【ZYNQ Ultrascale+ MPSOC FPGA教程】第三十二章 PL读写PS端DDR数据

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适用于板卡型号：

AXU2CGA/AXU2CGB/AXU3EG/AXU4EV-E/AXU4EV-P/AXU5EV-E/AXU5EV-P /AXU9EG/AXU15EG

实验Vivado工程目录为“pl_read_write_ps_ddr/vivado”。

实验vitis工程目录为“pl_read_write_ps_ddr /vitis”。

PL和PS的高效交互是zynq soc开发的重中之重，我们常常需要将PL端的大量数据实时送到PS端处理，或者将PS端处理结果实时送到PL端处理，常规我们会想到使用DMA的方式来进行，但是各种协议非常麻烦，灵活性也比较差，本节课程讲解如何直接通过AXI总线来读写PS端ddr的数据，这里面涉及到AXI4协议，vivado的FPGA调试等。

FPGA工程师工作内容

以下为FPGA工程师负责内容。

1. ZYNQ的HP端口使用

zynq 7000 SOC的HP口是 High-Performance Ports的缩写，如下图所示，一共有4个HP口，HP口是AXI Slave设备，我们可以通过这4个HP接口实现高带宽的数据交互。

2. 硬件环境搭建

1）基于“ps_hello”工程，在vivado的界面中HP的配置如下图(HP0~HP3)，这里面有使能控制，数据位宽选择，可选择32bit、64bit或128bit的位宽。我们的实验启用HP0配置为64bit位宽，使用的时钟是150Mhz，HP的带宽是150Mhz * 64bit，对于视频处理，ADC数据采集等应用都有足够的带宽。不需要AXI HPM0 LPD，取消选择。

2）添加复位模块，用于复位

3）在空白处右键选择”Creat Port”

配置如图

4）连接时钟和复位

5）选中引脚，点击Make External，将信号导出

并修改引脚名称如下图

并选择总线同步时钟为axi_hp_clk

6）点开Address Editor，如果发现地址没有分配，点击自动分配地址按钮

分配后的结果，可以看到访问DDR, QSPI, OCM的地址空间

保存设计，重新Generate Ouput Product

7）添加hdl文件

点击Finish

HDL层级关系更新结果

3. PL端AXI Master

AXI4相对复杂，但SOC开发者必须掌握，对于zynq的开发者，笔者建议能够在一些已有的模板代码基础上修改。AXI协议的具体内容可参考Xilinx UG761 AXI Reference Guide。在这里我们简单了解一下。

AXI4所采用的是一种READY，VALID握手通信机制，即主从模块进行数据通信前，先根据操作对各所用到的数据、地址通道进行握手。主要操作包括传输发送者A等到传输接受者B的READY信号后，A将数据与VALID信号同时发送给B，这是一种典型的握手机制。

AXI总线分为五个通道：

• 读地址通道，包含ARVALID, ARADDR, ARREADY信号；
• 写地址通道，包含AWVALID，AWADDR, AWREADY信号；
• 读数据通道，包含RVALID, RDATA, RREADY, RRESP信号；
• 写数据通道，包含WVALID, WDATA，WSTRB, WREADY信号；
• 写应答通道，包含BVALID, BRESP, BREADY信号；
• 系统通道，包含：ACLK，ARESETN信号；
  

其中ACLK为axi总线时钟，ARESETN是axi总线复位信号，低电平有效；读写数据与读写地址类信号宽度都为32bit；READY与VALID是对应的通道握手信号；WSTRB信号为1的bit对应WDATA有效数据字节，WSTRB宽度是32bit/8=4bit；BRESP与RRESP分别为写回应信号，读回应信号，宽度都为2bit，‘h0代表成功，其他为错误。

读操作顺序为主与从进行读地址通道握手并传输地址内容，然后在读数据通道握手并传输所读内容以及读取操作的回应，时钟上升沿有效。如图所示：

写操作顺序为主与从进行写地址通道握手并传输地址内容，然后在写数据通道握手并传输所读内容，最后再写回应通道握手，并传输写回应数据，时钟上升沿有效。如图所示：

在我们不擅长写FPGA的一些代码时我们往往要借鉴别人的代码或者使用IP core。在这里笔者从github上找到一个AXI master的代码，地址是https://github.com/aquaxis/IPCORE/tree/master/aq_axi_vdma。这个工程是一个自己写的VDMA，里面包含了大量可参考的代码。笔者这里主要使用了aq_axi_master.v这个代码用于AXI master读写操作。借鉴别人代码有时会节省很多时间，但如果不能理解的去借鉴，出现问题了很难解决。具体可以参考aq_axi_master.v代码，有部分修改。

4. ddr读写数据的检验

有了AXI Master读写接口以后比较编写了一个简单的验证模块，这个验证模块是用来验证ddr ip的，通过写入数据，然后读取出来比较。这里要注意的是PS端DDR的起始地址和大小，还有地址的单位是byte还是word，AXI总线的地址单位是byte，测试模块的地址单位是word（这里的word不一定是4byte）。文件名mem_test.v。

5. Vivado软件的调试技巧

AXI读写验证模块只有一个error信号用于指示错误，如果有数据错误我们希望能更精确的信息，altera的quartus II软件中有signal tap工具，xilinx 的ISE中有chipscope工具，这些都是嵌入式逻辑分析仪，对我们调试有很大帮助，在vivado软件中调试更加方便。在插入调试信号时有些信息可能会被优化掉，或者信号名称改变了就不容易识别，这个时候我们可以在程序代码里加入*mark_debug="true"*这样的属性，如下图的信号：

具体的添加方法在”PL的“Hello World”LED实验”中已经讲过，可参考。

并在XDC文件里绑定error信号到PL端LED灯上。

6. Vitis工程开发

以hello world为模板新建vitis工程如下

通过vitis下载程序后，系统会复位并且下载FPGA的bit文件。然后回到vivado界面点击Program and Debug栏自动连接目标如下图所示：

自动连接硬件后可发现JTAG连上的设备，其中有一个hw_ila_1的设备，这个设备就是我们debug设备，选中后可点击上方黄色三角按钮捕捉波形。如果有些信号没有显示完整，可点击波形旁边的“+”按钮添加。

点击捕获波形以后如下图所示，如果error一直为低，并且读写状态有变化，说明读写DDR数据正常，用户在这里可以自己查看其它的信号来观察写入DDR的数据和从DDR读出的数据。

7. 本章小结

zynq系统相对于单个FPGA或单个ARM要复杂很大，对开发者的基础知识要求较高，本章内容涉及到AXI协议、zynq的互联资源、vivado的和Vitis的调试技巧。这些都仅仅是基础知识，笔者在这里也仅仅是抛砖引玉，大家还是要多多练习，在不断练习中掌握技巧。