ZYNQ通过AXI DMA实现PL发送连续大量数据到PS DDR

硬件：ZYNQ7100
软件：Vivado 2017.4、Xilinx SDK 2017.4
  ZYNQ PL 和 PS 的通信方式有 AXI GPIO、BRAM、DDR等。对于数据量较少、地址不连续、长度规则的情况，BRAM 比较适用。而对于传输速度要求高、数据量大、地址连续的情况，比如 ADC，可以通过 AXI DMA 来完成。

1、硬件设计

1.1 ZYNQ7 Processing System IP核

  选中 M AXI GP0 和 S AXI HP0
  选中 PL 到 PS 的中断端口
其他按开发板要求配置。

1.2 AXI Direct Memory Access IP核

  AXI Direct Memory Access IP核配置如下图所示。由于只需要 PL 向 PS 的 DDR写数据，所以只使能了写通道。

1.3 AXI4-Stream Data FIFO IP核

  AXI4-Stream Data FIFO IP核用于缓存数据，它的接口按照 AXI4-Stream 协议通信，它的配置如下图所示。

1.4 连续数据生成模块

   编写一个生成连续数据的模块，它在接收到一个触发信号上升沿后，按 AXI4-Stream 协议输出连续数据。

module dma_frame_gen #(
    parameter TRANS_NUM = 32'd1550336 //1514*1024
    )
    (
    input resetn,
    input clk,
    input trans_start,
    // axi-stream
    output [31:0] m_axis_tdata,
    output [3:0] m_axis_tkeep,
    output m_axis_tlast,
    output m_axis_tvalid,
    input m_axis_tready
    );
    
assign m_axis_tkeep = 4'b1111;
reg trans_start_0, trans_start_1;
wire pos_trans_start;
assign pos_trans_start = trans_start_0 & (~trans_start_1);
always @(posedge clk or negedge resetn) begin
    if(~resetn) begin
        trans_start_0 <= 1'd0;
        trans_start_1 <= 1'd0;
    end
    else begin
        trans_start_0 <= trans_start;
        trans_start_1 <= trans_start_0;
    end
end
localparam IDLE = 2'b00;
localparam TRANS = 2'b01;
localparam DONE = 2'b10;
reg [1:0] state;
reg [31:0] trans_cnt;
reg [31:0] r_tdata;
reg r_tvalid, r_tlast;
always @(posedge clk or negedge resetn) begin
    if(!resetn) begin
        state <= IDLE;
        r_tdata <= 32'd0;
        r_tvalid <= 1'b0;
    end
    else begin
        r_tdata <= 32'd0;
        r_tvalid <= 1'b0;
        case(state)
            IDLE: begin
                if(pos_trans_start && m_axis_tready) begin
                    state <= TRANS;
                end
                else begin
                    state <= IDLE;
                end
            end
            TRANS: begin
                if(trans_cnt < TRANS_NUM) begin
                    state <= TRANS;
                    r_tvalid <= 1'b1;
                    r_tdata <= trans_cnt;
                end
                else begin
                    state <= DONE;
                end
            end
            DONE: begin
                state <= IDLE;
            end
            default: begin
                state <= IDLE;
            end
        endcase
    end
end
always @(posedge clk or negedge resetn) begin
    if(!resetn) begin
        r_tlast <= 1'b0;
    end
    else begin
        if(state == TRANS && trans_cnt == TRANS_NUM-1) begin
            r_tlast <= 1'b1;
        end
        else begin
            r_tlast <= 1'b0;
        end
    end
end
always @(posedge clk or negedge resetn) begin
    if(!resetn) begin
        trans_cnt <= 0;
    end
    else begin
        if(state == TRANS) begin
            trans_cnt <= trans_cnt + 1;
        end
        else begin
            trans_cnt <= 32'd0;
        end
    end
end
assign m_axis_tdata = r_tdata;
assign m_axis_tlast = r_tlast;
assign m_axis_tvalid = r_tvalid;
endmodule
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   把此模块添加到 block design 里，软件能自动识别 AXI4-Stream 端口。

1.5 block design整体设计

  block design整体设计如下图所示，主要的数据通路用橙色线表示。dma_frame_gen 的 m_axis 端口连接 AXI4-Stream Data FIFO 的 S_AXIS 端口，AXI4-Stream Data FIFO 的 M_AXIS 端口连接 AXI DMA Memory Access 的 S_AXIS_S2MM 端口，AXI DMA Memory Access 的 M_AXI_S2MM 端口连接 AXI SmartConnect 的 S00_AXI 端口，AXI SmartConnect 的 M00_AXI 端口连接 ZYNQ7 Processing System 的 S_AXI_HP0 端口。

2、软件设计

2.1 AXI DMA 初始化和 DMA 中断函数

void axi_dma_init()
{
	XAxiDma_Config *axi_dma_cfg_ptr;
	axi_dma_cfg_ptr = XAxiDma_LookupConfig(XPAR_AXIDMA_0_DEVICE_ID);
	XAxiDma_CfgInitialize(&axi_dma_0_inst, axi_dma_cfg_ptr);
	// interrupt
	XScuGic_SetPriorityTriggerType(&scugic_inst, XPAR_FABRIC_AXIDMA_0_VEC_ID, 0xA0, 0x3);
	XScuGic_Connect(&scugic_inst, XPAR_FABRIC_AXIDMA_0_VEC_ID, (Xil_InterruptHandler) axi_dma_rx_intr_handler, &axi_dma_0_inst);
	XScuGic_Enable(&scugic_inst, XPAR_FABRIC_AXIDMA_0_VEC_ID);
	XAxiDma_IntrEnable(&axi_dma_0_inst, XAXIDMA_IRQ_ALL_MASK, XAXIDMA_DEVICE_TO_DMA);
}
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void axi_dma_rx_intr_handler(void *CallBackRef)
{
	int timeout;
	u32 irq_status;
	XAxiDma *axidma_inst = (XAxiDma *)CallBackRef;
	irq_status = XAxiDma_IntrGetIrq(axidma_inst, XAXIDMA_DEVICE_TO_DMA);
	XAxiDma_IntrAckIrq(axidma_inst, irq_status, XAXIDMA_DEVICE_TO_DMA);
	if ((irq_status & XAXIDMA_IRQ_ERROR_MASK))
	{
//		error = 1;
		XAxiDma_Reset(axidma_inst);
		timeout = 10000;
		while(timeout)
		{
			if (XAxiDma_ResetIsDone(axidma_inst)) break;
			timeout--;
		}
		return;
	}
	if ((irq_status & XAXIDMA_IRQ_IOC_MASK))
	{
		dma_rx_done = 1;
	}
}
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2.2 初始化中断

void interrupt_init()
{
	XScuGic_Config *intc_cfg_ptr;
	intc_cfg_ptr = XScuGic_LookupConfig(XPAR_SCUGIC_SINGLE_DEVICE_ID);
	XScuGic_CfgInitialize(&scugic_inst, intc_cfg_ptr, intc_cfg_ptr->CpuBaseAddress);

	Xil_ExceptionRegisterHandler(XIL_EXCEPTION_ID_INT, (Xil_ExceptionHandler)XScuGic_InterruptHandler, &scugic_inst);
	Xil_ExceptionEnable();
}
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2.3 初始化 AXI GPIO

void axi_gpio_init()
{
	XGpio_Initialize(&axi_gpio_0_inst, XPAR_GPIO_0_DEVICE_ID);
	XGpio_SetDataDirection(&axi_gpio_0_inst, 1, 0x01);
}
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2.4 main 函数

  在 main 函数中先执行中断、AXI GPIO 和 AXI DMA 的初始化函数，然后 AXI GPIO 输出一个信号上升沿触发 dma_frame_gen 模块输出连续数据，XAxiDma_SimpleTransfer 函数触发一次 DMA 传输，Xil_DCacheFlushRange 函数刷新 Data Cache。DMA 传输完成后触发 DMA 中断，如果 DMA 传输成功，dma_rx_done 在 DMA 中断中置 1。

int main()
{
	int status;
	FIL fil;
	volatile int rec_data[BUF_SIZE] = {0};

	interrupt_init();
	axi_gpio_init();
	axi_dma_init();
	XGpio_DiscreteWrite(&axi_gpio_0_inst, 1, 0x01);
	XAxiDma_SimpleTransfer(&axi_dma_0_inst, (UINTPTR) rec_data, BUF_SIZE*sizeof(int), XAXIDMA_DEVICE_TO_DMA);
	XGpio_DiscreteClear(&axi_gpio_0_inst, 1, 0x01);
	Xil_DCacheFlushRange((UINTPTR) rec_data, BUF_SIZE*sizeof(int)); //刷新Data Cache
	while(!dma_rx_done);
	return 0;
}
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3、上板验证

  用 Debug 模式运行程序，在 main 函数的 return 0; 行放断点，当程序运行到断点处时，看 rec_data 中存的是从 0 到 BUF_SIZE-1 的连续数值，实验成功。

  dma_frame_gen 的 m_axis 端口输出波形如下图所示。

  AXI4-Stream Data FIFO 的 M_AXIS 端口输出波形如下图所示。

  AXI DMA Memory Access 的 M_AXI_S2MM 端口的写通道波形如下图所示。