【正点原子FPGA连载】第十五章AXI4接口之DDR读写实验--领航者ZYNQ之嵌入式开发指南

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第十五章AXI4接口之DDR读写实验

Xilinx从Spartan-6和Virtex-6系列开始使用AXI协议来连接IP核。在7系列和ZYNQ-7000 AP SoC器件中，Xilinx在IP核中继续使用AXI协议。本章我们对AXI协议作一个简单介绍，并在Vivado中实现一个AXI4接口的IP核，用于对ZYNQ PS端的DDR3进行读写测试。
本章包括以下几个部分：
1515.1简介
15.2实验任务
15.3硬件设计
15.4软件设计
15.5下载验证
15.1简介
ZYNQ将高性能ARM Cotex-A系列处理器与高性能FPGA在单芯片内紧密结合，为设计带来了如减小体积和功耗、降低设计风险，增加设计灵活性等诸多优点。在将不同工艺特征的处理器与FPGA融合在一个芯片上之后，片内处理器与FPGA之间的互联通路就成了ZYNQ芯片设计的重中之重。如果Cotex-A9与FPGA之间的数据交互成为瓶颈，那么处理器与FPGA结合的性能优势就不能发挥出来。
我们在前面的实验中介绍了一些ZYNQ PS与PL交互所使用的接口，比如《EMIO按键控制LED实验》中的EMIO，以及《AXI GPIO按键控制LED实验》中的AXI4-Lite接口等。其中AXI4-Lite接口属于AXI4总线协议，接下来我们将对该协议作一个更具体的介绍。
AXI的英文全称是Advanced eXtensible Interface，即高级可扩展接口，它是ARM公司所提出的AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）协议的一部分。在介绍AXI协议之前，我们首先要对通信协议有一个基本的概念。
简单来说，通信协议就是指双方进行信息传递所遵循的规则和约定。其实在我们的生活当中，比如在打电话的时候，就遵循着一些基本的“通信协议”。为了更形象的说明这一概念，我们首先来看一个通话记录：
《少林寺的通话记录》

• 老方丈：下午张三丰和灭绝师太要来参观，你去机场接一下，我把他俩手机号给你 //主机发送控制信号
• 小和尚：好的，稍等，我找张纸记一下。
• 老方丈：嗯。 //主机等待
• 小和尚：我准备好了，您说吧。 //从机返回Ready信号
• 老方丈：张三丰的是“123-321-34567”，灭绝师太的是“123-456-56789”。 //主机突发传输数据
• 小和尚：记下来了。 //从机返回响应信号
• 上面的通话记录是一次完整的通信过程，传输的信息是两个手机号。我们把“老方丈”当成主机，“小和尚”当成从机，那么这一通信过程由主机发起，最终向从机写入两组数据（手机号）。我们需要注意的是整个过程中二者的协调配合：为了确保数据传输无误，主机需要等从机准备好之后才能发送数据；另外从机在接收数据完成后，会发送响应信号，表示传输完成。
• 然后再来看另外一个通话记录：
• 《武当山的通话记录》
• 张三丰：下午我要去趟少林寺，你把方丈的手机号找给我 //主机发送控制信号
• 小道士：找到了，188-666…… //从机返回有效数据
• 张三丰：等一下，我找支笔。好了，你说吧 //主机发送Ready信号
• 小道士：188-666-66666，念完了 //从机返回有效数据，以及响应信号
• 张三丰：好的。
  在武当山的通话记录中，张三丰是主机，小道士是从机。通信过程同样是由主机发起，向从机请求数据。主机准备好之后发送Ready信号，接下来从机开始发送数据。从机在数据发送完成后给出响应信号，表明本次传输结束。
  对比上述两个通话记录可以发现，少林寺的通话是一次主机向从机写数据的过程，而武当山的通话则是主机向从机读数据的过程。在通信过程中，主从之间会进行协调，只有等接收方准备好之后，才能开始数据传输，这种机制我们称之为“握手”。
  在打电话的时候，通话双方能够理解彼此的语言，进而从中筛选有效信息。而在数字电路中，通信双方就没有那么智能了，主设备和从设备需要按照约定好的数据传输方式来发送和接收数据。AXI协议就是描述了主设备和从设备之间的数据传输方式，在该协议中，主设备和从设备之间通过握手信号建立连接。
  AXI协议是一种高性能、高带宽、低延迟的片内总线，具有如下特点：
  1、总线的地址/控制和数据通道是分离的；
  2、支持不对齐的数据传输；
  3、支持突发传输，突发传输过程中只需要首地址；
  4、具有分离的读/写数据通道；
  5、支持显著传输访问和乱序访问；
  6、更加容易进行时序收敛。
  在数字电路中只能传输二进制数0和1，因此可能需要一组信号才能高效地传输信息，这一组信号就组成了接口。AXI4协议支持以下三种类型的接口：
  1、AXI4：高性能存储映射接口。
  2、AXI4-Lite：简化版的AXI4接口，用于较少数据量的存储映射通信。
  3、AXI4-Stream：用于高速数据流传输，非存储映射接口。
  在这里我们首先解释一下存储映射（Meamory Map）这一概念。如果一个协议是存储映射的，那么主机所发出的会话（无论读或写）就会标明一个地址。这个地址对应于系统存储空间中的一个地址，表明是针对该存储空间的读写操作。
  AXI4协议支持突发传输，主要用于处理器访问存储器等需要指定地址的高速数据传输场景。AXI-Lite为外设提供单个数据传输，主要用于访问一些低速外设中的寄存器。而AXI-Stream接口则像FIFO一样，数据传输时不需要地址，在主从设备之间直接连续读写数据，主要用于如视频、高速AD、PCIe、DMA接口等需要高速数据传输的场合。
  在本章我们重点介绍AXI4接口，它由五个独立的通道构成：
  1、读地址
  2、读数据
  3、写地址
  4、写数据
  5、写响应
  下面是使用读地址和读数据通道实现读传输过程的示意图：
  

图 15.1.1 读传输过程示意图
从图 2.1.1中可以看到，在一个读传输过程中，主机首先在读地址通道给出读地址和控制信号，然后从机由读数据通道返回读出的数据。另外我们需要注意的是，这是一次突发读操作，主机只给出一个地址，从该地址连续突发读出四个数据。
写传输过程如图 15.1.2所示，它用到了写地址、写数据和写响应三个通道。主机在写地址通道给出写地址和控制信号，然后在写数据通道连续突发写四个数据。从机在接收数据之后，在写响应通道给出响应信号。


图 15.1.2 写传输过程示意图

AXI总线中的每个通道都包含了一组信息信号，还有一个VALID和一个READY信号。VALID信号由源端（source）产生，表示当前地址或者数据线上的信息是有效的；而READY信号由目的端（destination）产生，则表示已经准备好接收地址、数据以及控制信息。VALID和READY信号提供了AXI总线中的握手机制，如下图所示：


图 15.1.3 VALID和READY握手机制

在图 15.1.3中，ACLK为时钟信号，在AXI协议中，所有的输入信号都在是ACLK的上升沿采样，所有的输出信号必须在ACLK的上升沿之后才能改变。在T1之后，源端将VALID拉高，表明INFORMATION信号线上传输的是有效的地址、数据或者控制信息。目的端在T2之后将READY拉高，表明它已经准备好接收数据，此时源端必须保持INFORMATION数据稳定不变，直到T3时刻进行数据传输。
需要注意的是，源端不允许等目的端的READY信号拉高之后，才将VALID信号置为有效状态。而且，一旦VALID拉高，源端必须保持其处于有效状态，直至成功握手（在时钟上升沿检测到VALID和READY同时为有效状态）。
AXI协议的五个通道都有各自的VALID/READY握手信号对，每个通道握手信号对的名称如下图所示：


图 15.1.4　各通道握手信号名称

到这里，我们已经简单介绍了AXI4协议的读写过程，以及握手协议。关于如何实现AXI4通信协议，以及如何在设计中使用该协议进行通信，我们将硬件设计部分进行讲解。
15.2实验任务
本章的实验任务是通过自定义一个AXI4接口的IP核，通过AXI_HP接口对PS端DDR3进行读写测试。
15.3硬件设计
根据实验任务我们可以画出本次实验的系统框图，如下图所示：


图 15.3.1 系统框图
在图 5.3.1中，DDR3 Test是我们自定义的IP核，具有AXI4 Master端口，该端口通过AXI Smartconnect模块，最终连接到PS端的S_AXI_HP0端口。
首先创建Vivado工程，工程名为“axi4_ddr_rw”，然后创建Block Design设计（system.bd）并添加ZYNQ7 Processing System模块。接下来按照《“Hello World”实验》中的步骤2-7、2-8分别配置PS的UART和DDR控制器。需要特别注意的是，我们在《“Hello World”实验》的步骤2-10中，移除了PS中与PL端交互的接口信号，在我们本次实验中我们要保留时钟FCLK_CLK0和复位FCLK_RESET0_N信号，移除GP Master AXI Interface接口。
由于本次实验用到了PS端的HP接口，因此在ZYNQ7处理系统的配置界面左侧点击“PS-PL Configuration”标签，然后在右侧界面中勾选“HP Slave AXI Interfacce”下的“S AXI HP0 Interface”，如下图所示：


图 15.3.2 MIO配置

最后点击右下角的“OK”，本次实验ZYNQ处理系统就配置完成了。
ZYNQ7 PS配置完成后其接口如下图所示：


图 15.3.3 ZYNQ7模块接口

在图 5.3.4中，S_AXI_HP0是PS端的AXI高性能接口，它是一个从接口，连接到PS内的存储器互联，用于PL访问PS内的存储设备，包括OCM和DDR。
在本次实验中，PS内的数据通路如图 15.3.4所示。我们在PL内自定义的DDR3 Test IP核作为主设备，通过PS AXI_HP0接口，与DDR控制器进行通信，最终对DDR3存储器进行读写操作。

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图 15.3.4 PS内的数据通路

接下来我们要在Block Design中添加PL端的自定义IP核。
在添加该IP之前，我们需要先自定义一个带有AXI4 Master端口的IP核，并将其添加到工程的IP库中。我们在《自定义IP核-呼吸灯实验》中介绍了如何定义一个带有AXI-Lite Slave接口的IP核，在本次实验中定义IP的方法与之相同，只是这次我们要选择AXI4 Master接口。
在菜单栏中点击“Tools”，然后在下拉列表中选择“Create and Package New IP”，如下图所示：


图 15.3.5 创建IP

在弹出的对话框中直接点击“Next”，如下图所示：


图 15.3.6 创建和封装IP

在下图所示的界面中选择“Create a new AXI4 peripheral”，点击“Next”：



接下来设置IP核的名称为“PL_DDR3_TEST”，并将IP的路径修改为当前工程路径下的“ip_repo”文件夹，最后点击“Next”，如下图所示：


图 15.3.7 设置IP名称和路径

在“Add Interfaces”界面中修改接口名称为“M_AXI”，选择接口类型为“Full”，接口模式为“Master”，数据位宽为“32”。如下图所示：


图 15.3.8 自定义IP核接口配置

图 5.3.6中对IP核接口的配置与《自定义IP核——呼吸灯实验》不同，在这里我们新建的IP核作为主机（Master），除此之外我们使用的接口类型变成了AXI-Full，而不再是AXI-Lite。
设置完成后点击上图中右下角的“Next”。
接下来在图 15.3.9中选择“Edit IP”，最后点击“Finish”，如下图所示：


图 15.3.9 创建外设

在上图中点击“Finish”后会自动打开一个新的Vivado工程，工程名为“edit_PL_DDR3_TEST_v1_0”，如图 15.3.10所示。我们可以在这个工程中对创建的IP核——PL_DDR3_TEST进行编辑。


图 15.3.10 Edit IP工程

AXI4接口共有五个独立的通道，每个通道又有少则几个，多则十几个信号，如果让我们自己来实现这样一个接口还是比较复杂的。不过大家不用担心，我们在图 5.3.6中创建AXI4接口的IP时，Vivado提供的IP封装工具已经自动帮我们实现了这样一个接口，并提供了一个示例程序。
在图 15.3.10中，箭头所指示的文件实现了AXI4协议下的读写测试模块，我们甚至都不用对代码作任何修改，即可实现对DDR的读写测试功能。虽然该模块的代码看上去比较长（900多行），但是大多是一些注释，非常详尽。大家可以通过阅读代码及注释，来学习AXI4协议主机的实现方式。
在这里我们只贴出部分代码：

• 735 //implement master command interface state machine
• 736
• 737 always @ ( posedge M_AXI_ACLK)
• 738 begin
• 739 if (M_AXI_ARESETN == 1'b0 )
• 740 begin
• 741 // reset condition
• 742 // All the signals are assigned default values under reset condition
• 743 mst_exec_state <= IDLE;
• 744 start_single_burst_write <= 1'b0;
• 745 start_single_burst_read <= 1'b0;
• 746 compare_done <= 1'b0;
• 747 ERROR <= 1'b0;
• 748 end
• 749 else
• 750 begin
• 751
• 752 // state transition
• 753 case (mst_exec_state)
• 754
• 755 IDLE:
• 756 // This state is responsible to wait for user defined C_M_START_COUNT
  上面的代码实现了一个状态机，其状态转换图如下所示：
  

图 15.3.11 状态转换图

系统复位后，状态机处于初始状态，在该状态下等待外部输入的启动传输脉冲init_txn_pulse。一旦检测到init_txn_pulse为高电平，状态机跳转到INIT_WRITE状态。
在INIT_WRITE状态下，状态机拉高start_single_burst_write信号，来不断地启动AXI4 Master接口对Slave端大小为4KB的存储空间进行突发写操作。写操作完成后，write_done信号会拉高，状态机进入INIT_READ状态。
在INIT_READ状态下，状态机拉高start_single_burst_read信号，不断地启动AXI4 Master接口对Slave端同一存储空间进行突发读操作，同时将读出的数据与写入的数据进行对比。读操作完成后，read_done信号拉高，状态机进入INIT_COMPARE状态。
在INIT_COMPARE状态下，判断AXI4接口在读写过程中的是否发生错误，并将错误状态赋值给ERROR信号，然后将compare_done信号拉高，表示一次读写测试完成。最后跳转到IDLE状态，等待下一次读写操作的启动信号。
我们在查看了图 15.3.10中箭头所指示的IP核源码后，不需要再对IP作任何修改，直接关闭名为edit_PL_DDR3_TEST_v1_0的工程。最终我们创建的IP核将通过AXI4 Master端口向Slave端指定的4K存储空间中连续写入1024个数据，写入的数值从1累加到1024，每个数据占32bit。
IP核创建完成后，我们在工程目录下的ip_repo文件夹中可以找到IP相关的文件，如下图所示：


图 15.3.12 IP核相关的文件

需要注意的是，在图 15.3.12中我们只需要保留红色方框中的文件夹即可，其余文件及文件夹是用于对IP进行编辑的工程文件，我们可以直接删除。
回到axi4_ddr_rw工程界面，在左侧“Flow Navigator”一栏点击“IP Catalog”，然后在右侧的IP目录中可以看到我们前面所创建的IP核——PL_DDR3_TEST，该IP已经自动添加到了当前工程的IP库中。


图 15.3.13 IP目录

接下来在Diagram窗口中给设计添加自定义的IP核PL_DDR3_TEST，添加完成后如下图所示：


图 15.3.14 添加PL_DDR3_TEST IP核

在图 15.3.14中，M_AXI是AXI-Full类型的主机接口，我们将通过这个接口对PS端的DDR3进行读写操作。PL_DDR3_TEST IP核在检测到m_axi_init_axi_txn端口的上升沿后会启动读写过程，并将读出的数据与写入的数据作比较，比较完成后m_axi_txn_done输出高电平。另外，在比较完成后，m_axi_error信号会指示整个过程是否出错。如果在读写过程中出错，或者在比较的过程中发现读出的数据与写入的数据不一致，那么m_axi_error将会拉高。
添加完自定义IP核之后，双击该IP核对其进行配置，如下图所示：


图 15.3.15　配置PL_DDR_TEST IP核
在图 15.3.15中，我们将变量C M AXI TARGET SLAVE BASE ADDR的值修改为0x1000_0000，它位于DDR3存储器的地址空间，是PL_DDR3_TEST IP核进行读写操作的起始地址。我们将该地址之前的存储空间预留下来，用于运行PS中的软件程序。
接下来，我们还要添加Utility Vector Logic IP核。然后将其配置成非门，位宽为1，作为反向器使用。这是因为我们需要使用PL端的按键来作为PL_DDR_TEST IP核的启动信号，ZYNQ领航者底板上的按键在按下的时候为低电平，因此我们通过添加一个反向器，将其修改为按下时输出高电平。
IP核添加完成后，使用工具的自动连接功能，对设计进行连线。并手动进行按键与反向器、PL_DDR_TEST IP核之间的连接。
连接完成后，在Diagram窗口空白处右击，然后选择“Regenerate Layout”对设计进行重新布局，布局后的界面如下图所示：


图 15.3.16 重新布局后的设计界面
从上图中可以看到，在执行了自动连接之后，工具自动添加了两个IP核，分别是AXI智能互联（AXI Smartconnect）和处理器系统复位（Processor System Reseet）。另外上图中3个蓝色的外部接口需要我们手动添加，其中key_init用于连接领航者底板上的按键，另外两个接口用于连接底板上的LED。
图 5.3.8中橙色的连线标注出了本设计中AXI4总线的连接，其中PL_DDR3_TEST IP核的M_AXI作为主机接口，ZYNQ PS的S_AXI_HP0为从机接口，中间经过了AXI Smartconnect。AXI Smartconnect的功能与AXI Interconnect IP核类似，都是用于将AXI存储器映射的主器件连接到存储器映射的从器件。
到这里我们的Block Design就设计完成了，在Diagram窗口空白处右击，然后选择“Validate Design”验证设计。验证完成后弹出对话框提示“Validation Successful”表明设计无误，点击“OK”确认。最后按快捷键“Ctrl + S”保存设计。
接下来在Source窗口中右键点击Block Design设计文件“system.bd”，然后依次执行“Generate Output Products”和“Create HDL Wrapper”。
在左侧Flow Navigator导航栏中找到RTL ANALYSIS，点击该选项中的“Open Elaborated Design”。然后在菜单栏中点击 Layout，在下拉列表中选择I/O Planning以打开I/O Ports窗口。我们将在 I/O Ports 窗口中对key_init等接口进行管脚分配，如下图所示：


图 15.3.17 管脚分配
在图 5.3.14中，我们将key_init分配到了L20引脚上，该引脚最终与领航者ZYNQ底板上的按键PL_KEY0相连接；compare_done和error_flag分别连接到底板上的LED：PL_LED0和PL_LED1。管脚分配完成后按快捷键Ctrl+S保存管脚约束。
最后在左侧Flow Navigator导航栏中找到PROGRAM AND DEBUG，点击该选项中的“Generate Bitstream”，对设计进行综合、实现、并生成Bitstream文件。
在生成Bitstream之后，在菜单栏中选择 File > Export > Export hardware导出硬件，并在弹出的对话框中，勾选“Include bitstream”。然后在菜单栏选择File > Launch SDK，启动SDK软件。
15.4软件设计
在SDK软件中新建一个BSP工程和一个空的应用工程，应用工程名为“axi4_ddr_rw”。然后为应用工程新建一个源文件“main.c”，我们在新建的main.c文件中输入本次实验的代码。代码如下所示：

• 1 #include
• 2 #include "xil_cache.h"
• 3 #include "xil_printf.h"
• 4 #include "xil_io.h"
• 5
• 6 int main()
• 7 {
• 8 int i;
• 9 char c;
• 10
• 11 Xil_DCacheDisable();
• 12 print("AXI4 PL DDR TEST!nr");
• 13
• 14 while(1){
• 15 scanf("%c",&c);
• 16 if(c=='c'){
• 17 printf("startnr");
• 18 for(i=0;i<4096;i=i+4){
• 19 printf("%d is %dn",i,(int)Xil_In32(0x10000000+i));
• 20 }
• 21 }
• 22 }
• 23
• 24 return 0;
• 25 }
  可以看出，我们的软件程序特别简单。在代码的第14行至22行，通过一个while(1)死循环，连续判断用户输入的字符。当输入字符“c”时，程序通过一个for循环开始从地址0x1000_0000读取DDR3存储器中的数据，读取的存储空间大小为4KB。需要注意的是，变量i每次累加4，这是因为我们调用了函数Xil_In32( )来读取内存数据，每次读取32bit。而内存地址是以字节（1字节==8bit）为单位的，那么操作完成后地址应该累加4。
  可以看出，我们在软件中读取的内存地址与硬件设计过程中PL_DDR_TEST IP核所写入的地址是一致的。我们将软件读出的数据通过串口打印出来，与PL_DDR_TEST IP核写入的数据进行对比，即可验证我们通过AXI4接口对DDR进行的读写操作是否成功。
  另外，在代码的第11行，我们通过调用函数Xil_DCacheDisable( )来关闭数据缓存（Data Cache），以避免从缓存中读取数据。这是因为在对同一地址进行读操作时，读出的有可能是Data Cache中缓存的数据，而不是DDR中真正的数据。
  程序设计完成后，按快捷键Ctrl+S保存main.c文件，工具会自动进行编译。编译完成后控制台（Console）中会出现提示信息“Build Finished”，同时在应用工程的Binaries目录下可以看到生成的elf文件。
  15.5下载验证
  首先我们将下载器与领航者底板上的JTAG接口连接，下载器另外一端与电脑连接。然后使用Mini USB连接线将开发板左侧的USB_UART接口与电脑连接，用于串口通信。最后连接开发板的电源，并打开电源开关。
  在SDK软件下方的SDK Terminal窗口中点击右上角的加号设置并连接串口。然后下载本次实验硬件设计过程中所生成的BIT文件，来对PL进行配置。最后下载软件程序，下载完成后，在下方的SDK Terminal中可以看到应用程序打印的信息“AXI4 PL DDR TEST!”。
  然后在SDK Terminal窗口中输入字符“c”，然后点击“Send”发送。程序会打印从DDR3中读出的数据，如下图所示：
  

图 15.5.1 第一次从DDR3中读出的数据

如图 15.5.1所示，串口打印出了DDR3存储空间中从地址0x1000_0000开始的1024个数据，每个数据占4个字节。从图中可以看出，开发板上电后，在没对该地址空间进行写操作之前，DDR3中的数据是随机的。
我们按下领航者底板上的按键PL_KEY0然后释放，该动作会启动PL_DDR3_TEST IP核对DDR3的读写操作。然后底板上的PL_LED0会点亮，表示读写操作完成。如下图所示：


图 15.5.2 领航者开发板实物图

在图 15.5.2中，如果右侧的PL_LED1也点亮了，这表明在对DDR3进行读写操作过程中出现了错误。但是这个错误指示灯点亮的原因并不唯一，通过分析PL_DDR3_TEST IP核的源码可以看出，在AXI4通信过程中写响应出错、读响应出错、以及读出与写入的数据不一致均会导致错误指示灯点亮。
因此，要判断我们自定义的IP核究竟有没有成功地向DDR3指定地址中写入数据，还是要通过查看该内存空间中的数据来判断。
在SDK Terminal窗口中重新输入字符“c”并发送，程序会再次打印从DDR3中读出的数据，如下图所示：




图 15.5.3 第二次从DDR3中读出的数据

从图 15.5.3中可以看出，PS端软件从DDR3中指定的4KB存储空间中读出的数据依次为1到1024，与PL_DDR3_TEST IP核写入的数据一致，说明本次实验在领航者ZYNQ开发板上面下载验证成功。