存储器到流）。

5.1 Vivado 配置

添加 AXI DMA IP：
- 数据宽度：32位。
- 启用 MM2S 通道，禁用 S2MM。
- 模式：Simple DMA。
- 突发长度：16。
- 启用中断。
连接 Block Design：
- AXI4-Lite：连接到处理器（如 Zynq PS）。
- M_AXI_MM2S：连接到 AXI Interconnect，再到 DDR 或 BRAM。
- M_AXIS_MM2S：连接到 AXI4-Stream 从设备（如自定义 IP 或 FIFO）。
- INTR_OUT：连接到处理器中断控制器。
生成位流：
- 综合、实现并生成 FPGA 比特流。

5.2 简单 AXI4-Stream 从设备（Verilog）

module axi4_stream_slave #(
    parameter C_S_AXIS_DATA_WIDTH = 32
) (
    input wire                          s_axis_aclk,
    input wire                          s_axis_aresetn,
    input wire [C_S_AXIS_DATA_WIDTH-1:0] s_axis_tdata,
    input wire                          s_axis_tvalid,
    output wire                         s_axis_tready,
    input wire                          s_axis_tlast
);

// 简单接收逻辑
reg [C_S_AXIS_DATA_WIDTH-1:0] data_buffer [0:15];
reg [3:0]                     buffer_index;
reg                           tready;

assign s_axis_tready = tready;

always @(posedge s_axis_aclk or negedge s_axis_aresetn) begin
    if (!s_axis_aresetn) begin
        tready <= 1'b0;
        buffer_index <= 4'b0;
    end else begin
        tready <= (buffer_index < 15); // 缓冲区未满
        if (s_axis_tvalid && tready) begin
            data_buffer[buffer_index] <= s_axis_tdata;
            if (s_axis_tlast) begin
                buffer_index <= 4'b0;
            end else if (buffer_index < 15) begin
                buffer_index <= buffer_index + 1;
            end
        end
    end
end

endmodule

5.3 驱动代码（C，基于 Zynq PS）

#include <xaxidma.h>
#include <xparameters.h>
#include <xil_printf.h>

#define DMA_DEV_ID      XPAR_AXIDMA_0_DEVICE_ID
#define TX_BUFFER_BASE  0x10000000 // DDR 地址
#define TX_LENGTH       64         // 传输字节数

XAxiDma AxiDma;

int main() {
    XAxiDma_Config *CfgPtr;
    int Status;

    // 初始化 DMA
    CfgPtr = XAxiDma_LookupConfig(DMA_DEV_ID);
    Status = XAxiDma_CfgInitialize(&AxiDma, CfgPtr);
    if (Status != XST_SUCCESS) {
        xil_printf("DMA 初始化失败\r\n");
        return XST_FAILURE;
    }

    // 禁用中断，Simple 模式
    XAxiDma_IntrDisable(&AxiDma, XAXIDMA_IRQ_ALL_MASK, XAXIDMA_DMA_TO_DEVICE);

    // 设置 MM2S 传输
    Status = XAxiDma_SimpleTransfer(&AxiDma, TX_BUFFER_BASE, TX_LENGTH, XAXIDMA_DMA_TO_DEVICE);
    if (Status != XST_SUCCESS) {
        xil_printf("DMA 传输启动失败\r\n");
        return XST_FAILURE;
    }

    // 等待传输完成
    while (XAxiDma_Busy(&AxiDma, XAXIDMA_DMA_TO_DEVICE)) {
        // 忙等待
    }

    xil_printf("DMA 传输完成\r\n");
    return XST_SUCCESS;
}

5.4 示例说明

硬件：AXI DMA 配置为 MM2S 模式，从 DDR 读取数据并输出到 AXI4-Stream 从设备。Verilog 代码实现简单的流接收逻辑。
软件：Zynq PS 通过 AXI4-Lite 配置 DMA，启动 Simple 模式传输，读取 DDR 数据。
功能：从 DDR 地址 0x10000000 读取 64 字节数据，传输到流接口。
可扩展为 Scatter-Gather 模式，处理非连续数据。

6. 注意事项

时钟与复位：
- 确保 AXI4、AXI4-Stream 和 AXI4-Lite 接口与 ACLK 同步。
- 使用 ARESETN 初始化 DMA 和外设。
握手协议：
- 确保 AXI4-Stream 的 TVALID/TREADY 正确握手，避免数据丢失。
- AXI4-Lite 配置需等待 READY 信号。
存储器对齐：
- 源/目的地址需与数据宽度对齐（如32位对齐4字节）。
- 突发传输需符合存储器边界。
性能优化：
- 增大突发长度（最大256）以提高带宽。
- 使用 Scatter-Gather 模式处理大块或非连续数据。
- 启用中断以减少处理器轮询开销。
调试与验证：
- 使用 AXI VIP 验证 AXI4 和 AXI4-Stream 接口。
- 通过 ILA 检查寄存器配置、握手信号和 TLAST。
- 使用 SDK/Vitis 调试器验证驱动行为。