AXI channel dependencies

The AXI protocol defines dependencies between the different channels.
Three of the main dependencies are as follows:
• WLAST transfer must complete before BVALID is asserted.
◦ The manager must send all the write data before a write response can be seen by the
manager. This dependency does not exist in AXI3 but is introduced for AXI4:
◦ In AXI3, the address does not have to be seen before a write response is sent.
◦ In AXI4, all of the data and the address must have been transferred before the manager can
see a write response.
• RVALID cannot be asserted until ARADDR has been transferred.
◦ The subordinate cannot transfer any read data without it seeing the address first. This is
because the subordinate cannot send data back to the manager if it does not know the
address that the data will be read from.
• WVALID can assert before AWVALID.
◦ A manager could use the Write Data channel to send data to the subordinate, before
communicating the address where the subordinate should write these data.

AXI协议中实现单端口多通道DMA(Direct Memory Access)是一种常见的设计模式,尤其在需要高效数据传输的应用场景中。AXI协议是ARM公司提出的一种高性能、高带宽的总线协议,广泛应用于嵌入式系统和FPGA设计中。单端口多通道DMA的设计可以在不增加硬件复杂度的前提下,实现多个数据流的并行处理。 ### 单端口多通道DMA的基本概念 在单端口多通道DMA架构中,DMA控制器通过一个AXI端口与系统总线连接,但支持多个独立的数据传输通道。每个通道可以独立配置,例如源地址、目标地址、传输长度等,并且可以在不同的时间触发数据传输操作。这种设计允许多个外设或内存区域之间的数据传输同时进行,而不会相互干扰。 ### 工作原理 单端口多通道DMA的工作原理主要依赖于DMA控制器内部的多路复用机制。DMA控制器内部通常包含多个独立的通道寄存器组,每个寄存器组负责管理一个通道的配置信息。当某个通道被激活时,DMA控制器会根据该通道的配置信息,自动从源地址读取数据并写入目标地址,整个过程不需要CPU的干预。 在AXI协议中,DMA控制器通过AXI主接口与系统总线通信。AXI主接口支持突发传输模式,可以一次性传输多个数据项,从而提高传输效率。DMA控制器内部的仲裁器负责在多个通道之间进行优先级调度,确保高优先级的通道能够及时获得总线访问权。 ### 实现方式 实现单端口多通道DMA的关键在于DMA控制器的设计。以下是一些常见的实现方式: 1. **硬件多路复用**:DMA控制器内部通过多路复用器选择当前需要传输的通道,并将该通道的配置信息传递给AXI主接口。这种方式可以通过简单的状态机实现,适用于通道数量较少的情况。 2. **软件配置**:DMA控制器的每个通道都有独立的寄存器组,用户可以通过软件配置每个通道的参数。这种方式提供了更高的灵活性,允许用户动态调整每个通道的行为。 3. **优先级仲裁**:DMA控制器内部包含一个优先级仲裁器,用于在多个通道之间分配总线访问权。仲裁器可以根据预设的优先级策略(如轮询、固定优先级等)决定哪个通道可以使用总线。 4. **中断机制**:每个DMA通道在传输完成后可以产生中断,通知CPU传输已经完成。中断机制可以用于触发后续的处理逻辑,或者更新传输状态。 ### 代码示例 以下是一个简单的Verilog代码示例,展示了如何在FPGA中实现一个单端口多通道DMA控制器的基本结构: ```verilog module dma_controller ( input wire clk, input wire rst_n, input wire [31:0] src_addr [0:15], // 源地址数组,支持16个通道 input wire [31:0] dst_addr [0:15], // 目标地址数组,支持16个通道 input wire [31:0] transfer_size [0:15], // 传输大小数组,支持16个通道 input wire start [0:15], // 启动信号数组,每个通道一个 output reg done [0:15], // 完成信号数组,每个通道一个 output reg [31:0] axi_awaddr, // AXI写地址 output reg [31:0] axi_wdata, // AXI写数据 output reg axi_wvalid, // AXI写有效 input wire axi_wready, // AXI写准备好 output reg axi_bready, // AXI写响应准备好 input wire [1:0] axi_bresp, // AXI写响应 output reg [31:0] axi_araddr, // AXI读地址 output reg axi_rready, // AXI读准备好 input wire [31:0] axi_rdata, // AXI读数据 input wire axi_rvalid, // AXI读有效 input wire [1:0] axi_rresp // AXI读响应 ); // 内部信号定义 reg [3:0] current_channel; // 当前活动的通道号 reg [31:0] current_count; // 当前传输计数器 reg [31:0] current_src; // 当前源地址 reg [31:0] current_dst; // 当前目标地址 reg [31:0] current_size; // 当前传输大小 reg transfer_in_progress; // 传输进行中标志 // 状态机定义 typedef enum logic [1:0] { IDLE, READ_DATA, WRITE_DATA } state_t; state_t current_state, next_state; // 状态机逻辑 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin current_state <= IDLE; current_channel <= 4'd0; current_count <= 32'd0; current_src <= 32'd0; current_dst <= 32'd0; current_size <= 32'd0; transfer_in_progress <= 1'b0; end else begin current_state <= next_state; case (next_state) IDLE: begin // 寻找下一个需要启动的通道 for (integer i = 0; i < 16; i = i + 1) begin if (start[i]) begin current_channel <= i; current_src <= src_addr[i]; current_dst <= dst_addr[i]; current_size <= transfer_size[i]; current_count <= 32'd0; transfer_in_progress <= 1'b1; break; end end end READ_DATA: begin // 读取数据 if (axi_rvalid && axi_rready) begin current_count <= current_count + 1; if (current_count == current_size - 1) begin next_state <= WRITE_DATA; end end end WRITE_DATA: begin // 写入数据 if (axi_wvalid && axi_wready) begin current_count <= current_count + 1; if (current_count == current_size - 1) begin done[current_channel] <= 1'b1; transfer_in_progress <= 1'b0; next_state <= IDLE; end end end endcase end end // 输出逻辑 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin axi_awaddr <= 32'd0; axi_wdata <= 32'd0; axi_wvalid <= 1'b0; axi_bready <= 1'b0; axi_araddr <= 32'd0; axi_rready <= 1'b0; end else begin case (current_state) IDLE: begin axi_awaddr <= 32'd0; axi_wdata <= 32'd0; axi_wvalid <= 1'b0; axi_bready <= 1'b0; axi_araddr <= 32'd0; axi_rready <= 1'b0; end READ_DATA: begin axi_araddr <= current_src + current_count * 4; axi_rready <= 1'b1; end WRITE_DATA: begin axi_awaddr <= current_dst + current_count * 4; axi_wdata <= axi_rdata; axi_wvalid <= 1'b1; axi_bready <= 1'b1; end endcase end end endmodule ``` ### 总结 单端口多通道DMA的设计在AXI协议中具有重要的应用价值,尤其是在需要高效数据传输的场景下。通过合理的设计,DMA控制器可以在不增加硬件复杂度的前提下,支持多个独立的数据传输通道,从而提高系统的整体性能和灵活性。 --- ###
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